深部地应力场对岩体爆炸致裂过程影响效应的实验研究

The fracture of rock masses in deep-level mine is developed by earth stress and blast-induced loading and the study on effect of earth stress field to rock mass failure behavior is an foundation theory work. With dynamic photoelasticity, the blast-induced stress wave propagation in dynamic and static supreimposed stress field is analysised to reveal the effect of earth stress field to stress wave; with a DIC (digital Image Correlation) method, the temporal and spatial distribution of dynamic and static supreimposed stress field is studied to reveal its supreimposed relationship; with dynamic caustics and numerical simulation, the distribution of crack arround a blasthole and the dynamic behavior of cracks whose direction are parallel and perpendicular to the maximum principal static stress direction, to find out the relationship bewteen the static stress field and crack propagation direction (orientation / deviation)and dirving force(hinder / promote); with dynamic caustics and high-speed photography, the rock mass failure with joints and wing crack initiation behavior are discussed to reveal the effect of static stress field to wing crack initiation angle and time. The work will enrich the theory of rock masses fracture in deep-level mine, which promote the development of deep-level mine.

深部矿井中岩体的爆炸致裂破坏是静态地应力和爆炸载荷共同作用的结果，研究深部地应力场对岩体爆破破坏特征的影响效应是基础理论工作。采用动态光弹性实验，分析动静组合应力场中应力波的传播规律，揭示静态应力场对应力波传播的影响效应；采用数字散斑图像相关分析技术，研究动静组合应力场的时空分布特征，揭示动静组合应力场与静态应力场和动态爆炸应力场的叠加关系；采用动态焦散线实验和数值模拟，研究动静组合应力场中炮孔周围裂纹的分布特征，对比分析与静态最大主应力方向平行和垂直裂纹的扩展动力学行为特征，揭示静态应力场对裂纹扩展方向（偏向/偏离）和扩展动力（抑制/促进）的关系；采用动态焦散线和高速摄影等，研究含节理等缺陷岩体的破坏过程，分析动静组合应力场中翼裂纹的起裂行为特征，揭示静态应力场对翼裂纹起裂角度和起裂时间的作用效应。研究成果将丰富深部岩体的爆破断裂机理，促进深部资源的安全高效开发。

目前深部岩体爆破参数设计还是按照浅部岩体爆破方案进行设计和施工的，没有考虑到地应力影响，导致爆破效果不理想。深部岩体爆炸致裂是深部地应力和爆炸载荷组合作用下裂纹的生长扩展过程。.本课题对以下4个问题开展研究：（1）进行了模拟深部岩体高地应力状态下的爆破模型实验，分析了模型试件的全场应变演化过程和所选测点的应变时程变化，建立了爆破应力波在深部地应力场中的传播与衰减规律，并揭示了静态应力场和爆破应力场叠加后的动静组合应力场的叠加规律。（2）采用动静组合加载试验装置和数字激光焦散线实验系统，进行了静态竖向载荷分别为0MPa、3MPa、6MPa和9MPa的四种PMMA试件在相同爆破载荷作用下的动态断裂实验，对比分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹的运动学和力学行为。（3）进行了静态竖向载荷分别为0MPa、2MPa和4MPa三种不同初始压应力作用下的倾斜爆生裂纹扩展规律实验，研究不同初始静态压应力场中爆生裂纹在扩展运动过程中的行为特征，揭示静态压应力场对裂纹扩展路径、偏转角度、裂纹尖端动态应力强度因子和速度的影响规律。（4）研究了高地应力状态下翼裂纹的起裂模式、起裂角度，得到了裂纹扩展过程中的应力强度因子、速度的变化规律，并与常应力状态下的实验结果进行了对比。推导和验证了适用于爆炸载荷下翼裂纹起裂的理论判据，揭示了高应力状态对翼裂纹起裂的破坏模式以及后续裂纹扩展动态行为的影响效应。.研究过程中，发表论文10篇（包括已经录用的4篇），出版专著1部，授权发明专利4项，软件著作权2项，省部级科研奖励4项，培养硕士研究生3人。.研究工作丰富了深部岩体的断裂破坏理论，对我国深部煤炭资源的安全高效开采具有重要意义。