资源的深部开采是未来矿业发展的必然趋势,也是我国“深地”规划战略的重要发展方向。众多研究资料表明,深部岩体在高地应力的地质环境中表现出高度的非线性,受强扰动开采时会诱发岩爆、微震等一系列动力灾害,这些灾害的本质是能量非线性演化至灾变的过程,因此,从能量角度出发研究巷道失稳问题更加有效。本文采用理论分析、室内实验、数值模拟和井下试验相结合的研究方法,对深部巷道失稳破坏过程中围岩体能量场演化机制及高阻尼吸能锚杆的动态吸能特性开展了系统研究。(1)围岩变形破坏本质是能量积聚、耗散和释放综合作用结果。在弹性力学理论框架下,根据Hoek-Brown强度准则,推导距临空面不同位置岩体弹性应变能积聚和释放分布规律;由线弹性断裂力学,采用压剪滑移模型研究裂纹扩展的摩擦热能和表面能。考虑到高应力环境下,岩体裂纹尖端塑性变形所耗散塑性能越发凸显,根据双剪统一强度理论确定Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端的塑性区边界曲线方程,据此结合弹塑性力学获得了塑性变形的塑性能。基于裂纹扩展能量平衡,结合算例分析各部分能量空间展布。(2)对于岩爆灾害时空演化规律复杂性,开展了不同硐径比的圆形模型巷道双向加载试验再现岩爆现象。试验时辅以微型摄像、声发射、3D-DIC等监测手段,系统获取硐壁破坏形态、空间位置及声发射能量参数等特征参量。由试验研究发现,岩爆演化表现为“能量积聚-能量释放”循环交替,且随着输入能量增加每次循环时间变短、释放能量变多;随着轴向荷载增加,应变场形状呈均匀分布→“X”形→两帮“V”形状演化。(3)考虑到距临空面不同位置岩体内裂隙发育程度和应力状态对围岩积聚与释放机制的影响,采用高温加热制备等效损伤因子D=(0.16、0.36、0.51、0.89)的花岗岩试样。设计了完整花岗岩试样和热损伤花岗岩试样变形破坏过程能量演化特征试验研究,分析了不同应力状态下等效损伤因子对试样力学特征参数、破坏形态、储能能力和耗散能转化速率的影响,同时借助颗粒流软件PFC3D分析与岩石变形破坏相关的细观特征能量阀值,提出了岩体临界支护时机判别方法。(4)针对深部硬岩发生岩爆无明显变形前兆,借鉴高阻尼橡胶材料在抗冲击工程中高阻抗特性,研发一种适用于深部硬岩岩体支护的高阻尼吸能锚杆,以及时吸收和转移冲击能。通过落锤冲击和SHPB冲击试验,研究了冲击速率、冲击频次和厚径比对吸能材料动态力学特性和吸能性能的影响;采用锚杆落锤冲击系统,研究不同规格高阻尼吸能锚杆的动态力学响应和拉伸性能的影响,揭示了高阻尼吸能锚杆缓冲吸能机制。最后,从理论角度出发分析高阻尼吸能锚杆与围岩支护耗能机理,得出支护巷道破坏能量判据。(5)在上述分析的基础上,本文以三山岛-780m水平段巷道稳定性控制为例,以现场实测地应力为边界条件,利用FLAC3D动力模块分析动静荷载下裸巷、普通锚杆和高阻尼吸能锚杆支护下巷道变形破坏规律,初步验证了高阻尼吸能锚杆缓冲吸能支护的有效性。基于此,探索性开展钻孔卸压和高阻尼吸能锚杆联合支护作用机理研究,初步实现了围岩应变能的诱导转移和硬岩趋势的有限位移吸能控制,可望为进一步改善巷道支护,降低岩爆等动力灾害。