二氧化碳爆破效果及振动分析.pdf
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1、问问问题题题探探探讨讨讨二氧化碳爆破效果及振动分析程小兵1,何申中1,吴红波2,吴求忠1,刘 敏1,张小康1,沈占军2(1.安徽枞阳海螺水泥股份有限公司,安徽 铜陵 244000;2.安徽理工大学 化学工程学院,安徽 淮南 232001)摘要:基于露天矿山开采工程开展二氧化碳爆破实验,探究二氧化碳爆破效果,并且对实验进行爆破振动监测,分析振动能量,研究二氧化碳爆破对周围环境的影响。运用希尔伯特-黄变换(HHT)对爆破振动数据进行分析,探究二氧化碳爆破产生的振动信号的频谱特征。结果表明:二氧化碳爆破振动能量主要分布于 0100 Hz 频带,且主频为 060 Hz;本文条件下的二氧化碳爆破振动幅值
2、在允许范围内,对工程建设和周边房屋均不会造成影响。关键词:二氧化碳爆破;爆破振动;露天爆破;希尔伯特-黄变换中图分类号:TD235 文献标志码:A 文章编号:1674-3970(2023)03-0026-05收稿日期:2022-10-30作者简介:程小兵(1975),男,安徽黄山人,高级工程师,主要从事露天矿山开采方面的实践与研究。E-mail:zzyyingaust 。引用格式:程小兵,何申中,吴红波,等.二氧化碳爆破效果及振动分析J.煤矿爆破,2023,41(3):26-30.CHENG Xiaobing,HE Shenzhong,WU Hongbo,et al.Effect and vi
3、bration analysis of carbon dioxide blastingJ.Coal Mine Blasting,2023,41(3):26-30.Effect and vibration analysis of carbon dioxide blastingCHENG Xiaobing1,HE Shenzhong1,WU Hongbo2,WU Qiuzhong1,LIU Min1,ZHANG Xiaokang1,SHEN Zhanjun2(1.Anhui Zongyang Conch Cement Company Limited,Tongling 244000,China;2.
4、College of Chemical Engineering,Anhui University of Science&Technology,Huainan 232001,China)Abstract:Carbon dioxide blasting experiment is carried out based on open-pit mining engineering to explore the effect of carbon dioxide blasting.Blasting vibration monitoring is carried out to analyze vibrati
5、on energy and the impact of carbon dioxide blasting on the surrounding environment is investigated.The Hilbert-Huang Transform(HHT)is used to analyze the blasting vibration data and explore the spectrum characteristics of vibration signals generated by carbon dioxide blasting.The results show the ca
6、rbon dioxide blasting vibration energy is mainly distributed in the frequency range of 0-100 Hz,and the main frequency is 0-60 Hz.The vibration of carbon dioxide blasting will not affect the engineering constructions and surrounding buildings under the condition of this paper and the magnitude of th
