于建新,郭 敏,高帥杰,王 曉,董保立
(1.河南理工大學 土木工程學院,河南 焦作 454000;2.河南迅達爆破有限公司,河南 焦作 454000)
借鑒立井凍結基巖爆破的成功經驗,深部立井凍結黏土爆破施工在礦井建設中逐步使用。 凍結黏土爆破主要面臨2 個問題:①凍結黏土的密實堅硬程度不如巖石,導致土體爆破效率低。 ②凍土爆破裝藥量要合理的控制,防止造成凍結管和立井井壁的損傷。 關于凍土爆破的研究,早期主要研究青藏高寒區(qū)的凍土爆破,張俊兵等[1]依托青藏高原多年凍土區(qū)進行了凍土爆破漏斗試驗,確定了高含冰量凍土的爆破參數。 隨著人工凍結法的應用,宗琦等[2]最早提出一種寬孔距崩落技術,該技術主要控制炮眼密集系數來提高爆破掘進效率。 文獻[3-4]根據理論研究與現場試驗,總結了多年凍土和季節(jié)凍土的爆破方法。 李志敏等[5]探究了凍結砂土的爆破機理,將爆破作用區(qū)域劃分為空腔、擠壓區(qū)、破碎區(qū)、裂紋區(qū)和彈性振動區(qū),細化了凍結砂土爆破破壞形式。 李濤等[6]利用TDW-200 凍土三軸試驗機對飽和凍結灰砂巖進行了試驗,獲得了不同圍巖條件下凍結灰砂巖彈性模量的演化規(guī)律。 張慧梅等[7]研究了凍融循環(huán)下巖石的物理力學性質,研究發(fā)現:隨著凍融循環(huán)次數增多和圍壓增加,巖石破壞形式逐漸由脆性轉化為延性。 李棟偉等[8]通過構建人工凍土BP 神經網絡本構模型,較好地模擬了凍土中復雜應力路徑變形特征。 但對凍土中爆破應力波的振動傳播規(guī)律及能量特征,沒有更深一步地進行研究。 因此開展凍結黏土爆破振動監(jiān)測,研究凍結黏土中爆破應力波的傳播規(guī)律和爆破能量分布,進行爆破方案的合理優(yōu)化,對于立井凍結爆破施工具有重要意義。 隨著小波(包)分析在工程中的應用,林大超等[9]研究發(fā)現小波分析不僅能給出爆破振動能量在不同頻率范圍內的相對分布規(guī)律,還可以給出不同頻率帶上振動分量的分布和實際衰減規(guī)律,在工程中的應用越發(fā)廣泛。 針對不同的工程進行小波(包)能量分析,發(fā)現不同的爆破介質能量的衰減規(guī)律是不同的。 例如在露天采礦場邊坡[10]、地 下 工 程 爆 破[11-12]、采 石 場[13]等 進 行 小波(包)分析,得出的能量衰減規(guī)律呈現出差異性。而目前對凍結黏土單一介質的爆破能量分析還鮮見研究,大多是針對砂土、巖石等類型的研究。 其中僅有單仁亮[14]等結合立井模型試驗,對凍結巖壁的能量衰減進行了預測,與凍結黏土爆破較為接近。
針對立井凍土單一介質爆破振動傳播規(guī)律的研究較少,尤其是應力波在凍結黏土中的傳播。 以趙固二礦西風井凍結爆破掘進為背景,在深690 m 處開展凍結黏土爆破試驗,分析爆破振動在凍土中的傳播規(guī)律,并結合小波(包)分析得到振動時能量分布特征,以期指導深井凍結黏土爆破的工程實踐,保證周圍凍結管和已澆筑井壁的安全。
根據爆破漏斗理論,在立井凍結黏土段設計單孔爆破漏斗試驗。 該土層凍結溫度-15 ℃,極限強度為8.16 MPa,黏聚力16.6~214.1 kPa。
試驗炮孔孔徑設計為50 mm,采用水膠炸藥,藥卷長度320 mm,每孔半卷炸藥。 相鄰炮孔設計間距不小于1.8 m,炮孔深度按0.05 m 逐漸增大,最淺炮孔深度為0.35 m,最深炮孔深度為0.50 m,共布置了4 個炮孔(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)、5 臺振動傳感器。 炮孔編號1~4,傳感儀依次為A、B、C、D、E 具體布置如圖1所示。
