露天转崩落法地下开采高陡边坡爆破动力失稳机理研究

The dynamic instability mechanism of high steep slope subjected to blasting vibration of open-pit to underground caving mining is studied with the method of numerical simulation, model test and theoretical analysis. The study is carried on from "weakening" and "add-on loads" of rockmass. Relying on the high steep slope of Daye iron mine open pit to underground caving mining conditions, stress wave theoretical, wavelet packet analysis and some other theory are used to study the blasting vibration propagating laws and load characteristic based on investigation, testing and acquired achievements. Then, numerical simulation model and geological model is established and tested to study the characteristic of dynamic instability mechanism. The models are optimized by back analysis. The dynamic finite element numerical simulation and shaking table loading experiment are applying to study on the mechanism of blasting dynamic instability mechanism of slope rock mass structures under the condition of repeating and changing loads. Dynamic instability criterion model of high steep slope subjected to blasting vibration of open-pit to underground caving mining is established based on the rock blasting stress wave and dynamics theory. Study on "dynamic instability mechanism of high steep slope subjected to blasting vibration of open-pit to underground caving mining" is frontier topic in rock dynamics, and the research results are of great theoretical and practical value for controlling the stability of slope and revealing dynamic instability mechanism of high steep slope subjected to blasting vibration of open-pit to underground caving mining.

拟用"数值模拟"、"模型试验"、"理论分析"综合手段，从岩体爆破动力"弱化"和"附加荷载"作用两方面，研究露天转崩落法地下开采二次扰动条件下，高陡边坡爆破动力失稳机理。以大冶铁矿露天转地下开采条件为依托，在勘察、测试和已有成果分析基础上，用岩石爆破应力波、小波包分析理论研究爆破振动传播规律与荷载特性；建立高陡边坡爆破动力分析数值、物理模型，进行高陡边坡爆破动力特性数值计算与模型试验，并用反分析方法，检验完善模型；用动力有限元数值模拟和振动台加载的模型试验方法，进行反复加载和变化量值加载条件下的岩体边坡爆破动力失稳机理研究；基于岩石爆破应力波理论和动力学理论，建立地下开采爆破振动作用下的高陡边坡动力失稳判据数学模型。 "露天转崩落法地下开采高陡边坡爆破动力失稳机理"研究，是岩石动力学前沿课题，其成果对揭示露天转地下开采高陡边坡爆破动力失稳机理，控制边坡稳定，具有重要的理论意义与实际应用价值。

以大冶铁矿露天转地下开采工程为背景，基于数值模拟、模型试验与理论分析方法，研究了露天转地下开采结构面边坡爆破震动特性、累积与惯性作用失稳机理及安全判据模型。主要成果为：（1）揭示了露天转地下开采结构面边坡爆破振动变化与传播特征。爆破振动沿坡面传播时，垂直振动速度大于水平，且随采深和高程增加而减小，穿过断层前振动速度衰减变缓、后增大；坡体内传播的地震波，在坡面以下一定范围有放大效应，水平振动放大效应范围受采深影响较大，采深越大范围越小；采深对沿结构面方向振动速度分布规律影响较大，小于48m时衰减，60、72m时则先减小后增大，结构面上侧振动速度均大于下侧。爆破振动呈多主频特征，其中0-80Hz频率占95%左右，随爆心距增加，震动波高频部分被过滤，质心频率逐渐减小；随采深增加，震动波频带变窄，质心频率减小，坡脚处质心频率对采深变化敏感于坡顶；过断层时，震动波形主波峰和波谷消失，频带变宽，质心频率增加。（2）揭示了爆破震动累积与惯性作用下结构面边坡失稳机理。爆破累积作用下，断层带强度弱化过程分为渐变、加速弱化及破坏3个阶段。渐变弱化阶段，随爆破次数增加，断层带强度近似呈线性衰减，为弹塑性变形阶段；加速弱化阶段，断层强度随爆破次数增加快速减小，为塑性变形阶段；强度参数随爆破次数增加达最大值后趋于稳定，断层带发生破坏。随爆破荷载增加，断层带中上部先出现塑性区，并逐渐向下部发展，塑性区分布范围不断增大；以现有爆破药量为参考，爆破荷载在8倍以下时，断层带塑性区体积随着药量增加缓慢；8-13倍时，断层带塑性区体积增速加大； 13-22倍时，断层带塑性区体积迅速增长；大于22倍后，断层带破坏，塑性区随加载倍数增加不再扩展。（3）建立了考虑震动特性的结构面边坡爆破振动安全判据数学模型。针对顺层结构面边坡，推导了爆破地震波经结构面时的透、反射系数理论模型，建立了基于极限平衡原理的爆破振动安全判据模型；针对竖直裂隙边坡，建立了P波、SV波入射结构面时的对偶积分方程组，得出了裂隙尖端处应力强度因子，确立了基于断裂韧度的岩质边坡爆破振动安全判据模型；结合工程实际，提出了不同主频、入射角的爆破地震波振动控制安全判据。.研究成果丰富了岩石爆破动力学理论，拓展了爆破动力分析方法，为结构面边坡爆破震动效应控制和安全标准制定提供了科学依据，具有重要的理论与应用价值。