CN112364489A - 一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，包括：设计爆破参数；钻孔及爆破前声波测试：爆破筒安装，设置爆破振动监测点并安装速度/加速度传感器；起爆，速度/加速度传感器采集该爆破振动监测点的爆破振动速度；检查、回收爆破筒，再次进行声波测试；根据爆破后和爆破后的声波波率，判断基岩声波波速降低是否在允许范围内、以及爆破振动速度是否满足要求；若两个均满足要求则继续施工，若不满足要求则修改爆破设计参数。本发明提供了对基岩损伤和爆破振动有控制要求的特殊环境作业下二氧化碳爆破施工工艺中的参数设计(如爆破筒型号、爆孔间距)方法，明显降低了基岩损伤和爆破振动，在效率和降低副作用上达到了平衡。

Description

一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法
技术领域
本发明涉及岩体爆破技术领域，特别是一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法。
背景技术
二氧化碳爆破是利用一定压力和温度下的液态二氧化碳(当温度超过31.1℃且压力超过7.38MPa，二氧化碳变为超临界状态)通过发热管快速加热使其快速膨胀，产生强大物理压力，从而达到破岩的效果。相比炸药爆破，二氧化碳爆破威力小、作用时间长，在爆破过程中不会产生短波，对周围环境影响小，该技术的应用越来越广泛，二氧化碳爆破技术已经越来越多地应用于隧(巷)道掘进、煤层增透、地铁站基坑开挖等领域。然而，目前二氧化碳爆破技术在实际运用中的难点和关键施工工艺仍旧无法攻克，在不同作业环境下的关键参数的设计缺乏可参照的标准和可借鉴的经验。许多工程对基岩损伤、爆破振动的控制非常严格，而目前关于二氧化碳爆破损伤、振动控制方面的报道还比较少。
中国发明专利“路基石方二氧化碳静态爆破施工方法”(申请号201810724873.5)、“一种用于隧道的二氧化碳爆破方法”(申请号202010020402.3)、“一种地铁车站人工挖孔桩二氧化碳爆破的施工方法”(申请号201710236496.6)、“智能二氧化碳爆破工艺方法”(申请号201610791383.8)分别提出了二氧化碳爆破在不同施工环境下的操作流程，然而都没有涉及到爆破损伤、振动控制。发明专利“一种超临界CO2相变脉冲下岩体冲击致裂损伤测试方法”(申请号201910724139.3)，提出了爆破损伤测试的方法，但没有指出在施工过程中如何控制损伤及振动效应。
水电、核电等许多工程对基岩损伤控制的要求非常严格，如何合理设计二氧化碳爆破参数，同时控制损伤、振动是一个重要的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，以解决上述技术背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，包括以下步骤：
步骤一、设计爆破参数；
依据岩石强度选取爆破筒型号，并根据公式(1)计算爆孔间距：
Figure BDA0002745573590000021
式中，ad表示应力波作用下产生裂纹的长度；as表示气体准静态作用下裂纹进一步扩展的长度；a为爆孔间距；dd为爆孔直径；ν为岩石泊松比；p为二氧化碳爆破筒的设计压力，λ为孔壁冲击压力与爆破筒设计压力之比，取0.3～0.6；α是应力波衰减系数，取1.8；σt是岩石的抗拉强度；V0是二氧化碳充装体积，V是爆孔与爆破筒之间空隙的体积；γ是二氧化碳的绝热指数，取1.3；
步骤二、钻孔、声波测试：
