平巷掏槽爆破空孔尺寸效应及围岩频繁震动损伤累积特性研究

论文摘要

铁路、公路建设中为缩短里程，提高运营效益，避免边坡灾害，往往在特定条件下采用隧道方案。各类矿山需要掘进大量的巷道以构成生产系统。矿山、公路、铁路、水电站等工程项目的建设中，巷道或隧道的数量和总长度占有较大比例。“开挖”与“稳定”是巷道或隧道工程(以下统称“巷道工程”)中要解决的两个主要问题。钻爆法在相当长时间内，仍然是巷道工程掘进的主要方法。矿山巷道工程中主要以中、小断面巷道为主。巷道掘进效率及围岩松动圈大小，不但影响到掘进成本、维护成本，对矿山的正常生产也有重大影响。直眼掏槽是提高中、小断面巷道工程单循环进尺的主要技术途径。国内外众多学者分别对直眼掏槽技术和爆破震动作用下围岩损伤进行了大量的研究，但对大直径空孔直眼掏槽、频繁爆破震动作用下岩石的损伤、围岩松动圈扩展方面的研究，均未取得实质性进展，从而使空孔直眼掏槽及围岩支护设计，仍停留在以经验为主的阶段。论文结合中、小断面巷道爆破掘进工程实践，以“平巷掏槽爆破空孔尺寸效应及围岩频繁震动损伤累积特性研究”为题，对直眼掏槽的空孔效应、空孔直眼掏槽模型进行了研究；通过频繁爆破震动实验和模拟循环冲击实验，基于细观损伤力学理论研究了介质的损伤累积特性；用小波包分析方法对实测空孔直眼掏槽爆破震动波形的能量频带分布进行了研究；并在实测的基础上，对频繁爆破震动作用下松动圈扩展特性进行了分析，取得了如下主要成果：(1)槽孔与空孔之间的最大拉应力与空孔半径大小呈正变关系；原岩应力的大小对槽孔爆炸后，介质中的三次耦合应力场有重要影响；给出了槽孔与空孔最优间距的确定方法：提出了“再生岩系数”的概念。(2)建立了空孔直眼掏槽成腔分析模型；得出了碎块出腔率的估算方法，并通过现场掏槽成腔试验，证明了该估算方法得出的结果与实际情况较接近。(3)介质的爆破震动响应存在累积效应；当载荷等级大于阈值时，介质力学指标弱化趋势随作用次数的增加而逐渐加强；循环冲击载荷作用下介质的累积损伤存在围压效应；得出了岩石原生裂纹起裂的临界震动速度计算公式和爆破震动作用下原生裂纹扩展长度估算公式；得出了基于裂纹扩展累积细观损伤力学理论的频繁爆破震动作用下介质损伤累积演化模型。(4)空孔直径越大或段药量越小，能量相对集中的频带频率越高。提出了基于小波包能量频带分布理论的频比加权等效能量分析方法。(5)巷道工程围岩松动圈包括巷道形状尺寸效应松动圈和爆破动压松动圈；影响动压松动圈扩展的因素主要包括两个方面，一是爆破震动作用下原松动圈外边界附近的岩石破裂，二是爆破震动对松动圈内岩石的损伤累积，造成该区域内岩石力学性质劣化，应力向外转移而造成松动圈扩展；用频比权系数对爆破震动速度进行修正，并以此为基础，对松动圈内岩石的累积损伤进行估算，结果与实测数据比较接近。某煤矿引水巷掘进工程中运用前述研究成果，设计了大直径空孔直眼掏槽及相关参数。成功实现了小断面大进尺掘进，并有效地控制了爆破震动对围岩稳定性的影响。该巷道经过1年多的使用，围岩没有出现垮塌。证实了论文研究成果具有较强的实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及进展
• 1.2.1 直眼掏槽爆破理论研究的现状及进展
• 1.2.2 围岩震动效应研究的现状及进展
• 1.3 论文的目的、意义与主要研究内容
• 第二章 直眼掏槽效率的空孔效应研究
• 2.1 平巷爆破掘进理论研究进展
• 2.1.1 平巷掏槽爆破的主要方式
• 2.1.2 平巷掏槽爆破的研究现状
• 2.2.直眼掏槽中的空孔效应
