【摘要】：在立井井筒掘砌處于風(fēng)化帶和基巖段時(shí),普遍采用鉆爆法施工。隨著鑿井技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)施工速度的要求越來(lái)越高,深孔爆破技術(shù)在立井掘進(jìn)中得以廣泛應(yīng)用。爆破時(shí)的炮孔深度達(dá)到4~6m,炸藥的單孔藥量和總裝藥量較之以前都大大增加。爆破動(dòng)載的增加,對(duì)井壁的直接損傷效應(yīng)和累積損傷效應(yīng)都勢(shì)必增強(qiáng),造成井壁結(jié)構(gòu)耐久性降低甚至直接破壞。此外,在很多情況下,鉆爆法施工段和凍結(jié)段有重合,這一方面增加了爆破動(dòng)載直接破壞凍結(jié)壁或凍結(jié)管,造成井筒透水的風(fēng)險(xiǎn),另一方面由于凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響,造成井壁混凝土在低溫下水化反應(yīng)速度減慢,強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較之常溫下降低,對(duì)于爆破動(dòng)載的抵抗能力減弱。我國(guó)2015年7月1日起開(kāi)始實(shí)施的《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)對(duì)于爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)保護(hù)對(duì)象、主振頻率和齡期的不同給出規(guī)定,而據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知,爆破動(dòng)載下近區(qū)井壁振動(dòng)速度遠(yuǎn)超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于新澆筑大體積混凝土的振速限值。因此,圍繞立井凍結(jié)法施工階段,基巖段(或風(fēng)化層)深孔爆破情況下,大藥量爆破動(dòng)載的振動(dòng)效應(yīng)及井壁動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律開(kāi)展研究,對(duì)于減少由于爆破動(dòng)載引起的井壁破壞或累積損傷,提高生產(chǎn)效率,具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。此外,對(duì)于我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的修訂也具有顯著的參考價(jià)值。本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金兩項(xiàng)課題——“大斷面巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)基礎(chǔ)”(重點(diǎn)項(xiàng)目,基金號(hào):51134025)、“爆破動(dòng)載對(duì)凍結(jié)壁(管)及支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理”(面上項(xiàng)目,基金號(hào):51274203),對(duì)凍結(jié)立井深孔爆破井壁動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),采集井壁爆破振動(dòng)信號(hào),以此為基礎(chǔ),對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜能量特征分析,并利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段,綜合研究井壁動(dòng)態(tài)響應(yīng)及損傷規(guī)律。其主要研究成果如下:(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究:對(duì)兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司營(yíng)盤(pán)壕煤礦主井井筒鑿井過(guò)程中的井壁爆破振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),獲取距爆破工作面不同高度處的井壁振動(dòng)信號(hào)。(2)爆破振動(dòng)信號(hào)分析。監(jiān)測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)有效去噪后可濾掉信號(hào)包含的高頻分量,研究發(fā)現(xiàn):立井爆破分形盒維數(shù)值介于1.40-1.70之間,分形維數(shù)在方向上有顯著差異,并隨爆心距的增大有明顯的規(guī)律。豎向分量的分形盒維數(shù)值較其他兩向相對(duì)較小,說(shuō)明信號(hào)豎向分量頻率偏低,相應(yīng)的振動(dòng)幅值大,周期長(zhǎng)。