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马头门是立井井筒与井底车场水平巷道的连接部位,位于矿井咽喉部位,其服务年限长、结构形式复杂、尺寸大、附近硐室密集。随着新建矿井的深度不断增加,相比浅部地层,深井马头门原岩应力大,围岩稳定性差,受临近巷道与硐室的爆破作业扰动频繁,深井马头门以及邻近井壁时常发生破坏,严重威胁矿井安全生产。为此,论文以张集煤矿东回风井马头门为工程背景,采用室内试验、理论分析、模型试验、数值计算和现场测试相结合的方法,对爆破扰动作用下深井马头门衬砌结构损伤机理及其控制进行了系统研究,主要研究内容和成果如下:（1）利用静、动态力学试验开展了马头门衬砌结构混凝土的力学特性和本构模型研究。首先,根据现场条件配制了常用的C60高强混凝土、新型衬砌材料钢纤维高强混凝土（SFRC）和活性粉末混凝土（RPC）,通过试验得到其主要物理力学参数;其次,通过霍布金森压杆（SHPB）对各种混凝土材料进行高应变率循环冲击试验,并利用超声波检测仪测定混凝土受循环冲击后的超声波速,给出了不同混凝土的分次和累积损伤度。试验结果表明,在10-20s-1的高应变率10次循环冲击下,HSC呈现出明显的冲击脆性特征,而SFRC和RPC则表现出显著的抗循环冲击扰动特性,其中SFRC-1.0和RPC-1.5的循环冲击累积损伤度最小,分别为0.323和0.216,它们是煤矿深井马头门衬砌结构的优质材料,揭示了在循环冲击荷载下混凝土材料的损伤演化规律;然后,基于Weibull分布密度函数,引入D-P准则作为微元体的破坏准则,建立了三种混凝土动态损伤本构方程,与SHPB试验曲线对比,结果基本吻合,且能通过LS-DYNA自定义材料接口嵌入,为爆破扰动作用下深井马头门衬砌结构数值分析提供了基础。（2）基于相似理论,推导得到爆破扰动作用下深井马头门衬砌结构模型试验相似准则。根据相似指标,进行了深井马头门HSC和SFRC两种衬砌结构模型设计和试件浇筑。通过大型模型试验系统对衬砌结构施加静载后,以黑火药作为爆破材料对模型施以循环爆破扰动作用,利用超声波检测仪和动态电阻应变仪测得声速和应变,得到了模型结构的损伤度。试验结果表明,深井马头门衬砌结构在250KPa围压条件下,经2次爆破扰动产生的损伤主要位于结构的交接断面,其中拱顶、拱肩和侧壁损伤度较高,HSC和SFRC-1.0衬砌模型的最大损伤度分别为0.032和0.0043,其它部位未见明显损伤。同时,试验结果也表明马头门衬砌在循环爆破作用下,与首次爆破作业同侧的交接断面,受到“先强后弱”型的循环爆破扰动,其累积损伤度大于另一侧受“先弱后强”型循环爆破扰动作用的交接断面,从而揭示了深井马头门衬砌结构在循环爆破扰动下的损伤分布特征和演化规律。（3）通过Hypermesh,建立了煤矿深井马头门衬砌结构数值分析模型,采用LS-DYNA用户自定义材料接口功能,嵌入了混凝土动态损伤本构方程,模拟分析了不同混凝土材料的深井马头门衬砌结构、在不同围岩压力条件下受不同爆破药量的循环爆破扰动。数值模拟结果表明,在围岩压力作用下,深井马头门衬砌结构的应力集中区位于交接断面,主要分布于拱顶、侧壁和底角沿线,其中底角处的拉应力值最大,在250KPa围压条件下,其最大拉应力达到1.66MPa。马头门衬砌结构在围岩压力下受爆破扰动损伤受爆破药量影响明显,HSC结构在围岩压力为50KPa、150KPa和250KPa时,水胶炸药药量阈值分别为12.6kg、11.7kg和9.9kg。在相同条件下,SFRC-1.0结构的药量阈值分别为15.1kg、14.1kg和13.7kg。由此可见,SFRC-1.0的阈值明显高于HSC,在深井马头门衬砌结构中表现出优异的抗爆破扰动特性。施加20次爆破扰动作用后,深井马头门衬砌结构交接断面的损伤度最为显著,其中拱顶、拱肩和侧壁的损伤度最高,HSC和SFRC-1.0模型的最大损伤度分别为0.0863和0.025,其它部位的损伤不明显。取前2次爆破扰动损伤与模型试验对比,损伤部位和损伤度结果较为吻合。二种材料马头门衬砌结构随着爆破循环数的增加,损伤累积效应都较明显;同时,随着爆破工作面与交接部位距离加大,扰动影响逐渐减弱,当距离马头门达到26m和18.2m后,二种材料衬砌结构受到爆破扰动损伤影响可基本忽略。（4）针对张集煤矿东回风井马头门的工程地质条件和施工工艺实际,根据研究结果,提出采用高强一次支护、SFRC材料衬砌结构、降震隔离孔和爆破药量控制的综合控制技术,可用于深井马头门衬砌结构承受围岩压力和爆破扰动荷载作用。通过工程应用和现场监测表明,控制技术可以很好地防止马头门衬砌结构因爆破荷载扰动作用而产生的损伤破坏,确保了马头门衬砌结构安全使用。综上所述,本文利用SHPB循环冲击试验得到了高强混凝土和新型混凝土衬砌材料的动态损伤演化规律,提出了三种混凝土动态损伤本构方程。通过室内试验、模型试验、数值模拟和工程应用相结合的方法,揭示了不同混凝土材料的深井马头门衬砌结构受循环爆破扰动的损伤分布特征和演化规律,提出钢纤维高强混凝土和活性粉末混凝土是深井马头门衬砌结构的理想材料,从而可有效控制煤矿深井马头门衬砌因爆破荷载扰动作用而产生损伤破坏,确保马头门安全运营。图[115]表[16]参[165]