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矿山井筒硬岩深孔爆破模型试验与应用研究

作　者: 韩博
导　师: 马芹永
学　校: 安徽理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 井筒深孔爆破模型试验振动测试应变硬岩
分类号: TD235
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在矿山井筒掘进施工中,主要采用钻眼爆破法。频繁且大规模的爆破作业在完成岩体开挖的同时,不可避免地会产生爆破振动效应,对井壁及周围岩体等产生不利影响。因此,既要充分发挥炸药爆炸所释放的能量,提高井筒工程的掘进速度和效率；又要对炸药的爆炸能量进行有效地控制,将围岩及支护结构等受爆破振动的影响控制在设计要求限度内。针对井筒掘进存在的上述问题,本文结合皖北煤电集团“朱集西矿井井筒与巷道硬岩段高效爆破技术研究”和“恒源煤矿千米深井硬岩段高效爆破与快速掘进关键技术研究”课题研究,在理论分析爆破地震波传播特性的基础上,进行了立井掏槽爆破两圈眼同时起爆、三圈眼延期起爆等不同爆破方案的模型试验研究,并对爆破振动、爆破应变等进行测试与分析；进行工程应用性验证,同时开展爆破振动效应的现场监测与分析,确保围岩及支护结构的稳定性。主要结论如下：(1)以矿山井筒为原型,根据相似理论建立相似准则,确定模型材料、几何形状及爆破参数。采用预留炮眼方法,设计二圈10个炮眼,三圈20个炮眼混凝土试件,进行齐发爆破、延期爆破等不同掏槽方案的模型试验。分析了爆破损伤对声波传播速度的影响规律,并根据声速的变化特征,判别混凝土试件的损伤程度。试验得出,同时起爆能够获得更多能量,掏槽深度大,产生的振动效应大,爆破损伤程度高；延期起爆能够充分利用自由面,掏槽体积大,爆破损伤程度小。(2)对不同掏槽爆破方案的模型试验进行爆破振动测试研究。得到的爆破振动信号水平横向振速最小,水平纵向和垂直方向振速较大且基本相等。同时起爆时峰值振动速度较大,可以获得较大的起爆能量,有利于掏槽爆破,增大槽腔体积与深度；延时起爆时峰值振动速度较小,可以获得较好的成型效果,有利于辅助眼及周边眼爆破,降低超、欠挖量。随着延期时间增大,各段起爆产生的波形彼此相互独立,峰值振速由各段起爆药量决定。在总药量一定情况下,合理的增加段数并控制最大段起爆药量是降低爆破振动强度的有效方法。对爆破振动信号进行了频谱分析,得出爆破试验在模型试件表面产生的振动信号频带较宽,主振频率突出。(3)对不同掏槽爆破方案的112个测点进行爆破应变测试分析。得到有效应变波形,将应变片电压值通过公式换算为应变值,得到电压信号与动应变的转换关系。分析了应变时间历程关系曲线的变化规律。(4)根据模型试验的研究结果,结合具体井筒工程实际,根据矿山井筒岩石性质、爆破器材性能及凿岩设备条件,优化爆破方案,提出深孔双阶同深掏槽方式,针对炮眼布置方式、炮眼直径、炮眼深度、装药量及微差起爆顺序等对爆破参数进行了优化设计。应用于井筒爆破掘进中,提高了井筒爆破效率及掘进速度,炮眼利用率达到91.7%,并降低了爆破振动对井壁及周围岩体的影响。经过实际应用,对矿山井筒爆破施工的快速掘进与安全具有重要的指导意义,取得了良好的社会和经济效益。(5)通过对爆破振动进行现场测试及分析,得出地震波传播衰减公式、爆破振动信号不同频带的能量分布特征,质点振动速度峰值及时刻与各段起爆的炸药量和延时具有相关性。采用延期爆破方式,控制最大段起爆药量,降低了爆破振动效应,提高爆破效率。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-17
1 绪论  17-26
  1.1 研究背景及意义  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-23
    1.2.1 爆破地震波研究现状  18-19
    1.2.2 岩体爆破损伤与声波测试  19-20
    1.2.3 爆破振动监测  20-21
    1.2.4 爆破振动危害控制  21
    1.2.5 爆破振动信号分析处理技术  21-23
    1.2.6 微差爆破技术研究  23
  1.3 研究目的与研究内容  23-24
    1.3.1 研究目的  23-24
    1.3.2 研究内容  24
