在高阶段深孔充填采矿法二步骤回采过程中,采场频繁爆破作业产生的动载荷,不可避免地在围岩及充填体产生累积损伤和振动等动态效应,甚至诱发其失稳破坏。因此,开展二步回采爆作用下围岩及充填体的爆破损伤特性及安全阈值,具有重要的理论意义和工程价值。论文依托福州大学横向项目“紫金山金铜矿采场回采爆破控制技术研究”(01051602),针对紫金山深部二步回采爆破过程中面临的各种问题,综合运用理论分析、数值模拟、模型实验及现场工业实验等多种手段开展研究。主要内容如下:(1)修正了球状药包爆炸应力场公式,分析了入射波、反射波和折射波的位移幅值与入射角的转换关系;采用Starfield迭加法推导了岩石/充填体界面处的拉应力计算公式。(2)基于萨道夫斯基公式、爆破振动速度高程放大效应、爆炸应力波反射与迭加效应三种不同途径,理论推导了爆破岩体内部应力场与表面振动速度的转换关系,数值模拟及模型实验的结果均表明,基于爆炸应力波反射与迭加效应的转换关系明显优于基于萨道夫斯基公式的转换关系和基于爆破振动速度高程放大效应的转换关系。(3)给出了岩石的断裂损伤判据,据此可判断在前述理论计算所得应力状态下,岩石及充填体是否产生损伤。定义了岩石的初始损伤变量、相对损伤变量及基于岩体声速变化的损伤变量。此外,指出爆破动荷载导致岩体宏观失效的过程并不是单次爆破作业造成的,而是多次爆破共同作用的结果;岩石的损伤增量具有延续相对性,基于此,对经典的爆破损伤增量及累积损伤计算公式进行修正。(4)以紫金山深部铜矿高阶段充填采矿法二步回采为工程背景,基于爆炸相似理论,设计并制作了2个同尺寸的多介质耦合混凝土模型,采用导爆管雷管进行爆破。爆破过程中,分别运用Blast-Ultra高速多路动态应变测试系统、PDS-SW声波测试仪和Blast-UM型爆破测振仪对不同介质中的爆炸应力场、爆破前后介质的声波变化及模型顶面的振动速度进行监测,分析监测数据并对理论分析结果进行验证和分析。(5)基于爆破损伤和动态应力比,相应提出了两种爆破振动安全阈值的确定方法,据此确定紫金山深部铜矿1:8充填体和1:10充填体的爆破振动安全阈值分别为5.17cm/s和5.28cm/s;短期、中期和长期使用巷道围岩的爆破振动安全阈值分别为18.63cm/s,1 2.42cm/s和6.21cm/s,并给出了相应的爆破振动安全控制措施。(6)鉴于空气间隔装药爆破能有效减弱爆破振动效应,针对90mm、110mm、160mm三种直径的炮孔进行室内实验,得到空气间隔器随炮孔直径和装填高度变化的受力规律,同时,将直接压强与装填过程的冲击压强进行对比。在此基础上,优化设计出一种科学合理的炮孔空气间隔器,其在紫金山金铜矿深部采场爆破工业试验中应用效果良好。