【摘要】：近些年,隨著我國礦產(chǎn)資源開采強(qiáng)度不斷加大,開采向縱深延伸的趨勢日漸顯著,提升高地應(yīng)力條件下巖巷掘進(jìn)效率,加快礦井生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)步伐,滿足“安全、高效”的生產(chǎn)要求,逐漸成為眾多專家關(guān)注與研究的焦點(diǎn)。本文綜合采用理論研究、新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)與ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬研究方法,以耦合應(yīng)力場為研究立足點(diǎn),著重探究了高地應(yīng)力巖巷大直徑空孔直眼掏槽與楔直復(fù)合式掏槽爆破圍壓效應(yīng)動力學(xué)響應(yīng)特性,為高地應(yīng)力巖巷掏槽掘進(jìn)方式選取提供了一定的參考依據(jù)。主要研究成果如下:(1)應(yīng)用彈性力學(xué)與巖體力學(xué)相關(guān)理論,獲得了原巖應(yīng)力場與爆炸動應(yīng)力場共同作用炮孔周邊耦合徑向應(yīng)力與耦合切向應(yīng)力分布函數(shù),耦合切向應(yīng)力受圍壓加載水平影響更為顯著,表現(xiàn)為:低圍壓加載,炮孔近區(qū)耦合切向應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài),孔壁處出現(xiàn)峰值,隨后趨于平穩(wěn);提高圍壓約束水平,近區(qū)耦合切向受拉區(qū)域隨之縮小且峰值降低,遠(yuǎn)區(qū)則呈現(xiàn)拉、壓應(yīng)力不規(guī)律分布,不規(guī)律性顯現(xiàn)程度隨圍壓水平上升而提高。耦合徑向應(yīng)力分布受圍壓效應(yīng)影響較小,均呈壓應(yīng)力狀態(tài),炮孔近區(qū)峰值基本保持穩(wěn)定,炮孔遠(yuǎn)區(qū)耦合徑向壓應(yīng)力近似沿主應(yīng)力方向增大。(2)考慮將空孔布設(shè)于爆炸裂隙區(qū),改進(jìn)了空孔效應(yīng)理論計(jì)算模型,得到了空孔孔壁處切向拉應(yīng)力峰值位于裝藥孔與空孔中心連線上,空孔周邊切向拉應(yīng)力與孔徑呈正相關(guān),適當(dāng)增大空孔直徑,有利于提高空孔周邊應(yīng)力集中程度,增大破巖率,孔間距為裝藥孔半徑6~8倍時(shí),破巖率較高;借助炮孔極限深度及爆炸補(bǔ)償系數(shù),得到了巖體介質(zhì)松散系數(shù)K、直眼孔孔徑、斜孔孔徑及孔間距的理論關(guān)系式;建立了楔直復(fù)合式掏槽爆破理論計(jì)算模型,獲得了形成有效槽腔的參考判據(jù)。(3)基于新研制的地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展了爆炸動力學(xué)模型試驗(yàn)可行性研究:校核模型系統(tǒng)加載架強(qiáng)度,通過電算法計(jì)算反力墻在最不利荷載組合下的剪應(yīng)力與變形量,判定加載架抗屈服變形能力良好;利用280個(gè)液壓作動器,從三個(gè)維度為巖巷模型施加真三軸圍壓約束,高仿真還原原巖應(yīng)力場;使用EDC伺服液壓數(shù)控系統(tǒng)加載,內(nèi)置的自反饋模式可維持加載環(huán)境穩(wěn)定;合理規(guī)劃有效加載區(qū)與觀察窗的相對位置關(guān)系,最大程度減小邊界效應(yīng)影響,同時(shí)提供碎巖拋擲條件,較為全面地論證了高地應(yīng)力掏槽爆破模型試驗(yàn)的可行性。(4)引入了量綱分析法,針對掏槽孔布設(shè)幾何參數(shù)、模型材料物理力學(xué)參數(shù)與炸藥性能參數(shù)進(jìn)行了無量綱化處理,結(jié)合矩陣法求解了無量綱方程,獲得了適用于掏槽爆破相似準(zhǔn)則九項(xiàng),為模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模型材料選擇提供了一定的理論依據(jù)。