为研究露天矿开采过程中爆破振动波的衰减规律及其对临近尾矿坝稳定性的影响,以苍坑铁矿爆破开采为工程背景,进行爆破开采时尾矿坝振动效应试验。试验结果表明,可用萨道夫斯基公式预测爆破开采产生的地震效应,计算得到爆破地震波衰减参数为K=227,!=1.924;计算推导出该矿区在正常生产情况下,所允许的最大齐爆药量和最小起爆距离;与齐爆药量相比,垂直振速峰值受爆心距的影响更敏感,其随爆心距呈指数变化。

煤矿采动顶板弯曲下沉折断过程的静、动压力,对工作面煤层和巷道底板产生作用,可导致煤层发生冲击地压、煤与瓦斯突出、冒顶、片帮,底板起鼓和冲击。开采速度与采空区顶板弯曲下沉折断关系的力学机制,可归结为岩石弯曲加载速率与弯曲折断关系的科学问题。为研究这个科学问题,采用实验室硬岩不同加载速率三点弯曲及声发射试验,分析岩石破裂过程中声发射和岩石力学参数的特征,探究岩石初始损伤和主破裂的前兆信息及岩石力学行为的时间效应（以下简称时效性）;采用电镜扫描岩石断口,观察细观结构特征的加载速率效应,进行损伤力学分析,研究岩石破裂细观机制;使用RFPA2D数值分析软件,建立三点弯曲数值计算模型,模拟和分析顶板岩层弯曲折断过程的细观特征;结合现场采动微震监测数据,分析顶板破断的规律。期望深化对煤矿采动顶板弯曲破断机理和危险性预测原理的认识。主要研究内容与成果如下:（1）提出了用声发射计数、能量和波谱辨识弯曲载荷条件下岩石初始损伤声发射（Kaiser点）的方法。发现加载速率越快,硬岩显著初始损伤声发射（Kaiser点）发生的应力条件越高,积累的应变能越高。揭示出不同加载速率下弯曲载荷岩石的Kaiser点的应力条件并非恒量,而是加载速率函数的变量,即弯曲载荷条件下岩石的Kaiser效应存在时效性。（2）实验得出,弯曲载荷作用下岩石的力学参数和力学行为存在时效性。加载速率与岩样弯曲破坏载荷和抗弯强度前期明显呈线性正相关,超过某一极值后,破坏载荷和抗弯强度趋于收敛,岩样破坏有时滞性;岩样弯曲弹性模量与加载速率呈非线性负相关,且加载速率越快,弯曲弹性模量降低梯度越大,变形越容易发生;硬岩弯曲折断的破坏载荷、抗弯强度和弹性模量是加载速率的函数,具有时间效应。分析得出,现行的各种岩石力学试验规程,由于规定的加载速率不同,试验结果将产生“规程性”误差。（3）物理试验和数值试验得出了岩石损伤随时间变化的规律,应用损伤力学理论,建立了与加载速率有关的弯曲载荷作用下岩石损伤本构模型。（4）从机理上揭示了开采速度与顶板破断释放能量的关系。加载速率与硬岩折断声发射峰值能量及破坏载荷呈指数正相关,与硬岩折断声发射峰值计数呈指数负相关,加载速率越快,岩石折断所需的破坏载荷越大,峰值声发射计数越少,一次性释放的能量越高,硬岩声发射峰值是加载速率的函数,存在时间效应。通过岩石断口电镜扫描,发现加载速率对断裂方式有影响。随着加载速率提升,穿晶断裂比例有所提升,破断释放的能量趋大,断口裂隙分形维数随之增大。从细观机理上揭示了开采速度越大,顶板岩石破断释放能量越大的原因,从机理上揭示了通过控制开采速度降低顶板岩石能量释放的理论依据。（5）试验发现,岩石折断的前兆声发射时间长度与加载速率呈指数负相关,加载速度越快,前兆声发射时间越短,可预测性越差;砂岩较之花岗岩的声发射前兆信息更为难监测到,发生灾变的突变性相对较强。这为顶板破断冲击及其诱发的动力灾害的AE、微震监测、预警技术提出了方向,为控制开采速度,提高顶板破断的可预测性提供了理论基础。（6）将研究成果在岩石力学试验、顶板破断监测预警、开采速度控制等方面进行了应用研究。

