CN116947380A - 一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用，该吸波材料包括：水泥、硅灰、水、发泡剂和聚丙烯纤维，其中，所述水泥、硅灰和水的质量比为：1：0.8～1：0.4～0.6；所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.6％～1％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.5％～1％。该吸波材料具有较低波阻抗，能够对应力波有效削弱，该吸波材料应用至围岩体中，能够大大降低爆破扰动。

Description

一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及吸波材料领域，尤其涉及一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着矿产资源、引水隧洞、交通隧道等工程开发深度(埋深)的增加，施工过程中岩爆灾害频发，已成为制约工程安全、经济性和高效率发展的瓶颈。深部工程硬质岩石，在强开挖及扰动下岩体易产生应力集中问题。在爆破振动的扰动下，临界状态的岩体极易触发形成岩爆灾害。岩爆既可分为即时型和时滞型分类，也可分为自发型和触发型。深部工程高脆性岩体常处于高应力及扰动环境，在不同应力水平及强弱组合下，存在不同的诱导致灾路径。经过高静应力下低频扰动试验发现，周期性扰动可以激活及加速岩石损伤，进而导致破裂。切向弱动力扰动触发岩爆的机理可以概括为弱动力扰动激活裂纹、驱动裂纹的动态扩展和诱导岩石储存应变能的释放。进一步基于现场监测数据，分析扰动型岩爆的孕育过程，确定应力波在岩爆孕育过程的作用。
通过适当措施可控制高应力岩石破坏路径为裂纹拓展而非弹射，从而避免岩爆的发生。为消除应力波影响，可通过对爆破区域与相关结构之间设置的隔离系统，如隔离沟和排桩、减振孔等。减振孔可有效降低爆破振动对周围建筑的影响，振速衰减比例均值达到35.4％。使用开放或填充的沟槽屏障也可以显著降低结构的振动和由此产生的内力。支护系统中的锚杆、注浆可以深入到岩石内部，实现对围岩的加固。可以考虑将吸波材料引入到围岩-支护系统中，实现对应力波的有效削弱。
泡沫材料对冲击波的衰减表现为反射、耗散等力学特性，经过试验，开式泡沫对冲击波的衰减效果比闭式泡沫稍好。在抵抗爆破冲击方面，泡沫水泥基材料作为隧道衬砌结构的牺牲包层，可提供爆破缓冲效果。本发明通过不断地试验探索，最终获得可用于工程的吸波材料锚固材料。
发明内容
本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
本发明的一个目的在于提出一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料，包括：
水泥、硅灰、水、发泡剂和聚丙烯纤维，其中，所述水泥、硅灰和水的质量比为：1：0.8～1：0.4～0.6；所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.6％～1％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.5％～1％。
另外，根据本发明的用于防控时滞型岩爆的吸波材料，还可以具有如下技术特征：
在本发明的一个示例中，所述水泥、硅灰和水的质量比为：1:1:0.4；所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.8％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.75％。
在本发明的一个示例中，所述聚丙烯纤维的粒径为6mm～12mm。
在本发明的一个示例中，所述聚丙烯纤维的粒径为12mm。
在本发明的一个示例中，所述发泡剂为K12发泡剂。
本发明的另一个目的在于提出一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料的制备方法，包括如下步骤：
S10：提供水泥、硅灰、水、发泡剂和聚丙烯纤维；
