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高地应力隧道卸压控制爆破的参数研究

苏波  
【摘要】:随着交通建设和深部能源开采的高速发展,高地应力条件下隧道的围岩稳定性问题成了地下工程中必须控制的关键点。在大规模开挖强卸荷作用下,深埋高地应力隧道易出现高烈度岩爆等深部工程灾害,造成的人员伤亡、工期延误与经济损失。本文利用前人研究所得,从岩爆灾害研究历史、爆破卸压应力预释放控制技术历史出发,总结了现有研究的不足,利用卸压控制爆破技术来解决高地应力深埋隧道带来的岩爆等工程灾害问题。论文介绍了拟试验隧道的工程地质情况,重点介绍了隧道工区的地形地貌、地层岩性、地质构造、地震及基本烈度以及水文条件。简述了卸压爆破机理以及种类的划分,分析了岩石爆破破碎机理,论述了岩石在炸药作用下的破碎过程,研究了卸压爆破影响区域的控制,确定了爆破粉碎区、破裂区、振动区的半径,为卸压爆破方案的参数选取提供了一定的依据。根据利文斯顿爆破漏斗理论,综合利用岩体力学理论、爆破动力学原理以及隧道围岩支护理论,考虑为保证隧道围岩稳定、防止裂隙贯通自由面而设置的副承载圈厚度,确定了爆破卸压的装药深度范围。以爆生裂隙贯通卸压区域为理想爆破效果,计算卸压爆破单孔装药量、卸压炮孔的间排距范围值。以控制卸压爆破破碎区域为出发点,确定了卸压炮孔的装药结构、堵塞长度以及装药的不耦合系数的合理范围。根据所得的参数取值范围,以爆破位置、炮孔数量以及炮孔与岩壁夹角为变量的四种爆破卸压方案:掌子面垂直卸压爆破孔方案;掌子面带角度卸压爆破孔方案;围岩带角度卸压爆破孔方案;围岩应力预释放爆破平行孔方案。利用Ansys/LS-DYNA动力有限元软件建立仿真数值模型,模拟计算了高地应力环境下,以上四种爆破方案卸压效果。根据模拟的爆破卸压区域位置、范围以及相应隧道最大变形量、隧道各位置的位移矢量和,分析卸压爆破前后变化,比对各方案的优劣。通过数值模拟研究表明,与进行卸压爆破前相比,卸压后隧道变形与内力均出现不同程度的降低:隧道围岩应力与卸压前相比,降比分别为29.2%、32.8%、72.6%、69.2%;初期支护y方向位移与卸压前相比,降比分别为29.15%、29.79%、63.03%、50.84%;隧道初期支护结构轴力最大值与卸压前相比,降比分别为40.65%、51.61%、73.10%、58.06%。说明爆破卸压取得了一定的应力转移的效果,爆破卸压技术在高地应力隧道的应用具有一定的可操作性,能够在一定程度上保证深埋隧道的安全与稳定,防止岩爆等工程灾害的出现。在卸压炮孔直径、炮孔深度、炮孔间排距等爆破参数一定的情况下,围岩的破碎程度以及卸压效果与装药量、装药位置有关,在安全装药范围内,装药量越大,围岩破碎程度越大,爆破位置越靠近卸压区域,卸压效果越好;不同的卸压爆破方案,将产生不同的卸压效果,将炮孔布置于已开挖围岩的卸压效果优于将炮孔布置于掌子面,炮孔沿铅垂方向布置更有利于卸压松动圈的形成,其卸压效果优于沿水平布置。本文的研究成果对于理论研究发展较缓慢、且一般应用于小断面的采矿巷道的卸压爆破围岩支护技术具有一定的参考价值以及工程现实意义。


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