在我国,随着浅部资源的逐渐消失,地下开采的比例越来越大。而随着开采深度的不断增加,地应力水平不断增高,开采的安全性越来越差。尤其是随着重点矿区进入深部特殊构造区域开采,以冲击地压、矿震等为代表的动力灾害,无论是发生的频率,还是发生的规模以及危害程度都明显加剧。目前,在深部开采过程中,冲击地压等动力灾害的孕育机制和诱发机理亟需进一步探明,尤其在地质构造影响区,动力灾害的致灾过程和致灾条件更加复杂和多变。初步研究表明,向斜轴区域煤层开采过程中,受高构造应力的影响,强矿震、冲击地压等动力灾害发生得更加频繁且破坏性更强。甘肃省砚北煤矿区域地质构造复杂,冲击地压现象显著,2502采区的02工作面位于砚北煤矿向斜轴区域,回采过程中诱发多起强矿震和冲击地压事件。以此为工程背景,针对砚北煤矿向斜轴区域高构造应力环境,围绕矿震孕育载体“围岩特征区”,通过地应力测量、地应力场反演、相似材料模拟试验、理论分析及岩石力学实验等技术手段,初步研究了向斜轴区域采场围岩破裂特征及其与微震活动的相关性,得到以下主要结论:（1）获得了砚北煤矿向斜轴区域的应力场特征及其采动应力演化规律。砚北煤矿250202工作面所处向斜轴区域属于高应力集中区域,最大主应力方向为水平方向,且具有较高应力水平,是该区域强矿震孕育和频发的根本原因。受向斜轴区域高水平构造应力影响,回采面前方围岩和沿倾向两侧围岩内最大主应力呈现越靠近向斜轴部应力增加梯度越大的变化趋势;相比之下,对竖向应力的影响较小,其主要受岩层埋深所影响。（2）获得了向斜轴区域采场特征区围岩在采动过程中的动态破裂规律及其微震事件分布特征。根据向斜轴区域采场围岩在采动过程中的变形破裂特征,将采场围岩划分为不同特征区域。统计分析了采动过程中不同采场围岩特征区内微震发生频次和释放能量的变化特征,研究发现,一次强矿震或冲击地压事件在不同围岩特征区内具有不同的表现形式。（3）发现了向斜轴区域高水平构造应力环境下煤层开采,覆岩运动规律及采场围岩特征区应力分布具有变异性。通过对砚北煤矿向斜轴区域工作面开采的相似模拟试验及现场回采面支架工作阻力监测结果的综合分析,并分别对向斜轴区域采场围岩特征区的应力分布特征及其在采动过程中演化规律进行理论计算和参数敏感性分析。研究发现,受向斜轴区域高水平构造应力影响,覆岩运动规律及采场围岩特征区应力分布规律均具有变异性。（4）揭示了向斜轴区域采场围岩特征区内微震活动特征及其与应力状态的相关性。将微震事件按不同围岩特征区内岩体破裂机理进行分类,分析了不同围岩特征区内微震事件的能量和震源处岩体的应力特征,获得了采场围岩特征区内微震活动特征与其应力状态的相关性。在此基础上,依据G-R关系中微震参数b值及其物理意义,将微震事件按采场围岩特征区分区统计计算,获得了不同采场围岩特征区内微震活动特征,从而揭示了向斜轴区域不同采场围岩特征区内岩体应力状态在采动过程中的变化规律。同时,以此规律对向斜轴区域工作面进行强矿震危险区划分,经与现场监测结果对比验证,表明此方法准确率较高。

为研究深部砂岩地层中的井壁结构稳定性问题,分析了深部砂岩地层中井壁结构的受力特点,对井壁围岩弱胶结砂岩的力学特性进行了试验研究,建立了深部砂岩地层井壁结构受力分析数值计算模型;并采用土压力盒,对现场井壁进行了压力测试分析。结果表明:深部砂岩地层井筒围岩强度较低,孔隙率较高;井筒开挖后,围岩变形量大,自稳性能差,对扰动更为敏感。随着埋深的增加,井壁壁后压力逐渐增高,扰动范围逐渐加大,最大主应力最小值出现在井壁与围岩交界部位。井壁壁间注浆前,压力不大;由于壁间注浆压力较高,壁间注浆时,壁后压力出现短时激增,附加压力较大。随着井筒开挖面逐渐远离监测水平,地层压力重分布,并趋于稳定。

孤岛工作面煤体和巷道受周边开采扰动影响，煤体受循环荷载作用存在卸荷力学行为而表现出动态破坏特性。为探讨不同路径下煤体力学特性，利用TAW-2000三轴电液伺服刚性试验机分别进行常规三轴（T）、三轴循环荷载（TC）以及相应卸围压试验（TU、TCU）,分析不同围压下煤体卸围压强度、变形、声发射事件以及能量耗散演化特征，开展扰动区域煤体卸荷特性研究。结果表明：三轴循环荷载卸围压（TCU）下拟合回归强度低于常规三轴卸围压（TU）下拟合回归强度，高于三轴循环荷载（TC）下拟合回归强度；卸围压（TU、TCU）应力路径下声发射峰值滞后应力峰值，AE振铃计数在煤样破坏点突增，高于常规三轴（T、TC）数值；循环过程（TC、TCU）中应力水平达到峰值强度的70%时，Kaiser效应逐渐消失，Felicity效应出现；循环加卸载（TC）试验中，相对应力水平达到60%,煤样损伤加剧，弹性应变能占比逐渐减小；围压越大，煤样破坏时冲击能指数越小，三轴循环荷载（TC）冲击能指数＜常规三轴（T）冲击能指数＜三轴循环荷载卸围压（TCU）冲击能指数＜常规三轴卸围压（TU）冲击能指数；围压对煤样有横向束缚作用，减弱冲击能释放速率，降低煤样破碎程度。