S20：将水泥、硅灰、水按照质量比为：1：0.8～1：0.4～0.6调配成混凝土；
S30：将发泡剂加入水中，并向水中添加硅土和聚丙烯纤维并搅拌使之溶解；其中，所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.6％～1％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.5％～1％；
S40：将S30中充分搅拌的混合液添加至步骤S20中的混凝土中继续搅拌，在搅拌均匀后倒入模具并振动、养护。
在本发明的一个示例中，在步骤S30中，将发泡剂加入20℃水中，并向水中添加硅土和聚丙烯纤维，搅拌3mi n～5mi n。
在本发明的一个示例中，将S30中充分搅拌的混合液添加至步骤S20中的混凝土中继续搅拌，在搅拌3mi n后均匀后倒入模具并振动、养护。
本发明的再一个目的在于提出一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料在围岩中的应用，其特征在于，选取围岩中的中空注浆锚杆，将吸波材料经由中空注浆锚杆注入炮孔内，使得吸波材料扩散至围岩的裂隙中。
在本发明的一个示例中，将吸波材料经由中空注浆锚杆注入炮孔内还包括:将炮孔进行密封加压至2Mpa～10Mpa。
下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
图1为根据本发明实施例的用于防控时滞型岩爆的吸波材料的制备方法的流程图；
图2是爆破后1号点吸波支护与4号点常规支护的典型波形对比图的X方向振动波图；
图3是爆破后1号点吸波支护与4号点常规支护的典型波形对比图的Y方向振动波图；
图4是爆破后1号点吸波支护与4号点常规支护的典型波形对比图的Z方向振动波图。
具体实施方式
为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
根据本发明第一方面的一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料，包括：
水泥、硅灰、水、发泡剂和聚丙烯纤维，其中，所述水泥、硅灰和水的质量比为：1：0.8～1：0.4～0.6；所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.6％～1％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.5％～1％。
该吸波材料具有较低波阻抗，能够对应力波有效削弱，该吸波材料应用至围岩体中，能够大大降低爆破扰动。吸波材料在岩体内的形状可以设计为放射状形式，从而对应力波起到阻拦效果。可将吸波材料注入钻孔中通过加压扩散为帷幕，从而与吸波锚杆组成“蹼形”吸波层，进一步与表面的喷射混凝土一起构建三维吸波支护系统。
在本发明的一个示例中，所述水泥、硅灰和水的质量比为：1:1:0.4；所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.8％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.75％。在一定范围内水泥质量比越高，吸波强度越高。在一定范围聚丙烯纤维占比越高，吸波材料强度越高，韧性越强。通过优化配比，可以制备出强度20MPa以上的较低波阻抗的吸波材料。
在本发明的一个示例中，所述聚丙烯纤维的粒径为6mm～12mm；通过选择粒径为6mm～12mm的聚丙烯纤维可以使得增强混凝土的抗裂性能和提高耐久性，即聚丙烯纤维可以使得混凝土的受力性能更加均匀,可以有效地防止裂缝的产生和扩大,从而提高混凝土的使用寿命；聚丙烯纤维可以使得混凝土受力均匀,不易产生表面剥落、龟裂、开裂等现象,有效提高了混凝土的耐久性。
在本发明的一个示例中，所述聚丙烯纤维的粒径为12mm。
在本发明的一个示例中，所述发泡剂为K12发泡剂；K12发泡剂具有轻质性和抗压性，可减轻承载力、增大抗压强度。
根据本发明第二方面的一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
S10：提供水泥、硅灰、水、发泡剂和聚丙烯纤维；
