爆破动载对冻结壁（管）及支护结构的作用机理

Study the principle of damage and failure of frozen wall, frozen pipes and retaining structure under blasting load, using the method of numerical calculation, the theoretical analysis, model tests and field trials combining. Analysis stress wave propagation attenuation law in the frozen wall, freezing pipes and the supporting structure where around explosive source. Build multi-field coupling frozen pipes model under complex stress conditions to analyze the freezing pipes. Reveals the interaction law between frozen wall and frozen pipes, frozen wall and the supporting structure. Analysis the propagation attenuation law of blasting vibration wave in the frozen wall and support structure. Obtain the damage law within the structure of frozen wall and support structure. Explore inter-relate of the blasting vibration and damage degree D in the frozen wall and support structure. Study the law of cumulative damage of frozen wall and support structure under periodic blasting vibration. Establish the relationship between accumulated damage Di and the blasting vibration. Research effective law of charge weight, charge structure, and delay time on accumulated damage Di.

采用数值计算、理论分析、模型试验和现场试验相结合的方法，研究冻结法施工中爆破动载对冻结壁、冻结管及支护结构的损伤破坏规律。研究爆炸应力波在冻结壁、冻结管及支护结构内的传播衰减规律。建立复杂应力条件下冻结管多场耦合作用模型，采用理论分析方法对冻结管受力状态进行分析，揭示爆炸作用下冻结壁与冻结管间、冻结壁与支护结构间相互作用机理。分析爆破振动波在冻结壁、支护体结构内部的传播衰减规律，获得爆破振动作用下冻结壁和支护体结构内部的损伤规律，探索冻结壁与支护体结构内爆破振动与损伤度D的内在关联。研究周期性爆破振动下，冻结壁和支护结构的累积损伤规律，建立累积损伤Di与爆破振动的关系。研究装药量、装药结构和延迟时间对冻结壁、支护结构的累积损伤Di的影响规律。

随着凿井技术的进步和对施工速度的要求越来越高，深孔爆破技术在立井掘进中得以广泛应用。爆破时的炮孔深度达到4-6m，炸药的单孔药量和总装药量都大大增加。爆破动载对井壁的直接损伤效应和累积损伤效应都势必增强，造成井壁结构耐久性降低甚至直接破坏。此外，钻爆法施工段和冻结段有重合，这一方面增加了爆破动载直接破坏冻结壁或冻结管，造成井筒透水的风险。课题对冻结立井深孔爆破井壁动态响应进行现场监测，采集振动信号并进行频谱能量特征分析，并依据现场监测结果，通过数值模拟、实验室试验反等演手段，研究井壁动态响应及损伤规律。研究成果如下：（1）对营盘壕煤矿主井井筒凿井过程中的井壁爆破振动进行现场监测，振动信号分析发现：立井爆破分形盒维数值介于1.40-1.70之间，分形维数在方向上有显著差异，竖向分量的分形盒维数值较其他两向相对较小，说明信号竖向分量频率偏低，相应的振动幅值大，周期长。（2）在爆心距15m范围内，爆破振动波形相对复杂，爆破振动对井壁结构产生很强的拉应力，对井壁结构的影响最为明显。（3）根据爆破振动信号小波包频带能量分布算法，得到爆破振动信号的能量分布规律：所有振动信号200Hz以内频带的能量占总能量的90%以上，随着爆心距的加大，爆破低频段能量百分比趋势有所降低。其中：0-60Hz范围内，能量百分比整体上大于80%。（4）动荷载对混凝土的损伤效应与受振时的龄期有明显的相关性，在混凝土终凝之前的振动荷载，对混凝土的最终抗压强度影响很小；在终凝之后至1d的龄期范围内，混凝土受振损伤效应较为明显。（5）将数值模拟结果和试验结果尽心对照，发现模拟结果中频率≤60Hz的能量占总能量的80%-85%，曲线震荡较小，具有较好的一致性；将等效弹性边界引入到立井爆破振动预测中，可以有效的预测不同的爆炸能量在井壁产生的振动作用，这对有效降低爆破振动的破坏作用具有重要意义。