(5)研制出適用于新型地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)爆炸動力學(xué)試驗(yàn)的水泥砂漿類模型材料,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),借助極差分析法與方差分析法,以砂膠比、膠凝物比例、鐵精粉及拌合水量為切入點(diǎn),進(jìn)行了相似模型材料物理力學(xué)特性敏感性與顯著性分析,獲得了模型材料較適宜配比區(qū)間,進(jìn)一步通過炸藥與模型材料的近似匹配性,確定了配比方案。(6)模型材料靜力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為強(qiáng)度高、彈性模量大、縱波波速快,與高爆力炸藥波阻抗較為匹配;模型材料動力學(xué)響應(yīng)良好,動態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變曲線可觀察到線彈性階段、粘結(jié)破壞階段、壓實(shí)階段以及卸載階段,實(shí)現(xiàn)了靜力學(xué)相似與動力學(xué)相似的雙重目的。(7)建立了外部傳力圍巖保護(hù)層與掏槽區(qū)組合式實(shí)體模型,有效縮短了試驗(yàn)周期;提出了預(yù)埋固定微應(yīng)變傳感元件的改進(jìn)方法,實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變片與模型材料變形基本協(xié)調(diào)的目的;基于“炸藥爆炸能量相似”理論,優(yōu)化了不耦合裝藥系數(shù),協(xié)調(diào)了炸藥與模型材料匹配性,使高爆力黑索金炸藥的動、靜作用能量分配比例更貼合低爆力乳膠炸藥與巖體介質(zhì)間的相互作用關(guān)系,最大程度滿足了模型試驗(yàn)動力學(xué)相似條件。(8)分析了不同圍壓加載方案爆后腔體形態(tài)特征,結(jié)合碎巖篩分析及分維數(shù)計(jì)算結(jié)果,總結(jié)圍壓效應(yīng)對掏槽爆破成腔效果的影響規(guī)律,結(jié)果表明:當(dāng)最大水平主應(yīng)力方向與巖巷掘進(jìn)方向平行時(shí),圍壓效應(yīng)有助于破巖成腔,碎巖大塊率較低、塊度分布較均勻,垂直于巖巷掘進(jìn)方向時(shí),碎巖拋擲受阻,破巖成腔效果不顯著,碎巖大塊率較高、塊度分布不均;相同圍壓環(huán)境,楔直復(fù)合式掏槽碎巖大塊率均小于大直徑空孔直眼掏槽,直眼掏槽碎巖大塊率圍壓敏感性程度相對較高,變化幅度較大。(9)通過在槽腔周邊近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)預(yù)埋應(yīng)變磚,采集圍巖介質(zhì)徑向與切向超動態(tài)應(yīng)變信號,獲得了槽腔周邊圍巖應(yīng)變動態(tài)演化圍壓效應(yīng)特性,表現(xiàn)為:掏槽近區(qū)徑向壓應(yīng)變峰值與切向拉應(yīng)變峰值近似相等,掏槽遠(yuǎn)區(qū),徑向壓應(yīng)變峰值及切向拉應(yīng)變峰值在最大主應(yīng)力方向上相差較大、信號衰減較緩、爆炸應(yīng)力波拉伸相與壓縮相破巖效用較強(qiáng),宏觀呈現(xiàn)為爆生裂紋擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向近似一致。(10)通過超聲波平測法對爆后槽腔周邊圍巖損傷程度進(jìn)行檢測與分析,獲得了不同圍壓加載環(huán)境槽腔近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)圍巖介質(zhì)損傷演化規(guī)律,表現(xiàn)為:掏槽近區(qū),受爆炸動荷載與圍壓約束雙重作用,爆炸動荷載影響作用占主導(dǎo),圍壓約束作用不顯著;掏槽遠(yuǎn)區(qū),圍壓約束作用占主導(dǎo),阻礙介質(zhì)內(nèi)部損傷程度的提高。