选择与爆孔对应尺寸冲击器，在工作面上布设爆孔，选择其中几个爆孔兼做声波孔，声波孔深度比爆孔深3m；爆破前进行声波试验得到基岩爆破前声波波速值，然后将声波孔孔底超深部分填塞至爆孔设计标高；
步骤三、爆破筒安装、并设置爆破振动监测点；
爆破筒充装好体积为V0的液态二氧化碳后，依次连接起爆线路，经查起爆路线完好后，将爆破筒装入爆孔中；并将垂直于爆孔连线方向不同距离处作为爆破振动监测点分别安装速度/加速度传感器；
步骤四、将起爆线路连接到起爆器，起爆；设置在爆破振动监测点的速度/加速度传感器采集该爆破振动监测点的爆破振动速度；
步骤五、检查、回收爆破筒，再次进行声波测试；
步骤六、根据步骤二和步骤五测得的声波波率，判断基岩声波波速降低是否在允许范围内，以及根据步骤四中速度/加速度传感器采集爆破振动速度是否满足要求；若两个条件均满足要求则继续施工，若任一条件或两个条件不满足要求则修改爆破设计参数。
上述技术方案中，步骤二中，爆孔抵抗线W＝L，爆孔深度l＝L，其中，L为爆破筒长度。
上述技术方案中，所述爆破筒充气、安装的具体过程为：爆破筒装入加热棒、定压片、密封圈，然后将端头密封头旋紧，依次将爆破筒有序排放到充装架上，按照爆破筒的填充量要求填充液态二氧化碳，将充装好的爆破筒运至爆破孔后依次连接起爆线路，经查起爆路线完好后，人工将爆破筒装入爆孔中；爆破筒装好后，采用膨胀水泥堵住爆孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过对石方二氧化碳爆破施工方法的反复论证、总结和分析，确定了对基岩损伤和爆破振动有控制要求的特殊环境作业下二氧化碳爆破施工工艺中的参数设计方法，如爆破筒型号、爆孔间距，明显降低了基岩损伤和爆破振动，在效率和降低副作用上达到了平衡。
附图说明
图1是本发明中爆孔中心连线上裂纹形成示意图；
图2是钻孔示意图；
图3是振动监测点布置示意图；
图4a是爆前和爆后的基岩声波波速变化图。
图4b是爆前和爆后的基岩声波波速变化率图。
图5是不同监测点处的振动峰值速度。
图1中，ad表示应力波作用下产生裂纹的长度；as表示气体准静态作用下裂纹进一步扩展的长度；a为爆孔间距；AB和CD均表示爆孔连心线上的裂纹，BC表示气体准静态作用下进一步扩展的裂纹；
图2中，M表示普通爆孔，N表示兼做声波孔的爆孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的目的在于提供一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，确定了在特殊环境下二氧化碳爆破施工工艺中的一些关键参数，该方法相比炸药爆破更安全、环保、可控，相比机械破岩更加高效，同时能够满足基岩损伤、爆破振动方面的控制要求。
本发明提供了一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，具体步骤如下：
(1)设计爆破参数
依据岩石强度选取爆破筒型号，并根据公式(1)计算爆孔间距：
Figure BDA0002745573590000041
式中，ad表示应力波作用下产生裂纹的长度；as表示气体准静态作用下裂纹进一步扩展的长度；a为爆孔间距；dd为爆孔直径；ν为岩石泊松比；p为二氧化碳爆破筒的设计压力，λ为孔壁冲击压力与爆破筒设计压力之比，取0.3～0.6；α是应力波衰减系数，取1.8；σt是岩石的抗拉强度；V0是二氧化碳充装体积，V是爆孔与爆破筒之间空隙的体积；γ是二氧化碳的绝热指数，取1.3；
本发明中，公式(1)的推导过程如下：
设计压力为p的爆破筒，作用在孔壁上的冲击压力通常小于p，通常取λP。在爆心距为r处，径向压力衰减为
σr＝λP(rb/r)α (2)