圖1 炮孔及傳感儀布置示意Fig.1 Schematic of holes and sensor arrangement
根據炸藥的爆破作用理論和大量的現場爆破表明,炸藥爆破產生沖擊波和地震波,二者引起的振動,是對周圍巖土體產生破壞作用的重要因素。 而振動速度的大小與其破壞程度是成正相關的,常把爆破振動速度作為當前國內外爆破振動效應和爆破安全控制監(jiān)測的標準。
結合目前國內爆破振動標準,本次試驗將垂直、水平徑向和水平切向3 個速度分量作為試驗參量。
測試前,將爆破振動傳感器安裝在選定的測點位置,第1 個測點布置在距離爆破孔2.5 m 的位置,共布置了5 臺測振儀,每個測點相距125 cm,最后一個測點距離井壁內緣1.8 m,儀器測點與爆點徑直方向為x,切向方向為y,垂直方向為z,現場布置如圖2 所示。
圖2 傳感器的布置Fig.2 Arrangement of measuring sensors
凍結黏土的松動爆破效果如圖3 所示。
圖3 爆破效果Fig.3 Blasting effect
4 個炮孔中,Ⅰ號炮孔爆破引起的振動速度最大,且振動具有規(guī)律性;Ⅱ號和Ⅳ號炮孔振動速度小,且振動速度無規(guī)律;Ⅲ號炮孔的垂直速度曲線跳躍較大,無規(guī)律性。 因此,把Ⅰ號炮孔作為典型爆源,對各測點的監(jiān)測結果進行分析,其中測距R利用余弦公式計算得出,三向振動速度取振動時程中的最大值,監(jiān)測結果見表1。
表1 監(jiān)測數據Table 1 Monitoring data
從表1 中看,各向振動速度呈現出差異,垂向方向振動速度>徑向方向振動速度>切向方向振動速度,說明了凍土爆破后應力波的傳播主要是沿某個特定方向。 單仁亮[15]在對凍結巖壁的振速研究中,也得出巖體振動具有明顯方向差異性,說明了凍土和巖石爆破的振速傳播均具有方向的差異性。 對于爆破振動速度v,我國普遍使用薩道夫斯基經驗公式[16]:
式中:K為場地系數;α為衰減系數;Q為單段最大裝藥量,kg;R為測點與爆破位置距離,m。
表2 K 和α 擬合結果Table 2 Fitting results of K and α
圖4 各分量及合速度擬合曲線Fig.4 Fitting curves of each component and resultant velocity
曲線擬合程度:徑向方向、切向方向、垂向方向以及合速度方向的決定系數R2分別為0.97、0.97、0.98 和0.98,相關性較好,其中徑方向相關性最好。 將擬合得到的K、α值代入薩道夫斯基公式,得到各分量及合速度的擬合公式如下:
式中:vx為水平徑向的振動速度,cm/s;vy為水平切向的振動速度,cm/s;vz為垂直方向的振動速度,cm/s;vu為合速度,cm/s。
由于傳感儀距離爆破點較近,且傳感儀是插入土體中的,爆破后垂直方向上受到的沖擊大,振動信號的采集出現了失真,導致擬合后的K、α過大。 但其他2 個方向上的擬合較為正常,可為凍土爆破振動傳播的衰減規(guī)律提供一定的借鑒。 《爆破安全規(guī)程》中對爆破頻率超過50 Hz 的巷道振動速度規(guī)定不能超過30 cm/s,將30 cm/s 作為振動速度控制值代入擬合公式,在一定藥量下可以計算出安全距離R,根據R的取值,合理布置凍結管和立井井壁的澆筑位置。