S20：将水泥、硅灰、水按照质量比为：1：0.8～1：0.4～0.6调配成混凝土；
S30：将发泡剂加入水中，并向水中添加硅土和聚丙烯纤维并搅拌使之溶解；其中，所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.6％～1％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.5％～1％；
S40：将S30中充分搅拌的混合液添加至步骤S20中的混凝土中继续搅拌，在搅拌均匀后倒入模具并振动、养护。
该制备方法通过高强度砂浆降低波阻抗、低波阻抗砂浆提高强度两条路径寻找最优性能材料，制备出强度20MPa以上的较低波阻抗的吸波材料，吸波材料能够大幅度削弱应力波，能大幅度降低爆破扰动。在应力波作用下吸波材料内部裂隙可以不断萌生，完整的多孔结构之间发生裂隙贯通，进而阻断应力波传播。由于吸波材料对应力波的阻抗效应和损耗机制，应力波幅(能量)在透射后得到大幅衰减。
在本发明的一个示例中，在步骤S30中，将发泡剂加入20℃水中，并向水中添加硅土和聚丙烯纤维，搅拌3min～5min，这样获得更加均匀的混合液。
在本发明的一个示例中，将S30中充分搅拌的混合液添加至步骤S20中的混凝土中继续搅拌，在搅拌3min后均匀后倒入模具并振动、养护，这样吸波材料的吸波效果更好。
根据本发明第三方面的一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料在围岩中的应用，选取围岩中的中空注浆锚杆，将吸波材料经由中空注浆锚杆注入炮孔内，使得吸波材料扩散至围岩的裂隙中。
通过高强度砂浆降低波阻抗、低波阻抗砂浆提高强度两条路径寻找最优性能材料，制备出强度20MPa以上的较低波阻抗的吸波材料，在深埋硬岩隧道中，应力波通过吸波支护系统后得到大幅度削弱。将爆破振动监测设备布置在围岩体内部，获取岩体中的三维质点振动速度，对比分析应力波通过不同类型支护后的质点振动峰值，吸波支护较常规支护能大幅度降低爆破扰动。
在本发明的一个示例中，将吸波材料经由中空注浆锚杆注入炮孔内还包括:将炮孔进行密封加压至2Mpa～10Mpa。
具体案例
某深埋铁路隧道位于中国西南地区高原地区，地处于亚欧板块和印度洋板块交汇地带，穿越活动断裂。该隧道沿峡谷布设，最大埋深约2080m，主要岩性为坚硬花岗岩。主隧道跨度7.6m，高度8.6m，并采用钻爆法施工、全断面开挖及双向施工模式。隧道地应力高，开挖扰动大，岩爆灾害频发，根据岩石单轴强度、最大主应力及最大切向应力，预测岩爆段12km，占全隧道90％以上。隧道接连遭遇不同等级的岩爆冲击破坏，并以中等级为主。
钻爆设计方案中，循环进尺设计3m，炮眼直径为42mm，炮孔主要包括掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼等，其中掏槽眼在起拱线下部，距起拱线高度为50cm，掏槽眼炮孔距隧中80-173cm，共计26个。依次向外设置辅助眼、周边眼、底板眼，周边眼间距控制在40-45cm，根据围岩软硬程度不同，将爆破层厚度控制在1m左右。采用药卷，无水段采用RJ-2#岩石硝铵炸药，有水段采用RJ-2#岩石乳化炸药，并在炮孔口处使用炮泥堵塞以免漏气。爆破网络采用1-21奇数段非电毫秒连接，用电雷管起爆，掏槽眼使用1段，首先起爆，依次辅助眼、周边眼、底眼起爆。根据前几个循环爆破情况，适时调整炮孔数量、布局及装药量，当周边轮廓超欠挖不大、轮廓较圆顺时，视为最佳爆破效果，收集此爆破循环的爆破参数，即定为最佳爆破参数。最大装药量源于1-5段的掏槽，炸药量约75.6kg。爆破振动监测系统，包含爆破振动传感器和采集仪器等。单机采集次数：2～2048次；触发方式：智能触发；采样率：200kps；可采集振动信号频率：0～20kHz；输入信号带宽：0～40KHz；读数精度：误差小于±0.05％；A/D分辨率：16B it；信噪比：≧86dB。
试验方案中，监测吸波支护爆破振动传播，并将锚杆支护及振动传感器布置在距离掌子面一定距离的(79.5m)断面上。支护为支护设计常用的梅花形布置。锚杆施工后，当天安装爆破振动传感器，布置在监测断面，即设备硐室洞壁上，用于接收爆破振动波。每次试验结束后，统计爆破振动数据，进行爆破效果与支护效果的分析评价。