7、e blasting is within the permissible range.Key words:carbon dioxide blasting;blasting vibration;open-air blasting;Hilbert-Huang Transform0 引言炸药在采矿、隧道爆破,拆除爆破和硐室爆破等爆破领域内应用广泛1-3,炸药爆破技术作为一种传统的破岩方法,具有高效、经济等优点,是现代工程建设和矿山开采的重要技术手段。但随着时代的发展和环境的要求,某些情况下常规炸药的使62Vol.41 No.3Sep.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 3
8、期2023 年 9 月用受到一些制约,不能完全满足工程实践需求,这为高压气体爆破技术的采用提供了机会。与炸药爆炸破岩机理不一样的是,二氧化碳爆破过程是物理状态发生变化的同时产生强大的压力,由液态二氧化碳转换成气态二氧化碳时在岩石内产生膨胀压力和拉应力场,对岩石进行破碎4,由于相态的突然变化,对周围岩石也会产生一定的冲击作用,破碎过程中会产生一定程度的振动。为了确保工程实施的安全性,其振动对周边环境的影响值得深入研究。周科平等5-6通过实验测定二氧化碳致裂器管内压力,绘制出压力与时间的关系并结合 Span&Wagner 状态方程得到二氧化碳致裂器爆炸能量的经验公式。陈冠等7设计二氧化碳致裂器破岩
9、实验并测定其振动信号,对所得的数据进行小波包变换分析,得到结论:振动的传播方向和距离对主振频带的影响较小,而随着传播距离的增大,爆破能量逐渐降低。朱宽等8通过理论计算得到某一次性二氧化碳致裂器的平均峰值压力为 53.19 MPa,爆炸 TNT 当量为 264.24 g,通过现场实验测得 5 m处的振动速度为 2.503 2 cm/s。杨幼江等9通过现场实验对二氧化碳致裂过程进行振动监测,得到二氧化碳爆破振动数据,运用 HHT 进行频谱分析得到结论:二氧化碳爆破主振频率较小,能量主要集中在 020 Hz 附近且爆破振动时间与爆破孔数有关。沈鑫等10设计现场实验,对振动信号进行反应谱分析,运用 F
10、FT 变换、EEMD 分解得到二氧化碳爆破信号主要是低频信号,在受限区域内可以取得很好的效果。结合中外文献,希尔伯特-黄变换(HHT)针对非平稳振动信号进行分析,可以取得较好的效果,分析结果能够反映真实的物理过程,相较于 FFT 变换以及小波包分析有一定的优势。本文基于露天矿山台阶爆破的背景,进行二氧化碳爆破实验,探究其爆破效果,并对其爆破振动数据运用希尔伯特-黄变换(HHT)进行处理,得到工程建设中二氧化碳爆破振动数据的频谱特征和对周边环境的影响状况,为后续进一步研究提供经验和参考。1 二氧化碳爆破振动实验1.1 二氧化碳致裂技术二氧化碳致裂技术是利用二氧化碳在气液两相转换中体积变化的特点,
11、在密闭空间内瞬间释放高压气体,对周围介质膨胀做功。二氧化碳在压力高于 7.38 MPa 且温度低于31.1 时,以液态二氧化碳分子存在,而通过激发管化学反应放热使环境温度高于 31.1 时,液态二氧化碳在膨胀管中转变为超临界状态,压力峰值可达 200 MPa 以上,从而击穿膨胀管中的定压片。超临界快速运动二氧化碳气流与岩石接触后,使岩石产生初始裂纹,同时随着体积膨胀,压力降低,超临界二氧化碳分子进一步发生相变气化,体积膨胀600700 倍,依靠相变后的气体产生楔作用,使裂纹进一步扩张。1.2 实验概况实验位于安徽省铜陵市枞阳县的石灰石矿山,矿山为山坡露天矿山,属长江中下游丘陵 冲积平原过渡地带
12、,地势较为平坦,用自上而下水平分台阶的露天采矿方法,台段高 15 m,矿山地质以石灰岩为主,夹有少量泥质灰岩、瘤状灰岩等。矿区周边存在一定数量的单层、多层砖混结构房屋,且矿区距离厂区生产建筑距离较近,为研究受限区域内爆破振动对建筑的影响,在矿区边坡进行二氧化碳爆破振动实验。现场使用钻孔机进行钻孔,孔径 140 mm,孔深4.5 m,5 个炮孔,最小抵抗线为 1 m。致裂管采用108#致裂管,管长 2.2 m,外径 90 mm,二氧化碳单个充装量 6 kg。在距离炮孔每间隔 10 m 处共布置4 台爆破振动测试仪,布孔参数和测振布置如图 1所示。监测采用成都交博公司 L20-S 型爆破振动记录仪
13、,监测方式为传感器箭头方向(水平径向 X)指向爆心,侧面 Z 分量箭头向上,水平放置。台阶面炮孔1.0 m1.5 m1.5 m1.5 m1.5 m1 0 m1 0 m1 0 m1 0 m1 2 3 4 振动监测点说明:1.1 表示测振仪编号2.表示炮孔编号3.测振仪均垂直指向台阶面图 1 测点布置示意图1.3 爆破效果及监测结果起爆瞬间,岩石沿着临空面松动坍塌,岩石均72第 41 卷 第 3 期2023 年 9 月Coal Mine BlastingVol.41 No.3Sep.2023匀破碎,现场震感弱,无飞石,爆破响动很小,整个过程持续 2 s 左右,爆破效果如图 2 所示。爆破后裂纹由爆
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