• 2.2.1.空孔的应力集中效应
• 2.2.2 空孔的自由面效应分析
• 2.2.3 空孔的卸压效应
• 2.3 槽孔爆炸应力波作用分析
• 2.3.1 冲击波作用形成的粉碎区
• 2.3.2 应力波作用下的裂隙圈半径
• 2.4 钻孔偏斜率对理论进尺的影响分析
• 2.4.1 钻孔偏斜率
• 2.4.2 补偿系数对槽孔与空孔间距的影响
• 2.4.3 钻孔偏斜率、空孔半径对理论进尺的影响
• 2.5 大直径空孔成孔效率分析
• 2.6 小结
• 第三章 空孔直眼掏槽成腔模型
• 3.1 引言
• 3.2 空孔直眼掏槽成腔模型
• 3.2.1 空孔直眼掏成腔物理模型
• 3.2.2 空孔直眼掏槽成腔力学模型
• 3.2.3 爆生气体对碎块的抛掷作用
• 3.2.4 出腔率的试验验证
• 3.3 小结
• 第四章 爆炸应力波能量及频繁震动作用下介质的损伤特性
• 4.1 柱状装药爆炸应力波能量分布研究
• 4.1.1 柱状装药爆炸应力波研究现状
• 4.1.2 柱状装药爆炸能量分布
• 4.1.3 耦合柱状装药爆破能耗分布算例
• 4.2 岩石损伤及损伤度测量系统
• 4.2.1 岩石损伤的描述方法
• 4.2.2 超声波探伤检测技术原理与仪器
• 4.3 频繁爆破震动作用下介质损伤累积特性的实验研究
• 4.3.1 实验目的
• 4.3.2 频繁爆破震动载荷作用下介质力学指标弱化规律实验
• 4.4 冲击载荷作用下介质损伤累积演化的围压效应实验
• 4.5 爆破震动作用下岩石损伤的细观力学分析
• 4.5.1 爆破震动应力波作用下岩石损伤增强效应
• 4.5.2 爆破震动应力波作用下裂纹扩展行为分析
• 4.6 基于裂纹扩展累积的震动损伤演化模型
• 4.7 小结
• 第五章 基于小波包理论的空孔直眼掏槽爆破震动特性研究
• 5.1 爆破震动信号分析方法
• 5.1.1 傅立叶分析
• 5.1.2 小波及小波包分析
• 5.2 空孔直眼掏槽爆破震动测试
• 5.2.1 爆破震动测试系统
• 5.2.2 震动测试方案
• 5.2.3 巷道爆破震动测试结果及处理
• 5.3 掏槽爆破震动能量分布特性的小波包分析
• 5.3.1 爆破震动信号分析的频带划分
• 5.3.2 爆破震动信号频带能量分布
• 5.3.3 掏槽爆破震动能量频带分布
• 5.4 基于小波包能量频带分布的频比加权等效能量分析
• 5.5 小结
• 第六章 围岩爆破动压松动圈扩展特性研究
• 6.1 巷道围岩松动圈研究现状
• 6.2 爆破动压松动圈的现场测试
• 6.2.1 测试系统原理
• 6.2.2 测试方法
• 6.2.3 测试结果
• 6.2.4 实测爆破松动圈扩展分析
• 6.3 爆破动压松动圈扩展与爆破震动特性耦合分析
• 6.3.1 爆破震动特性
• 6.3.2 爆破动压松动圈扩展分析
• 6.4 松动圈岩石爆破动压损伤分析
• 6.4.1 爆破动压作用下松动圈岩石稳定性判据
• 6.4.2 爆破动压作用下松动圈岩石的累积损伤
• 6.5 小结
• 第七章 大直径空孔直眼掏槽爆破工程实例
• 7.1 引言
• 7.2 爆破设计
• 7.2.1 掏槽方式
• 7.2.2 孔网参数
• 7.2.3 起爆技术
• 7.3 提高爆破可靠性的措施
• 7.4 爆破效果
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 一、发表的论文
• 二、承担的科研工作
• 三、主要获奖攻读博士学位期间所获奖励
• 致谢