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《中南大学》 2006年 博士论文
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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

林大能  
【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。


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