式(2)中，rb＝db/2为爆孔半径。
与之对应的环向拉应力为
Figure BDA0002745573590000042
根据拉伸破坏准则，令σθ＝σt，得到致裂距离为：
Figure BDA0002745573590000043
则应力波作用产生的裂纹长度为
Figure BDA0002745573590000044
应力波产生的裂纹会在爆生气体准静态作用下进一步扩展。根据理想气体状态方程，二氧化碳从爆破筒释放到充满整个爆孔，压力衰减为
Figure BDA0002745573590000051
根据王文龙《钻眼爆破》中的计算方法，得气体准静态致裂长度为
Figure BDA0002745573590000052
使裂纹能够贯通，则必须满足
a＜ad+as (8)
(2)钻孔、声波测试
选择与爆孔对应尺寸冲击器，在工作面(在未形成台阶面之前采用挖掘机液压破碎锤清出台阶面)上布设爆孔，抵抗线W＝L，爆孔深度l＝L，其中，L为爆破筒长度；选择4个爆孔兼做声波孔(如图2中M表示兼做声波孔的爆孔)，其深度比其他爆孔(如图2中N表示普通爆孔)深3m，如图2所示。
爆破前进行声波试验，深度每间隔20cm进行声波测试得到不同深度下基岩爆破前声波波速值；然后将声波孔孔底超深部分填塞至普通爆孔设计标高。
(3)致裂管充气、装管
致裂管(即爆破筒)装入加热棒、定压片、密封圈，然后将端头密封头旋紧，依次将致裂管有序排放到充装架上，按照致裂管的填充量要求填充液态二氧化碳，将充装好的致裂管运至爆破孔后依次连接起爆线路，经查起爆路线完好后，人工装管；致裂管装好后，采用膨胀水泥堵孔。
(4)设置振动监测点、安装速度/加速度传感器
在垂直于爆孔连线方向不同距离处安装速度/加速度传感器，如图3所示，靠近爆孔连线方向的多个振动监测点设置2m间距，离爆孔连线方向较远的多个振动监测点设置3m间距。
(5)安全警戒、爆破，并监测爆破振动速度
起爆安全距离控制为40m，起爆时将人员、设备撤至安全距离以外，将起爆线路连接到起爆器；起爆；设置在垂直于爆孔连线方向不同距离处的速度/加速度传感器采集爆破振动速度(包括水平径向、水平切向和垂直向的振动速度)；
(6)检查、回收爆破筒。
(7)再次进行声波测试。
(8)根据步骤(2)和步骤(7)测得的声波波率，判断基岩声波波速降低是否在允许范围内，以及根据步骤(5)中速度/加速度传感器采集爆破振动速度是否满足要求；若两个条件均满足要求则继续施工，若任一条件或两个条件不满足要求则修改爆破设计参数。
应用实施例
在某核电站石方开挖中采用了二氧化碳爆破进行施工，以微风化凝灰岩为例，其泊松比为0.16，抗拉强度为10.9MPa。采用100型号爆破筒，由定压剪切片控制的设计压力为276MPa，内径0.063m，内部空间体积为0.00419m3。根据式(1)初步确定爆孔间距为2m。
Figure BDA0002745573590000061
式中，ad表示应力波作用下产生裂纹的长度；as表示气体准静态作用下裂纹进一步扩展的长度，如图1所示；a为爆孔间距；dd为爆孔直径；ν为岩石泊松比；p为二氧化碳爆破筒的设计压力，λ为孔壁冲击压力与爆破筒设计压力之比，取0.3～0.6；α是应力波衰减系数，取1.8；σt是岩石的抗拉强度；V0是二氧化碳充装体积，V是爆孔与爆破筒之间空隙的体积；γ是二氧化碳的绝热指数，取1.3；
选择与爆孔对应尺寸直径为110mm冲击器，在工作面(在未形成台阶面前采用挖掘机液压破碎锤清出台阶面)上布设爆孔，抵抗线W＝L；爆孔深度l＝L＝1.6m，L为爆破筒长度＝1.6m；选择4个爆孔兼做声波孔，其深度比其他爆孔深3m，如图2所示。
