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,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、块度分布较均匀,垂直于岩巷掘进方向时,碎岩抛掷受阻,破岩成腔效果不显著,碎岩大块率较高、块度分布不均;相同围压环境,楔直复合式掏槽碎岩大块率均小于大直径空孔直眼掏槽,直眼掏槽碎岩大块率围压敏感性程度相对较高,变化幅度较大。(9)通过在槽腔周边近区与远区预埋应变砖,采集围岩介质径向与切向超动态应变信号,获得了槽腔周边围岩应变动态演化围压效应特性,表现为:掏槽近区径向压应变峰值与切向拉应变峰值近似相等,掏槽远区,径向压应变峰值及切向拉应变峰值在最大主应力方向上相差较大、信号衰减较缓、爆炸应力波拉伸相与压缩相破岩效用较强,宏观呈现为爆生裂纹扩展方向与最大主应力方向近似一致。(10)通过超声波平测法对爆后槽腔周边围岩损伤程度进行检测与分析,获得了不同围压加载环境槽腔近区与远区围岩介质损伤演化规律,表现为:掏槽近区,受爆炸动荷载与围压约束双重作用,爆炸动荷载影响作用占主导,围压约束作用不显著;掏槽远区,围压约束作用占主导,阻碍介质内部损伤程度的提高。(11)采用计盒维数表征岩体介质受围压效应影响的损伤演化规律,分区域、分方向量化槽腔扩展轮廓、爆生裂纹分布及发展路径、微裂隙发育程度等关键信息,探讨不同加载方案爆后腔体形态特征,以及槽腔体积随掘进深度递增的衰减特性,结果表明:槽腔近区,围岩受损程度较高,区域性或方向性分布特征不显著;槽腔远区,宏观裂纹扩展受围压约束抑制作用较明显,裂隙区分布区域缩小,方向性特征为裂纹扩展路径向最大主应力方向偏转,临近最大主应力方向区域计盒维数较大,损伤程度高;沿掘进方向的不同层面上,临空面处损伤范围最大,掘进层面不断深入岩体介质损程度逐渐降低,静水压力条件下损伤值下降最为显著,最大主应力方向与掘进方向一致时,损伤值下降较为缓慢。(12)采用数值模拟研究方法,分析了两种掏槽方式有效应力动态响应特性,探究了槽腔周边围岩有效应力分布演化规律,结果表明:处于围压环境下,槽腔周边围岩有效应力峰值较小,爆炸应力波传播速度变化下显著;两种掏槽方式有效应力峰值差异程度较低,峰后有效应力出现差异:直眼掏槽有效应力峰后曲线呈震荡式衰减;复合式掏槽孔底形成有效应力集中区,峰后段应力水平较高,有助于岩体破碎及围岩裂隙区的形成。