(11)采用計(jì)盒維數(shù)表征巖體介質(zhì)受圍壓效應(yīng)影響的損傷演化規(guī)律,分區(qū)域、分方向量化槽腔擴(kuò)展輪廓、爆生裂紋分布及發(fā)展路徑、微裂隙發(fā)育程度等關(guān)鍵信息,探討不同加載方案爆后腔體形態(tài)特征,以及槽腔體積隨掘進(jìn)深度遞增的衰減特性,結(jié)果表明:槽腔近區(qū),圍巖受損程度較高,區(qū)域性或方向性分布特征不顯著;槽腔遠(yuǎn)區(qū),宏觀裂紋擴(kuò)展受圍壓約束抑制作用較明顯,裂隙區(qū)分布區(qū)域縮小,方向性特征為裂紋擴(kuò)展路徑向最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn),臨近最大主應(yīng)力方向區(qū)域計(jì)盒維數(shù)較大,損傷程度高;沿掘進(jìn)方向的不同層面上,臨空面處損傷范圍最大,掘進(jìn)層面不斷深入巖體介質(zhì)損程度逐漸降低,靜水壓力條件下?lián)p傷值下降最為顯著,最大主應(yīng)力方向與掘進(jìn)方向一致時(shí),損傷值下降較為緩慢。(12)采用數(shù)值模擬研究方法,分析了兩種掏槽方式有效應(yīng)力動態(tài)響應(yīng)特性,探究了槽腔周邊圍巖有效應(yīng)力分布演化規(guī)律,結(jié)果表明:處于圍壓環(huán)境下,槽腔周邊圍巖有效應(yīng)力峰值較小,爆炸應(yīng)力波傳播速度變化下顯著;兩種掏槽方式有效應(yīng)力峰值差異程度較低,峰后有效應(yīng)力出現(xiàn)差異:直眼掏槽有效應(yīng)力峰后曲線呈震蕩式衰減;復(fù)合式掏槽孔底形成有效應(yīng)力集中區(qū),峰后段應(yīng)力水平較高,有助于巖體破碎及圍巖裂隙區(qū)的形成。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD263.3
【圖文】：

g) 小直徑空孔螺旋掏槽 (h) 大直徑空孔螺旋掏圖 1.1 直眼掏槽常見炮孔布設(shè)形式Fig.1.1 Common layouts of the straight-eye cuts瞬時(shí)形成的爆轟波與高溫、高壓爆轟產(chǎn)物劇烈沖體，爆炸應(yīng)力波與爆生氣體的動靜協(xié)同作用使掏變形、破壞并拋擲，形成設(shè)定槽腔[64]。處于三向作用更為明顯，空孔的存在有著重要意義，近年

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文下巖體內(nèi)部含結(jié)構(gòu)面的平巷炮掘；（2）錐形掏槽：數(shù)個(gè)炮孔向中心傾斜布設(shè)后槽腔呈錐形，堅(jiān)硬巖體中成腔效果較好（圖 1.2（a））；（3）楔形掏槽：由對稱布設(shè)的相向傾斜炮孔構(gòu)成，爆后腔體呈楔形，使用范圍較廣（圖 1.2（b）4）扇形掏槽：數(shù)個(gè)炮孔的鉆打角度與深度均不同，主要應(yīng)用于煤巷炮掘。(a) 錐形掏槽

[94]，用于模擬采場頂板位移及地表沉陷問題（圖1.3（a））；北京科技大學(xué)設(shè)計(jì)了二維巖體位移模擬實(shí)驗(yàn)臺[95]，主要用于研究采場巖體移動規(guī)律、深井采場上覆巖層運(yùn)動發(fā)展規(guī)律及煤巖層應(yīng)力演化規(guī)律（圖1.3（b））；中國礦業(yè)大學(xué)（北京）國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出YDM－C型巖體工程與地質(zhì)災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)裝置[96]，平面應(yīng)力加載模式，用于模擬洞室分步開挖與錨固支護(hù)，以及平面條件下的邊坡模型試驗(yàn)（圖1.3（c））；同濟(jì)大學(xué)開發(fā)出一套隧道開挖平面應(yīng)力模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[97]，主要用于研究模擬隧道開挖關(guān)鍵過程及隧道支護(hù)效果（圖1.3（d））。

本文編號：2779913