大孔径静态爆破破岩机理研究

Large scale earth-rock excavation is required in the urban infrastructure and road widening, however, the application of blasting is strict limited due to the demand of security and environment, and the tradition soundless cracking and mechanical excavation are difficult to popularize because of their low work efficiency. Hence, it is necessary to develop new excavation technique. The large scale soundless cracking technology presented by this project has a new pressure loading property discovered by the principal experiments, and combines the advantages of soundless cracking and regular blasting. The main contents including: 1.Expansive load test of soundless cracking agent (SCA) in large scale borehole, to obtain the loading properties of the borehole pressure and temperature; 2. Focus on the continuous high pressure and high temperature progress caused by the SCA in the large scale borehole, study the plugging method and device to avoid the SCA gushing from the borehole, it is the key technique to achieve the large scale borehole soundless cracking; 3.Based on the borehole pressure loading property, using theoretical analysis and numerical simulation to study the rock fracture and damage mechanism, and obtain the best borehole distribution parameter; 4. Study the crack growth speed and range with optical fiber measurement technology, research the rule between crack growth and SCA reaction, to verify the model above. This project will improve the blasting security and environmental level, enhance the rock breaking efficiency, and present a new rock breaking technique for the urban infrastructure and road widening.

城市基础设施建设及山地道路扩建需大量土石方开挖，但因爆破安全和环保要求使得常规爆破受到了限制，而现有静态爆破和机械开挖因施工慢、效率低、成本高等而推广难，亟待开发新的爆破技术。新提出的大孔径静态爆破技术，经原理性试验后发现了新的压力加载特性，且兼具静态爆破和常规爆破的优势。本项目研究内容包括：①大孔径炮孔中破碎剂膨胀加载量测方法研究，得到炮孔压力及温度输出特征；②针对大孔径炮孔中破碎剂持续的高温、高压过程，研究堵孔方法，设计防止膨胀剂喷孔泄压的堵孔器材，这是实现大孔径静态爆破的关键技术；③基于炮孔压力输出特性，利用理论分析和数值模拟技术研究岩石断裂与破坏机理，得到炮孔的最佳分布参数；④通过实验研究得到裂纹扩展的初始速度和范围，得到裂纹扩展与水化反应的压力输出关系，以验证上述模型。本项目将综合提高爆破安全与环保水平，提高破岩效率，为城市建设和山地道路扩建提供新的破岩技术并开辟新的行业领域。

在地下坑道改扩建、城市地铁隧道、运行核电站或岛礁、边境等环境复杂或对震动非常敏感的情形，因炸药爆破产生的声响、毒气和震动等负效应等受到了严格限制。迫切需要一种环保、高效以及无震动的破岩技术。小孔径静态破岩技术尽管能满足部分要求，但效率低下。本项目创新提出大孔径静态破岩技术，其原理是利用置于密闭空间中的静态破碎剂水化反应体积突然膨胀而使周围岩体介质产生破坏。.通过对大孔径静态爆破对破碎介质的作用机理研究得到了以下成果：.①采用密闭容器试验研究了大孔径膨胀剂的高压，高温的特点，发现了存在气体动态膨胀现象。采用XRD分析了大孔径静态爆破中破碎剂的反应过程与成分变化规律，得出静态破碎剂在大孔径条件下的反应机理，得到了大孔径静态破碎炮孔的作用过程分为三个阶段：溶解阶段、胶化阶段、凝固阶段，其中在胶化阶段中的气体动态突跃现象是大孔径静态爆破特有的现象，是区分传统静态爆破的主要特征。.②针对大孔径静态爆破膨胀剂的高温、高压以及由液态到固态的相变特点，设计了适用于该过程的压力温度测试系统。该系统能够测试破碎剂在大孔径条件下的应力应变、压力、温度的变化。系统测试了40mm、52mm、88mm、120mm孔径下的破碎剂膨胀压力和反应温度数据，得了不同孔径下的应力应变时程曲线，压力时程曲线以及温度时程曲线；.③基于大孔径静态爆破的载荷输出模型，利用数值模拟技术研究了大孔径静态爆破载荷下的材料断裂情况。利用XFEM技术模拟了气体突跃压力载荷下的材料断裂情况，获得了其断裂韧度，应力分布以及裂纹分布情况，并用实验进行对比验证；利用三维模型研究了固化体膨胀压力载荷下的材料应力分布，温度场分布以及断裂分布情况；.④创新设计了两种大孔径岩石静态爆破的堵孔装置，成功实施了复杂环境下静态爆破在大孔径岩石炮孔中开挖；创新设计了钢筋混凝土预埋孔大孔径静态爆破方法，实现了大孔径静态爆破在钢筋混凝土中的应用。