干冰致裂破巖振動與噪聲分布規律

陶科宇，張 奇，鄭玉龍

(中國石油西南油氣田公司川東北氣礦，四川 達州 635000)

山地長輸管道施工是天然氣集輸管道建設的重要部分，管溝開挖是山地長輸管道施工中的重點和難點，而開挖的巖石方量大且強度高，采用傳統的炸藥爆破會產生噪聲、振動、飛石等危害，在用于復雜環境時，炸藥爆破危險系數較高且管控嚴格，管理、運輸、儲存、使用的安全要求高[1]。傳統爆破方法施工效率極其低下，綜合成本高，所以非炸藥破巖是人們一直研究的問題[2-3]。

近年來CO2膨脹爆破倍受人們關注[4-7]，CO2膨脹爆破是將固態或液態CO2密閉于高強度容器，通過高熱快速激發，使CO2由固相或液相向氣相快速轉化，并瞬間形成高壓氣體破巖[8-9]。與傳統炸藥爆破相比，CO2爆破具有振動小、無污染、本質安全性高的特點，具有很大發展潛力。其中，干冰破巖技術是一種新型巖石致裂技術[10]。干冰破巖技術不屬于傳統炸藥爆破，核心裝藥是固態CO2(干冰)而不是炸藥，方案設計時不需要向地方公安機關作審批報備，因而破巖時間選擇也不受約束，時間機動性大大提高[11]；其次，由于干冰破巖時對周圍影響小，因此可以將鉆孔和破巖流程獨立分開進行，大幅提高工作連續性和施工進度，對城市建設工程等施工意義重大。

目前，國內外學者對CO2膨脹爆破的研究主要集中在液態CO2相變機理、裂巖機理及其在工程中的應用[12-14]，Zhou S等[15]結合現場測試和數值模擬的方法研究了CO2相變致裂的聚集能效應，指出隨著傳播距離的增加，不同方向的峰值速度逐漸減小，且衰減變慢。Zhang Y等[16]通過液態CO2爆破試驗，研究了液態CO2爆破時壓力變化以及破巖特性，指出液態CO2爆破破壞模式主要為拉伸破壞。彭然等[17]通過壓力測定系統分析了液態CO2致裂器內部壓力的變化規律，測定導致致裂器飛管的壓力大小并提出了止飛手段。顏正勇等[18]提出了干冰粉氣動壓裂破巖技術，通過干冰粉氣動壓裂混凝土實驗探究干冰粉與CO2聚能劑的質量比對混凝土壓裂效果的影響，指出CO2靜態氣動壓裂具有低擾動、低噪音、破裂效果良好的特點。國內外對干冰致裂破巖技術的應用研究較少，且通過在現場布點測試干冰致裂破巖產生的振動噪聲影響的研究幾乎沒有。

本文采用干冰碎巖技術在現場布點進行測試，利用專業振動測試系統對不同布孔結構下的干冰破巖產生的振動及噪聲進行實地監測，分析了干冰破巖產生的振動場及噪聲的分布規律。研究成果可指導工程人員選取合適的破巖鉆孔排布，以兼顧爆破破巖效果與振動控制的要求。

1 振動與噪聲測試方法

本次振動與噪聲測試選擇位于金鑫礦石廠的一處工作面進行，測試現場巖性為花崗巖，巖石完整性好，單軸抗壓強度約180 MPa。根據國家相關標準GB/T 14124-2009、GB/T 3222.2-2009，在現場不同位置布置微振傳感器，測試設備由采集儀、加速度傳感器、聲學傳感器和電腦等組成(見圖1)，記錄破巖前后振動和噪聲的原始時域信號，得到振動和噪聲的加速度以及振動和噪聲的衰減情況。

圖1 振動與噪聲測試系統

本次測試包括單枚致裂器破巖測試和雙枚致裂器破巖測試，破巖時以斜孔鉆入方式鉆孔后放置致裂器，干冰致裂器規格為Ф90 mm×40 mm(可盛裝1.6 kg干冰)。鉆孔直徑均為110 mm，深度為2 m，與地面成30°的夾角，測試工作面的鉆孔軸向剖面如圖2所示。

圖2 測試工作面鉆孔軸向剖面

單枚致裂劑破巖測試中，共布置7個振動測點V1～V7和2個噪聲測點N1、N2。V1點布置在致裂劑正上方，其他測點布置如圖3a所示。在雙枚致裂劑破巖過程中，共布置5個振動測點V1～V5和3個噪聲測點N1～N3(見圖3b)。

圖3 振動與噪聲測試的測點布置

2 結果與討論

2.1 振動的分布規律分析

通過振動測試系統對單枚致裂器破巖設置的7個振動測點和雙枚致裂器破巖設置的5個振動測點進行測試，測點V1破巖過程產生的振動加速度時程如圖4所示。

圖4 破巖過程產生的振動加速度時程

由圖4可知，單枚致裂器破巖時，全部測點一般于12.1 s開始產生振動，于13 s時振動已減弱至很小，強振動持續時間約0.5 s。雙枚致裂器破巖時，全部測點大約于8.3 s時開始振動，過程中產生2次峰值振動，在出現第1次峰值后振動減弱而后增強出現第2次峰值，第1次峰值振動大約在8.5 s，第2次大約在9.2 s。除測點V4在10.8 s時振動再次增強后減弱外，其他測點基本于9.2 s時振動已減弱至很小。并且在測點V1、V2、V3的強振動持續時間大約為0.5 s，測點V4、V5的強振動持續時間大約為1.2 s。以上結果表明雙枚致裂的振動波傳播速度較單枚快，而且振動持續時間相對較長。也表明在干冰致裂破巖過程中產生的強振動持續時間較短，安全系數較高。

