南昌大学研究生创新专项资金项目申请表

附件三：南昌大学研究生创新专项资金项目申请表项目名称：深埋洞室开挖爆破振动诱发围岩破坏机理申请人：XXX指导教师：XXX培养单位(签章):填报时间:2016年4月13日南昌大学研究生院制一、项目申报人基本情况姓名XXX性别男（像片）出生年月1991.12籍贯XXX在读学历层次硕士入学日期2015.9在读专业结构工程身份证号码411423199112025099指导师姓名XXX研究方向本科(硕士)毕业学校XXXX专业土木工程所在院系建筑工程学院[e-mail]联系电话无手机XXX二、项目基本情况项目主要研究内容（2000字以内。文科包括：研究的主要问题、目的、意义、研究方法、创新点等；理工科包括：主要问题、关键技术、解决方案、研究方法、创新点等）：1.研究意义江西地处华南成矿区的中心地带，是我国的矿产资源大省，享有“世界钨都”、“稀土王国”，铜、钨、铀、钽、稀土、金、银“七朵金花”等桂冠，丰富的矿产资源为江西省的经济和社会发展提供了重要的物质保障。全球人口数量的逐年增长和世界经济的蓬勃发展对矿产资源的需求量与日俱增，矿产资源开采强度不断加大，浅部资源日渐消耗乃至濒临枯竭，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。目前江西省境内的部分矿山也正在进入千米以下的开采深度。如丰城矿区B2煤层开采深度已达900~1100m；曲江矿区目前主要开采水平为-850m以下，212工作面已达-904m开采水平；鸣山煤矿矿井已进入地下750m开采深度；WS铜矿的开采深度已延伸到地下610m。此外，岿美山钨矿中的石英脉型黑钨矿体向下延伸已达700m，矽卡岩型白钨矿体向下延深已达到600m，目前大部分钨矿已进入500~800m的开采深度。地应力实测结果表明，江西省钨矿采深大于500m的深部岩体其地应力可达20~40MPa。深埋洞室高地应力岩体爆破开挖是炸药爆炸产生的动应力和地应力共同作用的结果，动静荷载的共同作用常导致围岩发生片帮、板裂等开裂破坏现象，并诱发微地震，甚至可能产生强烈的岩爆和围岩持续松动大变形等工程灾害[1-4]。如何实现深部矿产资源的安全、高效开采对保证江西省的经济社会可持续发展具有重大意义。爆破荷载产生的岩体振动引起岩体原始裂纹激活和扩展、以及结构面松动和滑移，常造成洞室围岩发生应力型破坏或结构性灾变，是岩体开挖爆破最为严重的危害之一。国内外对爆破振动作用下地下洞室的动力响应特征、破坏机理、安全判据及控制措施等方面进行了系统的研究，取得了大量具有实用水平的研究成果。但以往的研究主要针对浅埋洞室，对于深埋洞室开挖地应力卸荷影响下的爆破振动安全问题尚缺乏深入系统的研究，大多参照浅埋地下洞室的研究成果。这影响了深埋地下洞室爆破开挖效果和施工效率，严重情况下甚至会引发工程灾害。本项目以江西省深部矿产资源开采和我国西南高地应力区水电工程建设中的深埋洞室爆破开挖过程为背景，采用理论分析、数值计算和现场监测试验相结合的综合方法，研究深埋洞室爆破开挖过程中爆炸荷载与岩体开挖卸荷(包括重分布的静态地应力和开挖瞬态卸荷附加动应力)共同作用下的围岩振动及引起的岩体损伤破坏，揭示静态地应力场和岩体开挖瞬态卸荷动力扰动对围岩爆破振动破坏的影响机理。研究成果对揭示深埋洞室开挖扰动区形成机理与演化规律、完善爆破振动安全控制理论等方面具有重要的理论意义，而且在深部采矿、水利水电和核废料处置等深部岩体工程的优化设计与施工控制方面具有实用价值和应用前景。2.国内外研究现状分析和发展趋势深部岩体开挖效应与安全控制是近年国内外岩体力学领域研究的热点和重点之一。关于地应力和开挖卸荷对包括爆破振动在内的岩体爆破开挖效应的影响，国内外研究者主要从静力和动力两方面开展了研究，主要包括静态地应力对爆破破岩机理、爆炸应力波传播、围岩破坏形态等方面的影响；以及岩体开挖动态卸荷对扰动区的形成机理、扰动区内岩体力学特性等方面的影响。