小波(包)分析是基于小波分析發(fā)展而來的,它能根據信號特性和分析要求自適應的選擇相應頻帶與信號頻譜相匹配,是比小波分解更為精細的一種分解方法[9]。 爆破振動信號進行小波(包)分解時,最優(yōu)分解層數的確定依據信號分析的特征和振動記錄儀的最小工作頻率來確定[17]。 監(jiān)測采用儀器為TC4850 爆破測振儀,其最小工作頻率為5 Hz,由于爆破振動信號的頻率一般集中在200 Hz 范圍以內,根據采樣定律[18],設置信號的采樣頻率為16 kHz,其奈奎斯特頻率為8 kHz。 根據小波(包)分析的原理將信號分解到8 層,共有28個小波(包),則其對應于的最低頻段為0~31.25 Hz。
小波基的選擇在爆破振動信號分析中是至關重要的,不同的小波基會導致分析結果千差萬別。Daubechies 小波系列具有良好的緊支撐性、光滑性以及對稱性[19]。 根據算法進行matlab 編程,用db5~db10 的小波基對A測點的振動信號進行8 層小波(包)分解與重構,得出重構誤差見表3。
表3 小波重構誤差Table 3 Reconstruction errors of wavelet packet analysis
從表3 可以看出,db6 小波基對應的重構誤差較小,因此選用db6 對振動信號進行小波(包)分解。
依據小波分析原理將振動信號分解至第8 層,設S8,j所對應的能量為E′8,j,則有:
式中:xj,k(j=0,1,2,…,2i-1;k=1,2,…,m) 為重構信號S8,j的離散幅值。S8,j(t)為8 層第j個頻帶上的重構信號;k為離散點的個數;t為時間變量。
設被分析振動信號的總能量為E′,則有:
各頻帶能量的百分比為:
其中:j=0,1,2,…,28-1。
通過計算爆破振動信號經小波分解后信號總能量和不同頻帶能量所占百分比,分析凍結黏土爆破振動信號在傳播過程中的能量分布。 并通過小波(包)的分解,獲得不同頻帶的能量及百分比。
3.4.1 凍結黏土爆破振動能量的衰減
根據試驗得到的振動信號總能量,作出不同測點處的振動能量分布如圖5 所示,從圖5 中可以看出爆破作用下各點振動能量隨測點距離的變化。
圖5 爆破總能量隨測點變化的曲線Fig.5 Total energy of blasting vibration signal changing with measuring point
由圖5 可得,立井凍結黏土爆破振動信號與測點環(huán)境、爆破距離有關。 由于測點距離爆點僅3.0 ~7.43 m,炸藥爆破后能量首先沿凍土傳遞到A測點,然后隨著距離的增加,能量在凍土中逐漸耗散,傳遞到測點E時,能量已經大幅降低。 總體曲線呈現出由A測點向E測點逐漸衰減的過程。 此外,從圖5 中3個方向上的總能量變化曲線中可以看出,距離爆點0~6.243 m 以內,3 個分量上的總能量呈現出E′z>E′x>E′y的規(guī)律,從另一個方面說明了立井凍結黏土爆破能量的傳播是從內到外的徑向傳播。
3.4.2 不同頻率的能量占比
為分析不同方向上的凍結黏土能量占比分布,了解凍結黏土能量的擴散規(guī)律,下面以A測點為例,選取0~500 Hz 頻率內的能量,具體分析凍結黏土爆破3 個方向上的能量占比分布規(guī)律(圖6)。
