冻结立井爆破振动能量特征及对井壁影响规律研究

发布时间：2018-11-25 07:06

【摘要】：在立井井筒掘砌处于风化带和基岩段时,普遍采用钻爆法施工。随着凿井技术的进步和对施工速度的要求越来越高,深孔爆破技术在立井掘进中得以广泛应用。爆破时的炮孔深度达到4~6m,炸药的单孔药量和总装药量较之以前都大大增加。爆破动载的增加,对井壁的直接损伤效应和累积损伤效应都势必增强,造成井壁结构耐久性降低甚至直接破坏。此外,在很多情况下,钻爆法施工段和冻结段有重合,这一方面增加了爆破动载直接破坏冻结壁或冻结管,造成井筒透水的风险,另一方面由于冻结温度场的影响,造成井壁混凝土在低温下水化反应速度减慢,强度增长速度较之常温下降低,对于爆破动载的抵抗能力减弱。我国2015年7月1日起开始实施的《爆破安全规程》(GB6722-2014)对于爆破振动安全允许标准根据保护对象、主振频率和龄期的不同给出规定,而据现场实测可知,爆破动载下近区井壁振动速度远超过该标准对于新浇筑大体积混凝土的振速限值。因此,围绕立井冻结法施工阶段,基岩段(或风化层)深孔爆破情况下,大药量爆破动载的振动效应及井壁动态响应规律开展研究,对于减少由于爆破动载引起的井壁破坏或累积损伤,提高生产效率,具有重要的理论和现实意义。此外,对于我国现行的相关规范、标准的修订也具有显著的参考价值。本文依托国家自然科学基金两项课题——“大断面巷道快速掘进与支护基础”(重点项目,基金号:51134025)、“爆破动载对冻结壁(管)及支护结构的作用机理”(面上项目,基金号:51274203),对冻结立井深孔爆破井壁动态响应进行现场监测,采集井壁爆破振动信号,以此为基础,对采集到的信号进行频谱能量特征分析,并利用实验室试验、数值模拟等手段,综合研究井壁动态响应及损伤规律。其主要研究成果如下:(1)现场试验研究:对兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司营盘壕煤矿主井井筒凿井过程中的井壁爆破振动进行现场监测,获取距爆破工作面不同高度处的井壁振动信号。(2)爆破振动信号分析。监测到的信号经过有效去噪后可滤掉信号包含的高频分量,研究发现:立井爆破分形盒维数值介于1.40-1.70之间,分形维数在方向上有显著差异,并随爆心距的增大有明显的规律。竖向分量的分形盒维数值较其他两向相对较小,说明信号竖向分量频率偏低,相应的振动幅值大,周期长。水平方向(径向和切向)振动信号分形盒维数值未出现较大离散性,说明水平向振动强度相当,频率相对竖向出现高频。而对井壁结构而言,自振频率处于低频,由于其在水平方向自由度大,抵抗爆破振动剪切作用的能力远远弱于其竖向的拉应力。因此,对井壁结构的损伤最主要取决于水平两向的抗剪强度,而水平方向分形盒维数值相对较大,频率较高,剪切作用弱,这对于井壁结构自身稳定和完整性是有利的。(3)在爆心距15m范围内,属于爆破近区,爆破振动波形相对复杂,爆破振动对井壁结构产生很强的拉应力,对井壁结构的影响最为明显,由于该距离段内的混凝土属于初凝或终凝阶段,结构阻尼较大,能够很大程度上削减爆破振动能量的峰值及作用时间。15-27m范围内,爆破振动分形盒维数值趋于稳定,属于爆破振动波的稳定传播阶段。该距离段内的井壁结构响应程度大致相同,虽然振动幅度上有所衰减,但其爆破振动频率段趋于稳定。27m至更远距离后,爆破振动主频逐渐往低频发展,分形盒维数值逐渐减小,说明井壁介质滤波效应显著,波形频谱较为简单,峰值相对降低。这与实际监测的结论是一致的。因此,应重点监测15-27m范围内的振动损伤强度。