应力波是岩体传播过程中频率及类型复杂多变的波，通常将远离爆破区域的应力波称为振动波。监测某一区域质点振动速度的变化，可以反映应力波经过此处时的扰动特征。这里通过爆破振动装置来获取质点振动速度，并选取有代表性的振动波波幅指标来反映其特征。
为对比吸波效果，参照公式(1)，振动波波幅降低率为应力波经过吸波锚杆及常规锚杆后的质点振动速度波峰变化的比值。
其中R为吸波锚杆相对常规锚杆的振动波扰动降低率；P4为常规锚杆正后方一定距离断面振动速度峰值；Pn为吸波锚杆后方一定距离断面的振动速度峰值。
统计施工后第一天采集的监测数据，列入表1，对比吸波锚杆支护与常规锚杆支护，在爆破振动波作用下，在质点振动速度三个方向的波幅值降低均值为30％，最高可达71％。典型的质点振动速度波形如图2、图3和图4所示，两种波的波形近似，但吸波锚杆后的质点振动速度峰值明显低于常规锚杆。统计施工后第二天采集的监测数据，列入表2。经过对比，在吸波锚杆支护的调控下，振动波幅值降低均值为27％，最高可达53％。因此，吸波锚杆相比于常规锚杆可以大幅度削弱应力波的传播，降低其扰动影响。
表1施工第一天后爆破振动幅值及吸波效果对比
表2施工第二天后爆破振动值及吸波效果对比
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料，其特征在于，包括：
水泥、硅灰、水、发泡剂和聚丙烯纤维，其中，所述水泥、硅灰和水的质量比为：1：0.8～1：0.4～0.6；所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.6％～1％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.5％～1％。
2.根据权利要求1所述的用于防控时滞型岩爆的吸波材料，其特征在于，
所述水泥、硅灰和水的质量比为：1:1:0.4；所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.8％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.75％。
3.根据权利要求1所述的用于防控时滞型岩爆的吸波材料，其特征在于，
所述聚丙烯纤维的粒径为6mm～12mm。
4.根据权利要求1所述的用于防控时滞型岩爆的吸波材料，其特征在于，
所述聚丙烯纤维的粒径为12mm。
5.根据权利要求1所述的用于防控时滞型岩爆的吸波材料，其特征在于，
所述发泡剂为K12发泡剂。
6.一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：提供水泥、硅灰、水、发泡剂和聚丙烯纤维；
S20：将水泥、硅灰、水按照质量比为：1：0.8～1：0.4～0.6调配成混凝土；
S30：将发泡剂加入水中，并向水中添加硅土和聚丙烯纤维并搅拌使之溶解；其中，所述发泡剂的添加比例为所述水泥质量的0.6％～1％；所述聚丙烯纤维的添加比例为水泥质量的0.5％～1％；
S40：将S30中充分搅拌的混合液添加至步骤S20中的混凝土中继续搅拌，在搅拌均匀后倒入模具并振动、养护。
7.根据权利要求6所述的用于防控时滞型岩爆的吸波材料的制备方法，其特征在于，
在步骤S30中，将发泡剂加入20℃水中，并向水中添加硅土和聚丙烯纤维，搅拌3min～5min。
8.根据权利要求6所述的用于防控时滞型岩爆的吸波材料的制备方法，其特征在于，
将S30中充分搅拌的混合液添加至步骤S20中的混凝土中继续搅拌，在搅拌3min后均匀后倒入模具并振动、养护。
9.一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料在围岩中的应用，其特征在于，选取围岩中的中空注浆锚杆，将吸波材料经由中空注浆锚杆注入炮孔内，使得吸波材料扩散至围岩的裂隙中。
10.根据权利要求9所述的用于防控时滞型岩爆的吸波材料在围岩中的应用，其特征在于，
将吸波材料经由中空注浆锚杆注入炮孔内还包括:将炮孔进行密封加压至2Mpa～10Mpa。
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