水平方向(徑向和切向)振動(dòng)信號(hào)分形盒維數(shù)值未出現(xiàn)較大離散性,說(shuō)明水平向振動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng),頻率相對(duì)豎向出現(xiàn)高頻。而對(duì)井壁結(jié)構(gòu)而言,自振頻率處于低頻,由于其在水平方向自由度大,抵抗爆破振動(dòng)剪切作用的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于其豎向的拉應(yīng)力。因此,對(duì)井壁結(jié)構(gòu)的損傷最主要取決于水平兩向的抗剪強(qiáng)度,而水平方向分形盒維數(shù)值相對(duì)較大,頻率較高,剪切作用弱,這對(duì)于井壁結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定和完整性是有利的。(3)在爆心距15m范圍內(nèi),屬于爆破近區(qū),爆破振動(dòng)波形相對(duì)復(fù)雜,爆破振動(dòng)對(duì)井壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很強(qiáng)的拉應(yīng)力,對(duì)井壁結(jié)構(gòu)的影響最為明顯,由于該距離段內(nèi)的混凝土屬于初凝或終凝階段,結(jié)構(gòu)阻尼較大,能夠很大程度上削減爆破振動(dòng)能量的峰值及作用時(shí)間。15-27m范圍內(nèi),爆破振動(dòng)分形盒維數(shù)值趨于穩(wěn)定,屬于爆破振動(dòng)波的穩(wěn)定傳播階段。該距離段內(nèi)的井壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)程度大致相同,雖然振動(dòng)幅度上有所衰減,但其爆破振動(dòng)頻率段趨于穩(wěn)定。27m至更遠(yuǎn)距離后,爆破振動(dòng)主頻逐漸往低頻發(fā)展,分形盒維數(shù)值逐漸減小,說(shuō)明井壁介質(zhì)濾波效應(yīng)顯著,波形頻譜較為簡(jiǎn)單,峰值相對(duì)降低。這與實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)論是一致的。因此,應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)15-27m范圍內(nèi)的振動(dòng)損傷強(qiáng)度。(4)根據(jù)爆破振動(dòng)信號(hào)小波包頻帶能量分布算法,得到爆破振動(dòng)信號(hào)的能量分布規(guī)律:所有振動(dòng)信號(hào)200hz以?xún)?nèi)頻帶的能量占總能量的90%以上,隨著爆心距的加大,爆破低頻段能量百分比趨勢(shì)有所降低。其中:0-60hz范圍內(nèi),隨著爆心距的增大,該頻段范圍內(nèi)三向能量百分比呈現(xiàn)拋物線“倒鐘形”,2#~4#測(cè)點(diǎn)(相應(yīng)的爆心距為15m-23m)監(jiān)測(cè)到的能量百分比整體上大于80%,證明該距離段出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力激增,屬于鋼筋混凝土井壁彈塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的線性段。該距離段內(nèi)的爆破振動(dòng)對(duì)井壁的微觀損傷較大,這對(duì)井壁的整體穩(wěn)定性是不利的;60-100hz頻率段內(nèi),三向能量先小幅度降低,隨后大幅度增加,其中以豎向和水平切向表現(xiàn)最為明顯。這說(shuō)明隨著爆心距的增大,頻率能量分布由低頻段占主要地位轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l段具有突出優(yōu)勢(shì);100-200hz頻段范圍內(nèi)的三向能量百分比能量出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象,基本呈正弦鋸齒狀,說(shuō)明在該頻率范圍內(nèi),能量出現(xiàn)明顯的多頻段趨勢(shì),爆破振動(dòng)能量離散程度較高。同時(shí),豎向的能量百分比變化幅度相比于其他兩向較小,總體上滿(mǎn)足豎向徑向切向的規(guī)律。這與分形盒維數(shù)得到的結(jié)論是一致的;200-1250hz頻段范圍內(nèi),三向能量百分比具有明顯的降低趨勢(shì),說(shuō)明隨著距離的不斷增大,200hz高頻段的能量不斷降低,但該高頻率段的變化,對(duì)于井壁結(jié)構(gòu)影響很小,不作為主要影響頻段。(5)井壁結(jié)構(gòu)的自振周期處于反應(yīng)譜的加速度敏感區(qū)范圍內(nèi),是導(dǎo)致其整體破壞的主要原因之一。研究發(fā)現(xiàn),加速度反應(yīng)譜區(qū)域較寬會(huì)使凍結(jié)井壁更多的結(jié)構(gòu)處于剛性狀態(tài),因此會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的振動(dòng)作用力。相應(yīng)地,如果反應(yīng)譜隨著周期的響應(yīng)區(qū)域較窄,凍結(jié)壁的響應(yīng)程度就很低。