地质处置是最常用的高放废物处置方法,高放废物地下实验室是高放废物处置过程中的关键环节。我国拟在甘肃北山建设高放废物地质处置地下实验室,在前期的研究过程中发现北山地区构造应力较大,尤其是存在明显的局部高应力,致使在地下实验室建设过程中具备发生岩爆的可能。长期以来岩爆研究一直受到国内外学者的高度关注,取得了丰富的研究成果,但由于岩爆是多因素综合作用所致,以及地下工程存在大量的不确定性,目前无论是岩爆的发生机理还是岩爆预测预报都是针对具体工程开展的具体研究,还没有形成完备的理论体系与技术,因此为了确保北山高放地下实验室建设安全,针对北山花岗岩的岩爆特征进行预先研究是十分必要的。通过压缩实验、拉伸实验、三轴实验等室内实验对北山花岗岩物理力学行为进行了研究,并进一步基于应变能和声发射研究了北山花岗岩岩爆倾向性和破坏特征;通过室内岩爆实验研究了北山花岗岩岩爆发生的应力状态和岩爆特征,进一步基于岩石板状破坏结构对北山花岗岩岩爆的机理和过程进行了初步探讨;基于小波分析和特征参量分析研究了北山坑探设施开挖过程中完整岩体和破碎岩体微震和声发射特征。本文主要研究工作包括以下五个方面:(1)使用脆性系数和弹性能指数研究了北山花岗岩的岩爆倾向性;进一步结合北山地应力分布特征,研究了北山花岗岩岩爆等级与埋深的关系;通过坑探设施和深部钻孔RQD值分析北山岩爆发生的地质条件;基于国内外工程岩爆实例建立了岩爆等级Fisher判别标准,并进一步分析了北山花岗岩的岩爆等级。(2)通过室内三轴实验研究了围压对北山岩石特征应力的影响,揭示了破坏过程中弹性能、耗散能以及总能量的变化规律;基于破坏前后能量的变化规律建立三向应力状态下的岩爆倾向性指标,并进一步分析围压对北山花岗岩岩爆倾向性的影响,研究表明北山花岗岩的岩爆倾向性随着围压的增加而增加;研究了北山花岗岩破坏过程中声发射特征参量的变化特征,进一步研究了北山花岗岩破坏过程中声发射b值和关联维数的变化规律,综合声发射的b值和关联维数研究了北山花岗岩破坏的前兆特征。(3)研究了卸载速率对北山花岗岩变形、强度以及应变能的影响,并进一步分析了卸载速率对北山花岗岩破坏的影响,研究表明北山花岗岩的强度随着卸围压速率的增加而增加;基于声发射聚类分析研究了卸载速率对北山花岗岩内部裂隙形式的影响,研究表明随着卸载速率的增加,北山花岗岩内部张拉裂隙与剪切裂隙的比值增加;基于Maxwell模型分析了卸载速率和围压对北山花岗岩局部应力状态的影响,进一步通过莫尔库伦准则研究了卸载速率和围压对北山花岗岩内部破坏形式影响的力学机理。(4)基于室内岩爆实验研究了北山花岗岩发生即时型岩爆和时滞型岩爆的应力状态以及岩爆发生过程中的声发射特征,研究表明时滞型岩爆声发射b值大于即时型岩爆的声发射b值;分析了即时型岩爆和时滞型岩爆碎屑尺寸、大小以及分形特征,进一步分析即时型岩爆和时滞型岩爆的差异,研究表明时滞型岩爆和即时型岩爆的碎屑均以板片结构为主,且即时型岩爆碎屑分形维数大于时滞型岩爆;考虑围岩切向正应力和径向正应力建立围岩板状结构(岩板)破坏模型,研究了岩板长厚比、位置、厚度以及岩板长度对围岩破坏的影响,并进一步分析了围岩发生岩爆的过程。(5)对北山坑探设施微震信号进行波形和特征参量分析,并进一步研究了完整段和破碎带微震信号的异同;研究了三维声发射系统监测数据随监测时间的变化特征以及完整段和破碎带声发射特征的差异;分析了Pocket AE声发射撞击率与监测时间和位置的关系,初步探讨了Pocket AE在北山花岗岩巷道监测中的可行性;通过应力解除法研究了围岩二次应力分布特征;通过坑探设施完整岩体的钻屑实验研究钻屑法在硬岩中的适用性;根据各种监测方法的特点,针对北山花岗岩提出地下实验室现场综合监测的建议。