西北地区冻结岩土及混凝土井壁爆破损伤特性与参数优化研究

In the light of specific conditions in northwest china, we study the reliability of freezing shaft-sinking method for super-diameter and super-depth shaft, and especially emphasize the damage to the concrete shaft and frozen wall under the condition of large charge quantity and less subsection. . The research group study the physical characteristics and dynamic properties of northwest typical rock and soil layers by means of physical model experiment, numerical simulation and field test, and we are going to study the relationship of stress – starin and failure property of freezing wall after excavation with different ground pressure and freezing temperature..We investigate the influence of explosion to freezing wall, and also analysis the freezing pipe’s strain, stress and vibration property under the explosive load.Then discuss the propagation property of wave in the typical frozen soil layers, and at last we gain the vibration character of freezing wall and the damage to the wall caused by explosion. The research emphasizes on the deformation,vibration and damage of shaft concrete under explosive load,especially for the fresh placing concrete..Compared with the explosive parameters gained already, we optimize distribution of blast-holes, detonator network and charge structure, then eliminate charge quantity on the premise of explosive effect.It is hoped that the results of the research can provide technical guidance for the rapid excavation when build deep shaft in the areas of northwest china.

针对西北地区特殊地质条件，对超大直径、超深冻结凿井可靠性问题开展研究，特别是药量大、段数少的条件下，爆破对混凝土外井壁、冻结壁的损伤作用。.通过试验研究西北地区代表性岩土层物理特性、热力学性能及动力学特性。通过物理模型试验和数值模拟，研究在不同地压、不同冻结温度下井筒开挖掘进后冻结壁的受力、变形和破坏特性，获得爆破对冻结壁的影响程度和范围，通过模型试验、数值模拟和现场实测，研究冻结管在爆炸动载和开挖卸载条件下的应力、变形和振动特性及代表性冻结地层中爆破动载的传播特性，冻结壁的振动特性和爆破引起的冻结壁损伤程度和范围。着重研究井筒外壁混凝土特别是新浇筑混凝土在爆炸动载作用下的受力、变形、振动及损伤。. 比较矿区现有爆破技术参数，通过对炮孔布置、起爆网络、装药结构等进行优化，探讨在保证爆破效果的前提下科学地减少一次爆破的装药量。希望本项目的研究能为大直径深立井冻结法凿井的安全快速掘进提供技术

针对西北地区特殊地质条件，对超大直径、超深冻结凿井可靠性问题，特别是药量大、段数少的条件下，爆破对混凝土外井壁、冻结壁的损伤作用展开研究。对鄂尔多斯梅林庙矿代表性围岩进行了微观结构分析，得到了梅林庙矿典型岩石的微观结构特性，对岩石试样进行单、三轴试验，找出了冻结岩石强度与围压的关系；通过对典型岩石的负温蠕变试验找到了加速蠕变的门槛值，并建立红砂岩蠕变的本构模型；通过SHPB压杆试验得到了冻结红砂岩动态强度与应变速率之间的关系。结合石拉乌素风井井筒现场情况配制了高强混凝土，通过抗压强度试验和超声波测试技术，得到了混凝土在标准养护和负温环境养护下的强度增长规律和超声波变化规律。通过快速循环加卸载试验，得到了混凝土在准动态荷载作用下的损伤情况和超声波波速变化情况及它们的相关性。利用相似理论设计模型试验，通过比较矿区现有爆破技术参数，对炮孔布置、起爆网络、装药结构等进行优化，设计出合理爆破方案，对低温模型进行爆破掘进，在适当的部位安置三个速度传感器，测得各点的振动时程曲线，借助萨道夫斯基公式进行回归，得到了两个关键参数K=57.52、α=1.74，进而得到了任意位置处的振动速度；通过计算关键点振动速度及频率信息，对各个方向速度、频率进行回归分析，发现冻结岩壁振动频率符合其相似准数方程，得到冻结岩壁速度和频率衰减特性；利用小波包分析技术，从能量分布特征角度，对模型爆破振动信号进行研究，得到各信号不同频带能量分布，研究了高程差、等效距离对振动信号能量衰减规律的影响，利用量纲分析法建立了能量预测公式，并通过实测数据回归分析验证了其正确性。通过在模型中预埋超声波探测管，分别在爆破前、第一次爆破后、第二次爆破后、第三次爆破后测量模型各个测试面的波速，得到了模型在爆破作用下的损伤分布规律；针对同一个相似模型浇筑混凝土井壁，进行相似模型试验，并结合数值模拟和现场实测，研究得出爆破荷载作用下高强混凝土井壁的振动传播规律、井壁的变形和受力规律、损伤分布及变化规律，并对安全判据条件进行了分析。本项目的研究可以为西北地区大直径深立井冻结法凿井的安全快速掘进提供技术指导。