發(fā)布時間：2018-11-25 07:06

【摘要】：在立井井筒掘砌處于風化帶和基巖段時,普遍采用鉆爆法施工。隨著鑿井技術的進步和對施工速度的要求越來越高,深孔爆破技術在立井掘進中得以廣泛應用。爆破時的炮孔深度達到4~6m,炸藥的單孔藥量和總裝藥量較之以前都大大增加。爆破動載的增加,對井壁的直接損傷效應和累積損傷效應都勢必增強,造成井壁結構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段有重合,這一方面增加了爆破動載直接破壞凍結壁或凍結管,造成井筒透水的風險,另一方面由于凍結溫度場的影響,造成井壁混凝土在低溫下水化反應速度減慢,強度增長速度較之常溫下降低,對于爆破動載的抵抗能力減弱。我國2015年7月1日起開始實施的《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)對于爆破振動安全允許標準根據(jù)保護對象、主振頻率和齡期的不同給出規(guī)定,而據(jù)現(xiàn)場實測可知,爆破動載下近區(qū)井壁振動速度遠超過該標準對于新澆筑大體積混凝土的振速限值。因此,圍繞立井凍結法施工階段,基巖段(或風化層)深孔爆破情況下,大藥量爆破動載的振動效應及井壁動態(tài)響應規(guī)律開展研究,對于減少由于爆破動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)實意義。此外,對于我國現(xiàn)行的相關規(guī)范、標準的修訂也具有顯著的參考價值。本文依托國家自然科學基金兩項課題——“大斷面巷道快速掘進與支護基礎”(重點項目,基金號:51134025)、“爆破動載對凍結壁(管)及支護結構的作用機理”(面上項目,基金號:51274203),對凍結立井深孔爆破井壁動態(tài)響應進行現(xiàn)場監(jiān)測,采集井壁爆破振動信號,以此為基礎,對采集到的信號進行頻譜能量特征分析,并利用實驗室試驗、數(shù)值模擬等手段,綜合研究井壁動態(tài)響應及損傷規(guī)律。其主要研究成果如下:(1)現(xiàn)場試驗研究:對兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司營盤壕煤礦主井井筒鑿井過程中的井壁爆破振動進行現(xiàn)場監(jiān)測,獲取距爆破工作面不同高度處的井壁振動信號。(2)爆破振動信號分析。監(jiān)測到的信號經(jīng)過有效去噪后可濾掉信號包含的高頻分量,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)值較其他兩向相對較小,說明信號豎向分量頻率偏低,相應的振動幅值大,周期長。水平方向(徑向和切向)振動信號分形盒維數(shù)值未出現(xiàn)較大離散性,說明水平向振動強度相當,頻率相對豎向出現(xiàn)高頻。而對井壁結構而言,自振頻率處于低頻,由于其在水平方向自由度大,抵抗爆破振動剪切作用的能力遠遠弱于其豎向的拉應力。因此,對井壁結構的損傷最主要取決于水平兩向的抗剪強度,而水平方向分形盒維數(shù)值相對較大,頻率較高,剪切作用弱,這對于井壁結構自身穩(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),爆破振動波形相對復雜,爆破振動對井壁結構產(chǎn)生很強的拉應力,對井壁結構的影響最為明顯,由于該距離段內(nèi)的混凝土屬于初凝或終凝階段,結構阻尼較大,能夠很大程度上削減爆破振動能量的峰值及作用時間。15-27m范圍內(nèi),爆破振動分形盒維數(shù)值趨于穩(wěn)定,屬于爆破振動波的穩(wěn)定傳播階段。該距離段內(nèi)的井壁結構響應程度大致相同,雖然振動幅度上有所衰減,但其爆破振動頻率段趨于穩(wěn)定。27m至更遠距離后,爆破振動主頻逐漸往低頻發(fā)展,分形盒維數(shù)值逐漸減小,說明井壁介質(zhì)濾波效應顯著,波形頻譜較為簡單,峰值相對降低。這與實際監(jiān)測的結論是一致的。因此,應重點監(jiān)測15-27m范圍內(nèi)的振動損傷強度。