高地应力岩巷掏槽爆破围压效应模型试验研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文高地应力岩巷掏槽爆破围压效应模型试验研究作者：张宇菲学院：力学与建筑工程学院学号：TBP140602014学科专业：岩土工程导师：高全臣教授杨仁树教授2018年6月中图分类号：TD236单位代码：11413密级：公开博士学位论文中文题目：高地应力岩巷掏槽爆破围压效应模型试验研究英文题目：ModelTestStudyonConfiningPressureEffectofCutBlastinginHighGeo-stressRockLane作者：张

2、宇菲学号：TBP140602014学科专业：岩土工程研究方向：工程爆破与岩石破碎导师：高全臣杨仁树职称：教授论文提交日期：2018年3月30日论文答辩日期：2018年6月11日学位授予日期：2018年6月25日中国矿业大学（北京）摘要摘要近些年，随着我国矿产资源开采强度不断加大，开采向纵深延伸的趋势日渐显著，提升高地应力条件下岩巷掘进效率，加快矿井生产系统建设步伐，满足“安全、高效”的生产要求，逐渐成为众多专家关注与研究的焦点。本文综合采用理论研究、新型地质力学模型试验与ANSYS/LS-DYNA数值模拟研究方法，以耦合应力场为研究立足点

3、，着重探究了高地应力岩巷大直径空孔直眼掏槽与楔直复合式掏槽爆破围压效应动力学响应特性，为高地应力岩巷掏槽掘进方式选取提供了一定的参考依据。主要研究成果如下：（1）应用弹性力学与岩体力学相关理论，获得了原岩应力场与爆炸动应力场共同作用炮孔周边耦合径向应力与耦合切向应力分布函数，耦合切向应力受围压加载水平影响更为显著，表现为：低围压加载，炮孔近区耦合切向应力呈拉应力状态，孔壁处出现峰值，随后趋于平稳；提高围压约束水平，近区耦合切向受拉区域随之缩小且峰值降低，远区则呈现拉、压应力不规律分布，不规律性显现程度随围压水平上升而提高。耦合径向应力分布

4、受围压效应影响较小，均呈压应力状态，炮孔近区峰值基本保持稳定，炮孔远区耦合径向压应力近似沿主应力方向增大。（2）考虑将空孔布设于爆炸裂隙区，改进了空孔效应理论计算模型，得到了空孔孔壁处切向拉应力峰值位于装药孔与空孔中心连线上，空孔周边切向拉应力与孔径呈正相关，适当增大空孔直径，有利于提高空孔周边应力集中程度，增大破岩率，孔间距为装药孔半径6~8倍时，破岩率较高；借助炮孔极限深度及爆炸补偿系数，得到了岩体介质松散系数K、直眼孔孔径、斜孔孔径及孔间距的理论关系式；建立了楔直复合式掏槽爆破理论计算模型，获得了形成有效槽腔的参考判据。（3）基于新

5、研制的地质力学模型实验系统，开展了爆炸动力学模型试验可行性研究：校核模型系统加载架强度，通过电算法计算反力墙在最不利荷载组合下的剪应力与变形量，判定加载架抗屈服变形能力良好；利用280个液压作动器，从三个维度为岩巷模型施加真三轴围压约束，高仿真还原原岩应力场；使用EDC伺服液压数控系统加载，内置的自反馈模式可维持加载环境稳定；合理规划有效加载区与观察窗的相对位置关系，最大程度减小边界效应影响，同时提供碎岩抛掷条件，较为全面地论证了高地应力掏槽爆破模型试验的可行性。（4）引入了量纲分析法，针对掏槽孔布设几何参数、模型材料物理力学参数与炸药性

6、能参数进行了无量纲化处理，结合矩阵法求解了无量纲方程，获得了适I中国矿业大学（北京）博士学位论文用于掏槽爆破相似准则九项，为模型试验设计及模型材料选择提供了一定的理论依据。（5）研制出适用于新型地质力学模型实验系统爆炸动力学试验的水泥砂浆类模型材料，设计正交试验，借助极差分析法与方差分析法，以砂胶比、胶凝物比例、铁精粉及拌合水量为切入点，进行了相似模型材料物理力学特性敏感性与显著性分析，获得了模型材料较适宜配比区间，进一步通过炸药与模型材料的近似匹配性，确定了配比方案。（6）模型材料静力学性质表现为强度高、弹性模量大、纵波波速快，与高爆力

7、炸药波阻抗较为匹配；模型材料动力学响应良好，动态应力—应变曲线可观察到线弹性阶段、粘结破坏阶段、压实阶段以及卸载阶段，实现了静力学相似与动力学相似的双重目的。（7）建立了外部传力围岩保护层与掏槽区组合式实体模型，有效缩短了试验周期；提出了预埋固定微应变传感元件的改进方法，实现了应变片与模型材料变形基本协调的目的；基于“炸药爆炸能量相似”理论，优化了不耦合装药系数，协调了炸药与模型材料匹配性，使高爆力黑索金炸药的动、静作用能量分配比例更贴合低爆力乳胶炸药与岩体介质间的相互作用关系，最大程度满足了模型试验动力学相似条件。（8）分析了不同围压加

8、载方案爆后腔体形态特征，结合碎岩筛分析及分维数计算结果，总结围压效应对掏槽爆破成腔效果的影响规律，结果表明：当最大水平主应力方向与岩巷掘进方向平行时，围压效应有助于破岩成腔，碎岩大块率较低、块