(4)根据爆破振动信号小波包频带能量分布算法,得到爆破振动信号的能量分布规律:所有振动信号200hz以内频带的能量占总能量的90%以上,随着爆心距的加大,爆破低频段能量百分比趋势有所降低。其中:0-60hz范围内,随着爆心距的增大,该频段范围内三向能量百分比呈现抛物线“倒钟形”,2#~4#测点(相应的爆心距为15m-23m)监测到的能量百分比整体上大于80%,证明该距离段出现明显的拉应力激增,属于钢筋混凝土井壁弹塑性材料的应力-应变关系的线性段。该距离段内的爆破振动对井壁的微观损伤较大,这对井壁的整体稳定性是不利的;60-100hz频率段内,三向能量先小幅度降低,随后大幅度增加,其中以竖向和水平切向表现最为明显。这说明随着爆心距的增大,频率能量分布由低频段占主要地位转变为高频段具有突出优势;100-200hz频段范围内的三向能量百分比能量出现震荡现象,基本呈正弦锯齿状,说明在该频率范围内,能量出现明显的多频段趋势,爆破振动能量离散程度较高。同时,竖向的能量百分比变化幅度相比于其他两向较小,总体上满足竖向径向切向的规律。这与分形盒维数得到的结论是一致的;200-1250hz频段范围内,三向能量百分比具有明显的降低趋势,说明随着距离的不断增大,200hz高频段的能量不断降低,但该高频率段的变化,对于井壁结构影响很小,不作为主要影响频段。(5)井壁结构的自振周期处于反应谱的加速度敏感区范围内,是导致其整体破坏的主要原因之一。研究发现,加速度反应谱区域较宽会使冻结井壁更多的结构处于刚性状态,因此会产生较为强烈的振动作用力。相应地,如果反应谱随着周期的响应区域较窄,冻结壁的响应程度就很低。随着井壁长度的增加,其结构的自振周期会明显变长,随着井壁自振频率的增长,其响应程度会降低,但反应谱覆盖的区域加大,导致越来越多的井壁结构体的反应处于加速度的敏感区域内,因此大段高井壁的位移响应会增大。标准反应谱动力响应系数与加速度反应谱曲线的响应趋势一致,并且对于冻结壁有明显放大效应所对应的井壁的自振周期比较窄。因此可知:爆破振动的最大加速度主要影响反应谱的高频,爆破振动最大速度主要影响中频段,低频段主要取决于爆破振动产生的最大位移。(6)实验室试验结果表明:动荷载对混凝土的损伤效应与受振时的龄期有明显的相关性,在混凝土终凝之前的振动荷载,对混凝土的最终抗压强度影响很小;在终凝之后至1d的龄期范围内,混凝土受振损伤效应较为明显,之后,随着混凝土强度的增长,振动损伤效应逐渐减弱;这与振动信号频谱分析的,结论是一致的;早龄期混凝土振动损伤的累积效应非常明显,受到多次振动的混凝土试件表现出更为明显的损伤特征,但损伤度增幅有随着龄期增加而逐步减弱的趋势。通过电镜扫描试块微观结构,进一步印证了宏观试验结果,混凝土在9h受振后的试块,有多处微裂纹扩展发生;3d龄期受振试块,微裂纹扩展不明显;5次受振试块微观劣化特征更为明显。(7)数值计算结果表明:数值模拟结果和试验结果的爆破振动波形比较吻合,测点的峰值振动曲线吻合较好,说明本文所采用的数值模拟方法可以较好的对爆破振动速度进行有效预测,为立井爆破掘进设计提供依据。同时,提取各个测点频率小于等于60Hz的能量比例,将数值模拟结果和试验结果尽心对照,发现模拟结果中频率≤60Hz的能量占总能量的80%-85%,曲线震荡较小,具有较好的一致性;将等效弹性边界引入到立井爆破振动预测中,可以有效的预测不同的爆炸能量在井壁产生的振动作用,同时可以对振动的能量进行预测,这对有效降低爆破振动的破坏作用具有重要意义;进行有效的地质勘察,获得立井各层岩体的精确物理、力学参数可以显著提高对爆破能量分布的预测。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD235;TD262

【参考文献】