(4)根據(jù)爆破振動信號小波包頻帶能量分布算法,得到爆破振動信號的能量分布規(guī)律:所有振動信號200hz以內(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#測點(相應的爆心距為15m-23m)監(jiān)測到的能量百分比整體上大于80%,證明該距離段出現(xiàn)明顯的拉應力激增,屬于鋼筋混凝土井壁彈塑性材料的應力-應變關系的線性段。該距離段內(nèi)的爆破振動對井壁的微觀損傷較大,這對井壁的整體穩(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;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,說明在該頻率范圍內(nèi),能量出現(xiàn)明顯的多頻段趨勢,爆破振動能量離散程度較高。同時,豎向的能量百分比變化幅度相比于其他兩向較小,總體上滿足豎向徑向切向的規(guī)律。這與分形盒維數(shù)得到的結論是一致的;200-1250hz頻段范圍內(nèi),三向能量百分比具有明顯的降低趨勢,說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,對于井壁結構影響很小,不作為主要影響頻段。(5)井壁結構的自振周期處于反應譜的加速度敏感區(qū)范圍內(nèi),是導致其整體破壞的主要原因之一。研究發(fā)現(xiàn),加速度反應譜區(qū)域較寬會使凍結井壁更多的結構處于剛性狀態(tài),因此會產(chǎn)生較為強烈的振動作用力。相應地,如果反應譜隨著周期的響應區(qū)域較窄,凍結壁的響應程度就很低。隨著井壁長度的增加,其結構的自振周期會明顯變長,隨著井壁自振頻率的增長,其響應程度會降低,但反應譜覆蓋的區(qū)域加大,導致越來越多的井壁結構體的反應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會增大。標準反應譜動力響應系數(shù)與加速度反應譜曲線的響應趨勢一致,并且對于凍結壁有明顯放大效應所對應的井壁的自振周期比較窄。因此可知:爆破振動的最大加速度主要影響反應譜的高頻,爆破振動最大速度主要影響中頻段,低頻段主要取決于爆破振動產(chǎn)生的最大位移。(6)實驗室試驗結果表明:動荷載對混凝土的損傷效應與受振時的齡期有明顯的相關性,在混凝土終凝之前的振動荷載,對混凝土的最終抗壓強度影響很小;在終凝之后至1d的齡期范圍內(nèi),混凝土受振損傷效應較為明顯,之后,隨著混凝土強度的增長,振動損傷效應逐漸減弱;這與振動信號頻譜分析的,結論是一致的;早齡期混凝土振動損傷的累積效應非常明顯,受到多次振動的混凝土試件表現(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。通過電鏡掃描試塊微觀結構,進一步印證了宏觀試驗結果,混凝土在9h受振后的試塊,有多處微裂紋擴展發(fā)生;3d齡期受振試塊,微裂紋擴展不明顯;5次受振試塊微觀劣化特征更為明顯。(7)數(shù)值計算結果表明:數(shù)值模擬結果和試驗結果的爆破振動波形比較吻合,測點的峰值振動曲線吻合較好,說明本文所采用的數(shù)值模擬方法可以較好的對爆破振動速度進行有效預測,為立井爆破掘進設計提供依據(jù)。同時,提取各個測點頻率小于等于60Hz的能量比例,將數(shù)值模擬結果和試驗結果盡心對照,發(fā)現(xiàn)模擬結果中頻率≤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預測中,可以有效的預測不同的爆炸能量在井壁產(chǎn)生的振動作用,同時可以對振動的能量進行預測,這對有效降低爆破振動的破壞作用具有重要意義;進行有效的地質(zhì)勘察,獲得立井各層巖體的精確物理、力學參數(shù)可以顯著提高對爆破能量分布的預測。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD235;TD262

【參考文獻】

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本文編號：2355222