上世纪70年代，H.K.Kutter和C.Fairhurst[5]对岩体单轴受压条件下炮孔周围爆生裂纹传播过程进行了试验研究；近年来，F.V.Donze等[6]、G.W.Ma和X.M.An[7]、Z.Aliabadian等[8]、A.Omer[9]、O.Yilmaz和T.Unlu[10]、白羽等[11]采用各种数值模拟方法研究了不同地应力状态下单个炮孔周围爆生裂纹的扩展过程和岩体开裂区的分布特征。一致认为地应力的存在改变了爆生裂纹的传播方向和扩展长度，爆破产生的裂纹首先呈辐射状从炮孔壁向外传播，而后逐渐平行于最大地应力方向向外扩展；炮孔周围的爆破开裂区呈椭圆形分布，在平行于最大地应力方向上裂纹分布密集且较长；随着地应力水平的提高，裂纹扩展范围不断减小，地应力相当于提高了岩体的抗拉强度，对爆破致裂起抑制作用。但国内学者谢源[12]认为爆生裂纹的扩展主方向不在主地应力方向上，而是与最大主应力成一定角度，这个角度为15~45°。基于地应力对爆破致裂的影响，戴俊和钱七虎[13]、付玉华等[14]提出高地应力条件下爆破应减小爆破抵抗线和炮孔间距，增加单位耗药量和循环炮孔的数量，并选用高爆速的炸药。在地应力场对爆炸应力波传播特性的影响方面，国内外也进行了初步的研究。刘殿书和谢夫海[15]通过激光动光弹实验研究发现，在初始应力中稀疏波及反射拉伸波的波头均不明显，而压缩波头得到加强，这使得爆破压缩破碎区增大；较低的静应力可以隐没在动应力场中，而较高的静应力能够影响甚至改变动应力场的传播过程。范新[16]认为低应力下岩体中的弹性波速随压力增大而增加迅速，增大的梯度在低应力下较高，在高应力下趋于一常数值。张志呈等[17]发现主地应力方向上实测的爆破振动值要远大于预测的爆破振动值的现象，并认为初始地应力场对爆破振动存在所谓的“波导效应”，可以增强其振动能量。任庆峰和宗琦[18]则认为受地应力场的影响，爆破时的质点振动速度随时间衰减更快。地应力场的存在改变了爆破振动作用下地下洞室总体应力场的分布，从而也改变了爆破振动作用下地下洞室的破坏机理和破坏形态。Q.Liang等[19]通过现场爆破振动监测和数值模拟研究发现洞室顶拱的岩体破坏主要是由爆破产生的动应力引起，而在边墙底部则主要是由静态地应力引起。史秀志等[20]通过对高应力条件下爆破振动引起的岩体的破坏分析，得出了高应力条件下爆破振动对岩体的破坏作用更加明显的结论。李夕兵等[21]指出，承受高应力的岩体，随着所受初始静载应力的增大，外界的动力扰动对其影响就越明显；承受高静载应力的矿柱，较小的动力扰动可能会使其发生塑性破坏而导致深部开采时的“多米诺骨牌”效应。目前国内外大多以质点峰值振动速度(PPV)作为地下洞室爆破振动安全控制指标。以往多采用采用一维应力波理论，根据岩体抗拉强度或极限拉伸应变推算临界振动速度[22-23]。对于深埋洞室爆破开挖，该方法因未考虑岩体的初始应力状态，可能带来过严的爆破振动限制或工程安全问题。针对地应力对岩体爆破振动破坏的影响，有学者开始尝试建立地应力影响下的爆破振动安全判据及控制标准。如朱瑞赓和李铮[24]提出以岩体动力强度和洞室围岩所受动静应力之和相平衡的条件确定爆破振动破坏的临界振速；李新平等[25]、朱俊等[26]采用FLAC3D数值模拟评价了静态地应力和爆破动荷载对洞室稳定性的影响，并结合岩体动态抗拉强度提出了相邻洞室围岩破坏的临界振速；X.Xia等[27]采用数值模拟、基于围岩损伤提出了相应的爆破振动速度控制标准；贾虎和徐颖[28]根据爆炸应力波衰减规律，将上覆岩体的应力作用计入在内，推导爆炸应力损伤范围计算公式及相应的临界振速。需要指出的是，上述考虑地应力影响的爆破振动安全判据和安全阈值，仅考虑了静态的原岩应力或开挖后围岩应力重分布过程结束条件对振动传播特性和围岩损伤破坏过程的影响。爆破破岩岩体开裂过程分析、钻孔爆破高速摄影均表明，岩体爆破过程中，开挖面上的地应力在数毫秒内释放[29-30]，伴随爆破而发生的开挖面上岩体卸荷是一个瞬态过程，在围岩中产生的附加动应力诱发了围岩振动并影响到了岩体动态损伤破坏过程[31-35]。