  1.4 研究方法与技术路线  24-26
    1.4.1 研究方法  24-25
    1.4.2 技术路线  25-26
2 爆破地震波传播特性理论分析  26-37
  2.1 引言  26-27
  2.2 爆破地震波及相关波动理论  27-34
    2.2.1 爆破地震波的产生机理  27-28
    2.2.2 爆破地震波的特征  28-31
    2.2.3 爆破地震波的传播规律  31
    2.2.4 爆破地震波的折射与反射  31-32
    2.2.5 爆破地震波的波动方程  32-34
  2.3 爆破振动信号分析理论与方法  34-36
    2.3.1 小波分析原理  34-35
    2.3.2 小波包分析原理  35-36
  2.4 本章小结  36-37
3 立井掏槽爆破模型试验设计  37-65
  3.1 引言  37
  3.2 模型试验的理论基础  37-39
    3.2.1 相似基本定理  37
    3.2.2 爆破相似参数  37-38
    3.2.3 模型试验的相似性和相似常数  38-39
  3.3 模型试验方案与试件制作  39-44
    3.3.1 模型试验方案设计  39-40
    3.3.2 模型试件制作  40-43
    3.3.3 模型试件基本力学性能测试  43-44
  3.4 爆破模型试验与效果  44-64
    3.4.1 立井掏槽爆破模型试验  44-46
    3.4.2 爆破效果与分析  46-51
    3.4.3 爆炸波作用下混凝土试件损伤  51-64
  3.5 本章小结  64-65
4 模型试验爆破振动测试与分析  65-83
  4.1 引言  65
  4.2 爆破振动测试  65-69
    4.2.1 爆破振动测试目的  65
    4.2.2 爆破振动测试系统  65-67
    4.2.3 测点布置与传感器安装  67-68
    4.2.4 信号采集与处理  68
    4.2.5 分析软件的基本要求  68-69
  4.3 测试结果与分析  69-82
    4.3.1 爆破振动测试数据  69-72
    4.3.2 爆破振动速度时程曲线  72-80
    4.3.3 测试结果影响因素分析  80
    4.3.4 测试结果频谱分析  80-82
  4.4 本章小结  82-83
5 模型试验爆破应变测试与分析  83-96
  5.1 引言  83
  5.2 应变砖的设计与制作  83-84
  5.3 超动态应变测试  84-87
    5.3.1 电阻应变测量原理  84-85
    5.3.2 电阻应变片的动态响应  85
    5.3.3 测试系统的动态响应  85
    5.3.4 测试系统组成及调试  85-86
    5.3.5 应变测试中的防干扰措施  86-87
  5.4 测试结果与分析  87-95
  5.5 本章小结  95-96
6 井筒掘进爆破参数设计与振动测试  96-120
  6.1 引言  96
  6.2 爆破振动测试的意义  96
  6.3 爆破振动测试的基本方法  96-97
  6.4 爆破参数设计  97-104
    6.4.1 工程背景  97
    6.4.2 爆破施工现场调研  97-98
    6.4.3 试验井筒岩石物理力学性质测试  98-100
    6.4.4 爆破参数与爆破图表设计  100-104
    6.4.5 实施效果及分析  104
  6.5 井筒掘进爆破振动测试与分析  104-119
    6.5.1 工程概况  105
    6.5.2 爆破振动测试系统  105-107
    6.5.3 测点布置及测试参量  107-111
    6.5.4 测试结果及分析  111-118
    6.5.5 爆破振动效应控制措施  118-119
  6.6 本章小结  119-120
7 结论与展望  120-122
  7.1 主要结论  120-121
  7.2 创新点  121
  7.3 展望  121-122
参考文献  122-131
致谢  131-132
作者简介及读研期间主要科研成果  132

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