对复杂的破碎岩土体进行充填(注浆),是岩土工程领域的一项常规加固技术,而在采矿工程领域采用的充填采矿法,则是充填加固技术的放大版,该方法巧妙地利用充填体的承力特性,通过充填体对开采矿体顶底板应力状态的有效改善,实现了充填体对矿石的置换。但由于采矿工程是集掘进、爆破、放矿等工艺为一体的复杂体系,矿岩体与充填体处于一种复杂的动力学环境,如何通过工程和工艺手段取得二者之间受力承载转换的平衡,始终是困扰此类矿山能否保证安全高效生产的技术难题。本文正是以山东金鼎铁矿充填采矿法为研究对象,为解决此类难题,结合矿山二步采控制爆破和矿岩体—充填体空间位置关系,对矿岩体和充填体在动荷载下的动力学特性展开了深入研究,并取得了如下创新性成果:1.定性(部分定量)建立了矿石品位与矿石动力学行为之间的响应关系,为落矿炮孔布置参数及装药结构的确定奠定了重要的理论和试验基础。落矿爆破与矿岩动力学特性紧密相关,本文采用霍普金森杆(SHPB)试验和高速数字图像相关技术(DIC)研究了该矿不同品位矿岩的动力学特性和断裂特征,建立了矿石动抗拉强度及断裂能与矿石品位的关系曲线,为合理选择爆破方案、优化爆破参数提供了试验依据。基于矿石矿物分布和裂纹类型的微观图像,采用脆性岩石模拟技术建立不同品位矿石的强度等效模型,提出了 SHPB巴西劈裂试验二维等效模拟方法,获得了不同品位矿石的细观模拟参数,为进一步研究动荷载下矿岩体力学响应特征和爆块形成机制提供了理论依据和模拟参数。2.确立了动荷载下充填体分层界面强度削弱与其耗能效应之间的动力学关系,理论及试验结果可作为爆破荷载下充填体损伤评估的重要依据。由于矿山爆破较为频繁,针对大体积充填体内多次充填形成的分层弱面,开展了预制分层弱面充填体试件的动力特性和破裂特征研究。动抗压强度和碎块动能计算表明分层弱面对充填体试件强度具有明显的削弱作用,碎块动能与试件吸收能比值超过20%,远超经验公式计算结果。分层弱面张开度—时间曲线显示碎块动能较高与试验早期分层弱面张开产生初速度相关,该过程极大削弱了预制分层弱面充填体试件的整体强度和承载能力。为获得分层弱面模拟参数,参考节理岩体的等效岩体技术,采用SJM接触模拟分层弱面力学行为,为进行大体积充填体力学模拟和评估动荷载下充填体损伤程度提供了参考依据。3.提出了一种新的二步采矿控制爆破扇形孔布置及孔深确定的设计准则,按照该准则实施爆破,可保证充填体强度在不被显著削弱的前提下,有效实现高效开采与安全生产之间的平衡。近充填体矿房(二步采矿房)的控制爆破技术是金鼎铁矿完成增产任务中面临的技术难题。本文基于矿石和充填体动力学试验和数值模拟,建立动荷载下矿岩体—充填体协同模型,采用裂纹密度聚类方法定量化描述动荷载下充填体损伤程度。通过建立经济—安全平衡条件下的综合评价模型,采用响应面分析方法,对矿石品位、扇形孔底部—充填体间距和充填体龄期三种影响因素及交互作用进行显著性检验,提出了兼顾经济价值和采矿安全的二步采矿控制爆破参数计算方法和设计准则,控制充填体损伤的同时,又实现了回采高品位矿石、降低矿石损失率的目标。本文所取得的创新性成果已在山东金鼎铁矿得到了成功应用和推广,并获得了良好的应用效果。