隨著井壁長(zhǎng)度的增加,其結(jié)構(gòu)的自振周期會(huì)明顯變長(zhǎng),隨著井壁自振頻率的增長(zhǎng),其響應(yīng)程度會(huì)降低,但反應(yīng)譜覆蓋的區(qū)域加大,導(dǎo)致越來(lái)越多的井壁結(jié)構(gòu)體的反應(yīng)處于加速度的敏感區(qū)域內(nèi),因此大段高井壁的位移響應(yīng)會(huì)增大。標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)與加速度反應(yīng)譜曲線的響應(yīng)趨勢(shì)一致,并且對(duì)于凍結(jié)壁有明顯放大效應(yīng)所對(duì)應(yīng)的井壁的自振周期比較窄。因此可知:爆破振動(dòng)的最大加速度主要影響反應(yīng)譜的高頻,爆破振動(dòng)最大速度主要影響中頻段,低頻段主要取決于爆破振動(dòng)產(chǎn)生的最大位移。(6)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明:動(dòng)荷載對(duì)混凝土的損傷效應(yīng)與受振時(shí)的齡期有明顯的相關(guān)性,在混凝土終凝之前的振動(dòng)荷載,對(duì)混凝土的最終抗壓強(qiáng)度影響很小;在終凝之后至1d的齡期范圍內(nèi),混凝土受振損傷效應(yīng)較為明顯,之后,隨著混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng),振動(dòng)損傷效應(yīng)逐漸減弱;這與振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的,結(jié)論是一致的;早齡期混凝土振動(dòng)損傷的累積效應(yīng)非常明顯,受到多次振動(dòng)的混凝土試件表現(xiàn)出更為明顯的損傷特征,但損傷度增幅有隨著齡期增加而逐步減弱的趨勢(shì)。通過(guò)電鏡掃描試塊微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)一步印證了宏觀試驗(yàn)結(jié)果,混凝土在9h受振后的試塊,有多處微裂紋擴(kuò)展發(fā)生;3d齡期受振試塊,微裂紋擴(kuò)展不明顯;5次受振試塊微觀劣化特征更為明顯。(7)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的爆破振動(dòng)波形比較吻合,測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)曲線吻合較好,說(shuō)明本文所采用的數(shù)值模擬方法可以較好的對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行有效預(yù)測(cè),為立井爆破掘進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí),提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)頻率小于等于60Hz的能量比例,將數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果盡心對(duì)照,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果中頻率≤60Hz的能量占總能量的80%-85%,曲線震蕩較小,具有較好的一致性;將等效彈性邊界引入到立井爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)中,可以有效的預(yù)測(cè)不同的爆炸能量在井壁產(chǎn)生的振動(dòng)作用,同時(shí)可以對(duì)振動(dòng)的能量進(jìn)行預(yù)測(cè),這對(duì)有效降低爆破振動(dòng)的破壞作用具有重要意義;進(jìn)行有效的地質(zhì)勘察,獲得立井各層巖體的精確物理、力學(xué)參數(shù)可以顯著提高對(duì)爆破能量分布的預(yù)測(cè)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD235;TD262

【參考文獻(xiàn)】

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1 于妍寧;徐振洋;郭連軍;張大寧;;巖石動(dòng)態(tài)特性對(duì)爆破振動(dòng)能量分布的影響[J];爆破器材;2015年06期

2 嚴(yán)鵬;鄒玉君;盧文波;胡英國(guó);冷振東;張玉柱;劉亮;胡浩然;陳明;王高輝;;基于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的巖石邊坡開(kāi)挖損傷區(qū)預(yù)測(cè)[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2016年03期

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4 徐健;張語(yǔ)R，

本文編號(hào)：2355222