ToksöMN等[36]在研究地下核爆炸引起的地表振动时就发现，因爆炸导致的岩体应变能突然释放能够产生应力波并引起地表强烈振动，振动的大小取决于岩体性质和地应力水平，地应力水平越高、岩体越坚硬，应变能释放产生的振动越大，甚至可能超过爆炸本身产生的振动。卢文波等[37]着重考察了爆破过程中岩体开挖瞬态卸荷所激发的围岩振动，指出深埋洞室钻爆开挖产生的围岩振动是爆炸荷载振动和岩体开挖瞬态卸荷振动叠加而成，并认为高地应力条件下开挖瞬态卸荷引起的振动可超过爆破振动而成为围岩振动的主要影响因素；开挖面上地应力瞬态卸荷在最大主应力方向引起的振动速度最大，岩体地应力场对爆源中远区的振动影响较近区更为显著。范勇等[38]分析了地应力瞬态卸荷过程中围岩应变能、动能、径向应力做功3者之间的平衡机制，建立了基于开挖岩体应变能的瞬态卸荷诱发振动衰减公式。此外，国内外其他学者在研究岩爆、微震和分区破裂化现象等深部岩体开挖效应时也揭示了爆破开挖过程中岩体开挖瞬态卸荷的动力扰动效应[39-41]。如M.C.He等[39]研究发现，处于三轴加载状态下的岩体，快速卸载水平向应力则可导致岩爆发生，其规模与初始应力及卸荷速率有关，高应力和高卸荷速率条件下将导致瞬时岩爆。大量的理论研究和工程实践已经表明，将质点峰值振动速度作为唯一的爆破振动安全判据有较大的局限性和不合理性，爆破振动对建(构)筑物的破坏效应须综合考虑质点峰值振动速度、振动频率和振动持续时间3个因素的影响。显然，对于地下洞室爆破开挖，爆炸荷载和岩体开挖瞬态卸荷激发的振动互相叠加，必然影响爆破振动的频谱构成[42]。可见，研究爆炸荷载与岩体开挖瞬态卸荷瞬态卸荷共同作用激发振动的传播特性和频谱构成是建立合理的深埋洞室爆破振动安全判据和控制标准的前提。综上所述，由于爆炸荷载与岩体开挖卸荷相互作用过程的复杂性，目前对深埋地下洞室的爆破振动破坏机理、破坏模式等问题尚未完全认识清楚，也缺乏相应的爆破振动安全判据和控制标准。因此，迫切需要通过系统的研究，探明岩体开挖卸荷(包括重分布的静态地应力和开挖瞬态卸荷附加动应力)对爆破过程诱发围岩振动和围岩损伤破坏的影响机理，建立开挖卸荷影响下的爆破振动分析评价方法，为我国地下洞室的高效、安全爆破施工提供理论参考。主要参考文献[1]冯夏庭,张传庆,陈炳瑞,等.岩爆孕育过程的动态调控[J].岩石力学与工程学报,2012,31(10):1983-1997.[2]朱维申,李勇,张磊,等.高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(7):1308-1314.[3]魏进兵,邓建辉,王俤剀,等.锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(6):1198-1205.[4]张勇,肖平西,丁秀丽,等.高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(2):228-245.[5]KutterHK,FairhurstC.Onthefractureprocessinblasting[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1971,8(3):181-202.[6]DonzeFV,BouchezJ,MagnierSA.Modelingfracturesinrockblasting[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1997,34(8):1153-1163.[7]MaGW,AnXM.Numericalsimulationofblasting-inducedrockfractures[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2008,45(6):966-975.[8]Aliaba