根據圖6 可以看出,能量處于0 ~187 Hz 時,能量占比急劇下降,當能量在218 Hz 左右時,其占比又有所回升。 在218~250 Hz,凍土爆破振動能量發(fā)生了劇烈衰減,之后一直保持平穩(wěn)的衰減狀態(tài)。 可以得出:此次爆破振動信號能量的變化是在高頻段衰減快,但是波動很大,低頻段衰減慢,但是穩(wěn)定。在高頻段,能量先急劇下降,然后會頻繁波動,會有所回升,達到峰值,之后能量一直衰減。 從能量占比來看,凍結黏土爆破振動能量主要集中在0 ~250 Hz。 在低頻段切向分量能量占比較大,而在高頻段徑向分量能量占比較大。 張廣輝等[20]對循環(huán)加載下沖擊傾向性煤能量耗散進行了研究,從能量的角度發(fā)現:耗散能同樣呈現先迅速降低,后緩慢增長的趨勢。 依據式(8)將測點的能量占比進行求解,做出各點在不同頻率的能量占比如圖7 所示。
從圖7 中可以得出,徑向和切向的兩個分量的能量占比主要集中在250 Hz 以內。 而各個測點的能量占比趨勢也是符合先逐漸減小,然后在125 Hz左右增加,在218 Hz 處達到頂點,然后呈波動逐漸衰減,向低頻段移動。 雖然個別測點存在能量波動較大的現象,與爆破現場不穩(wěn)定有關。 值得關注的是軸向的能量變化趨勢較于徑向和切向更為明顯,變化更大。 即下降比徑向和切向更快,突增也比徑向和切向更為明顯,在高頻段的頻率占比也較大,易引起共振現象。
3.4.3 爆破振動能量的回歸分析
爆破振動能量的衰減過程極其復雜,李洪濤等[21]將單段、多段爆破最大藥量與總藥量視為定值,推導出爆破振動能量衰減公式,該公式在應用研究中,取得了積極的成果。 但由于藥量定值的限制,還存在一定誤差。 單仁亮等[14]利用量綱分析法推導出的公式,較好彌補了這個缺點。 參考單仁亮等[14]研究,將巖石爆破振動參數轉換為凍結黏土爆破參數進行研究。 該公式將能量E′與等效藥量Q1、彈性模量E、密度ρ聯系起來,函數關系如下:
式中:K1為與凍結黏土的密度、彈性模量有關的參數;φ為相關系數。
結合薩道夫斯基公式,將爆破振動能量衰減公式簡化為:
根據式(8)編寫擬合函數,利用Origin 軟件求解的總能量值,進行數據的擬合。 以徑向為例,如圖8 所示,擬合回歸系數見表4。
圖8 凍土爆破能量衰減回歸曲線Fig.8 Regression of blasting energy attenuation in frozen soil
表4 中徑向、垂直方向上的擬合決定系數達到0.8 以上,切向的相關性較差,凍結黏土爆破引起凍土各方向上的能量隨距離的增加呈衰減趨勢。 垂向的K值較大,是因為垂向為炮孔自由面方向,爆破近區(qū)能量做功大,引起的振動也較大,由于能量快速釋放,爆破遠區(qū)急劇下降。
表4 能量衰減擬合系數Table 4 Fitting coefficient of energy attenuation
1)凍結黏土爆破各向振動速度存在一定差異,垂向振動速度>徑向振動速度>切向振動速度,凍土爆破后應力波的傳播主要是沿某個特定方向。
2)運用薩道夫斯基公式對單一凍結黏土介質爆破振動速度進行了擬合,獲得了凍結黏土爆破的薩氏擬合公式。
3)深井凍結黏土爆破時,振動信號能量在高頻段波動較大但衰減快,低頻段相對平穩(wěn)且衰減緩慢。在高頻段,能量首先急劇下降,然后出現頻繁波動,達到峰值后一直衰減。 垂向的能量變化趨勢較于徑向和切向更為明顯,變化更大,下降速率徑向和切向更快,突增也比徑向和切向更為明顯。
4)運用量綱分析法對凍結黏土爆破能量信號進行回歸分析,得出了凍結黏土爆破各方向上的能量衰減規(guī)律。