深部岩巷爆破震动作用机理与围岩动力响应特性研究

With dynamic instability of surrounding rock in deep rock roadway during blasting excavation as the background, the mechanism of blasting vibration and dynamic response characteristics of surrounding rock in deep rock roadway are investigated from theoretical analysis, blasting model experiment and numerical simulation. The propagation and attenuation of blasting vibration in deep rock roadway are analyzed from theoretical analysis to reveal the mechanism of blasting vibration. Then a testing apparatus for blasting model experiment of deep rock roadway excavation is developed based on existing three dimensional simulation experiment apparatus. By combining blasting model experiment with numerical simulation, the influence of rock mass properties (joints and structural surface), in-situ stress conditions, and blasting parameters (cutting way, delay time, and charge structure) on both blasting vibration effect and dynamic response characteristics of surrounding rock in deep rock roadway are studied. Then the mechanism of rock deformation and failure of deep mine roadway are analyzed to achieve the active control of blasting vibration effect. Moreover, the time-frequency characteristic of blasting vibration signals under various blasting parameters are also analyzed by wavelet packet analysis and HHT transform. After considering both blasting vibration velocity, frequency, and duration, a safety criterion of blasting vibration for deep rock roadway is put forward to offer a scientific basis for guaranteeing the stability of surrounding rock in deep rock roadway.

以爆破掘进过程中深部岩石巷道围岩动力失稳破坏为背景，采用理论分析、爆破相似模型试验和数值模拟等方法对深部岩石巷道爆破震动作用机理和巷道围岩动力响应特性进行研究。理论分析爆破震动在深部巷道围岩中的传播特性和衰减规律，揭示爆破震动的作用机理。研制深部高应力岩石巷道爆破掘进相似模拟试验装置，通过爆破相似模型试验与数值模拟相结合的方法，研究围岩体特性（节理、结构面）、地应力条件和爆破参数（掏槽方式、延期时间和装药结构）等因素对深部岩石巷道爆破震动效应和巷道围岩动力响应特征的影响，深入分析深部矿山巷道围岩在爆破荷载作用下的变形破坏机理，实现爆破震动效应的主动控制；借助小波包分析和HHT变换对不同爆破参数条件下的爆破震动信号时频特性进行分析，建立综合考虑爆破震速、频率和持续时间的深部岩石巷道爆破震动安全判据，为保证深部岩石巷道围岩稳定提供科学依据。

以爆破掘进过程中深部岩石巷道围岩动力失稳破坏为背景，主要研究内容为采用理论分析和室内试验相结合的方法，通过SHPB试验、SEM试验、高速摄像技术研究节理砂岩的静动态力学特性，研究了不同倾角弱充填节理砂岩的静动态力学特性、能量耗散特征，获得能够真实反映不同倾角弱充填节理砂岩的静动态力学参数，分析其断裂演化机理及应力波传播衰减规律，构建弱充填节理岩体的黏弹塑性动态本构模型，为节理岩体工程的稳定性维护及灾害评估提供分析计算依据和理论基础。试验将实际工程中岩体含有不同倾角的断裂面和裂隙简化为室内试验尺度上的弱充填节理试件，进行静动态力学试验，获得节理岩体的静动态力学参数，分析其破坏模式。基于动态冲击试验结果，构建能够综合考虑节理倾角、应变率效应和围压效应的弱充填节理砂岩动态本构模型。分析了纵波以任意角度入射弱充填节理岩体时，应力波散射场的传播规律和纵波所衍生的横波影响，推导了应力波经n次透反射后的应力比和能量比。对不同爆破方案的模型试验进行爆破振动测试，得到爆破振动信号水平横向振速最小，同时起爆时峰值振动速度较大，增大槽腔体积与深度，延时起爆峰值振动速度较小，可以获得较好的成型效果。合理的增加段数并控制最大段起爆药量有效降低了爆破振动强度。通过对爆破振动测试及分析，得出地震波传播公式，质点振动速度峰值及时刻与起爆药量和延时相关。采用延期爆破，控制最大段起爆药量，降低了爆破振动效应。为保证深部岩石巷道围岩稳定提供科学依据。.通过研究取得了重要研究成果，发表了SCI论文7篇，EI论文4篇，国际发明专利2项，授权国内发明专利4项，参加学术会议并做报告7次，其中国际学术报告2次，培养博士生3人，硕士生4人。项目研究成果对技术难度复杂的超大型岩体工程，如我国重大工程川藏铁路工程、深部地下工程遇到坚硬岩石快速施工和有效安全施工提供重要方法。