新型致裂管液态CO2相变破岩机理研究

作     者：倪洲 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申永江;石磊

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：CO2膨胀爆破 新型致裂管 岩体损伤 爆破能量 临空面 

摘      要：随着社会发展,临近公路及建构物的爆破施工越来越多,传统炸药爆破的使用受到限制,而液态CO膨胀爆破技术具有无飞石、低振动、无有毒有害气体及低粉尘等优势,得到了广泛应用。目前,工程上提出了一种更安全实用的新型液态CO致裂管,但采用新型致裂管爆破时的破岩效果及爆破振动信号特征的研究还不够成熟。因此,针对该新型致裂管爆破技术进行研究具有重要的工程应用价值。本文以某露天花岗岩爆破工程为背景,开展了现场爆破试验和数值模拟研究,揭示了液态CO相变露天破岩机理。具体研究成果如下:(1)通过在花岗岩地层开展使用新型致裂管的露天爆破现场试验,揭示了爆区岩体的破坏形式和裂缝发展规律。结果表明:爆区岩体主裂缝基本与临空面平行,裂缝发展路径受爆区边界条件的影响,在已爆区域侧裂缝会向临空面发展;此外,临空面角度会影响岩体垮落区域的分布,岩体垮落区域位于临空面的交界处且垮落范围会随临空面内侧夹角的增加而缩小。(2)基于现场实测信号,提出了适用于露天液态CO膨胀爆破信号的分析方法,并获得了破岩信号的振速、频率和能量特征。VMD算法能够成功去除露天液态CO膨胀爆破信号的趋势项;小波阈值降噪算法及CEEMD低通滤波降噪算法对信号的去噪效果最好。去噪后发现:在爆区3.5 m范围内,岩体质点峰值振速随爆心距增加呈线性衰减规律;大部分工况爆破后的主振频率在50 Hz以下,但也存在主振频率位于100 Hz以上的情形;爆破能量主要位于0-31.25Hz的频段内,且能量会向已爆区域耗散,靠近已爆区域的爆破能量会小于远离已爆区域的爆破能量。(3)基于现场试验的孔网参数建立了数值计算模型,揭示了临空面数量和夹角对露天液态CO膨胀爆破的影响规律,并提出了炮孔距前侧临空面的最优距离。发现岩体损伤范围随临空面数量的增多而增大;侧向临空面与前侧临空面的内侧夹角越大(80°-135°),侧向临空面岩体的损伤范围越小且动力响应越弱;随前侧临空面间内侧夹角的增大(120°-270°),岩体损伤范围及动力响应呈现出先增大后减少的规律,在190°时达到最大损伤范围,在270°时损伤会明显向前侧临空面的交界处发育;临空面与地表的交界点会出现振速放大效应;此外,提出了炮孔距前侧临空面的最优距离为50 cm。图73幅,表16个,参考文献148篇