爆破前进行声波试验，每间隔20cm进行声波测试得到基岩爆破前声波波速值，然后将声波孔孔底超深部分填塞至普通爆孔设计标高。
致裂管(即爆破筒)装入加热棒、定压片、密封圈，然后将端头密封头旋紧，依次将致裂管有序排放到充装架上，按照致裂管的填充量要求填充液态二氧化碳，将充装好的致裂管运至爆破孔后依次连接起爆线路，经查起爆路线完好后，人工装管；致裂管装好后，采用膨胀水泥堵孔。
在垂直于爆孔连线方向不同距离处(4m、6m、8m、10m、12m、14m、17m、20m和23m)安装速度/加速度传感器，如图3所示。
起爆前将人员、设备撤至安全距离(40m)以外，将起爆线路连接到起爆器，起爆；设置在垂直于爆孔连线方向不同距离处的速度/加速度传感器采集爆破振动速度；
检查、回收爆破筒，然后再次进行声波测试。爆破前后基岩的声波波速变化如图4所示，若以η＝10％为损伤控制标准，则损伤深度在0.5m以内，能满足损伤控制的要求。不同距离处的爆破振动峰值如图5所示，可见13m以外振动速度极小，对环境的影响可忽略。
假如爆破后基岩的损伤深度较大(>1m)或者振动速度不满足要求(15m以外振动速度较大)，则可在式(1)范围内修改爆破参数。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设计爆破参数；
依据岩石强度选取爆破筒型号，并根据公式(1)计算爆孔间距：
Figure FDA0002745573580000011
式中，ad表示应力波作用下产生裂纹的长度；as表示气体准静态作用下裂纹进一步扩展的长度；a为爆孔间距；dd为爆孔直径；ν为岩石泊松比；p为二氧化碳爆破筒的设计压力，λ为孔壁冲击压力与爆破筒设计压力之比，取0.3～0.6；α是应力波衰减系数，取1.8；σt是岩石的抗拉强度；V0是二氧化碳充装体积，V是爆孔与爆破筒之间空隙的体积；γ是二氧化碳的绝热指数，取1.3；
步骤二、钻孔、声波测试：
选择与爆孔对应尺寸冲击器，在工作面上布设爆孔，选择其中几个爆孔兼做声波孔，声波孔深度比爆孔深3m；爆破前进行声波试验得到基岩爆破前声波波速值，然后将声波孔孔底超深部分填塞至爆孔设计标高；
步骤三、爆破筒安装、并设置爆破振动监测点；
爆破筒充装好体积为V0的液态二氧化碳后，依次连接起爆线路，经查起爆路线完好后，将爆破筒装入爆孔中；并将垂直于爆孔连线方向不同距离处作为爆破振动监测点分别安装速度/加速度传感器；
步骤四、将起爆线路连接到起爆器，起爆；设置在爆破振动监测点的速度/加速度传感器采集该爆破振动监测点的爆破振动速度；
步骤五、检查、回收爆破筒，再次进行声波测试；
步骤六、根据步骤二和步骤五测得的声波波率，判断基岩声波波速降低是否在允许范围内，以及根据步骤四中速度/加速度传感器采集爆破振动速度是否满足要求；若两个条件均满足要求则继续施工，若任一条件或两个条件不满足要求则修改爆破设计参数。
2.根据权利要求1所述的一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，其特征在于，步骤二中，爆孔抵抗线W＝L，爆孔深度l＝L，其中，L为爆破筒长度。
3.根据权利要求1所述的一种控制基岩损伤和振动效应的二氧化碳爆破施工方法，其特征在于，所述爆破筒充气、安装的具体过程为：爆破筒装入加热棒、定压片、密封圈，然后将端头密封头旋紧，依次将爆破筒有序排放到充装架上，按照爆破筒的填充量要求填充液态二氧化碳，将充装好的爆破筒运至爆破孔后依次连接起爆线路，经查起爆路线完好后，人工将爆破筒装入爆孔中；爆破筒装好后，采用膨胀水泥堵住爆孔。
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