由干冰致裂破巖的振動頻譜(見圖5)可知，無論是單枚還是雙枚致裂器，每個測點產生的振動波峰值振幅主要集中于0～50 Hz之間，且振幅變化較小，說明干冰致裂破巖產生的振動能量的頻率集中于0～50 Hz之間，產生的振動能量也較小。

圖5 破巖過程產生的振動頻譜

2種測試的振動測點的峰值振動加速度分別如表1和表2所示，可知，單枚致裂器破巖過程中，測點V1的峰值振動加速度最大，振動波沿軸向傳播時隨距離的增大而衰減。離振動源1 m處測點V3的峰值加速度遠小于距振源5 m處測點V4的峰值加速度，說明單枚致裂時產生的振動能量主要沿孔軸向傳播，其次是2個垂直方向，而其他方位擴散能量較小。而在雙枚致裂器破巖過程中，測點V3、V4和V5處峰值加速度依次減弱，說明振動波沿軸向傳播時隨距離的增大而衰減。垂直方向距離鉆孔洞口2 m處測點V2的峰值加速度最大，而軸向距離振動源3 m處測點V3與垂直方向距離振動源2 m處測點V2的峰值加速度相當，說明雙枚致裂時產生的振動能量向各個方向擴散。各個測點產生的2次振動峰值中，除測點V1外，兩次峰值相差不多，說明雙枚致裂過程產生2次較強的振動，但與單枚致裂相比振動能量更小，因此對環境影響更小。

表1 單枚致裂器破巖的振動測點的峰值加速度

表2 雙枚致裂器破巖的振動測點的峰值加速度

連接各個測點峰值振動加速度，得到單枚致裂及雙枚致裂的各個測點峰值振動加速度隨振源距離增大而衰減的變化(見圖6)，可知，在單向收束條件下(洞中)，干冰破巖過程中振動迅速衰減的位置在距振源6～10 m之間，但單枚致裂器破巖過程產生的峰值振動加速度更高，振動更強烈，振動隨距離衰減速度較雙枚致裂更快。結合圖4分析可得，在一定范圍內，隨著致裂器數量的增多，振動產生的能量會減少但強振動持續時間會增加。

圖6 各測點峰值振動加速度單向衰減關系

2.2 噪聲的分布規律分析

通過振動測試系統對單枚致裂器破巖設置的2個噪聲測點和雙枚致裂器破巖設置的3個振動測點進行測試，各測點的測試值分別如表3～表4所示。

表4 雙枚致裂器破巖的噪聲測點的測試值

由單枚致裂器破巖的噪聲測點的噪聲測試值(見表3)可知，單枚致裂器破巖過程中產生的噪聲在振源處為106.9 dB，距離振源13 m遠處已經降到90.0 dB。單枚致裂器破巖過程中產生的噪聲較小，其衰減與傳播距離相關，在傳播至距振源13 m時有小范圍衰減。雙枚致裂器破巖測點N3處的噪聲值與振源附近的測點N1噪聲值相差不大。以上結果表明，干冰致裂破巖產生的噪聲較小，噪聲大幅度衰減區段離振源的距離較振動更遠，且其衰減主要受環境影響，空闊場地，其衰減較為平緩。

將噪聲測點N1與N2的測量值及它們附近的振動測點V2與V7的測量值(見表1)作比值，結果如表5所示，可知振動測點V2與V7的數值之比遠大于噪聲測點N1與N2的測量值之比，說明聲波能量主要在空氣中傳播，以洞口做聲源，考慮傳播方向偏差和固體傳播聲波能量修正，測試結果符合通過聲壓級差值公式Lp1-Lp2[19]得出的結果。

表5 單枚致裂器破巖的噪聲測點N1與N2及其附近振動測點V2與V7的測量值之比

由干冰致裂破巖過程產生的噪聲加速度時程(見圖7)可知，單枚致裂器破巖時產生的噪聲信號持續時間基本在0.4 s左右，而雙枚致裂器破巖時的產生噪聲信號持續時間大約為0.1 s。說明干冰致裂破巖過程中產生的噪聲持續時間十分短暫，影響較小。由干冰致裂破巖過程產生的噪聲信號頻譜(見圖8)可知，無論是單枚還是雙枚致裂器，每個測點產生的噪聲信號的振幅主要在0～50 Hz之間變化，且振幅較小，說明干冰致裂破巖產生的噪聲的頻率集中于0～50 Hz之間，噪聲影響也較小。

圖7 破巖過程產生的噪聲信號時程

圖8 破巖過程產生的噪聲信號頻譜

3 結論

1)單枚致裂時產生的振動能量主要沿孔軸向傳播，其次是兩個垂直方向，而其他方位擴散能量較小；而雙枚致裂時產生的振動能量向各個方向擴散。

2)干冰致裂破巖過程中產生的強振動持續時間較短，安全系數較高。在單向收束條件下(洞中)，干冰破巖過程中振動迅速衰減的位置在距振源6～10 m之間，在一定范圍內，隨著致裂器數量的增多，振動產生的能量會減少但強振動持續時間會增加。干冰致裂破巖產生的振動能量的頻率集中于0～50 Hz之間，產生的振動能量也較小。

3)干冰致裂破巖產生的噪聲較小，噪聲大幅度衰減區段離振源的距離較振動更遠，且其衰減主要受環境影響，在空闊場地時其衰減較為平緩。干冰致裂破巖過程中產生的噪聲持續時間十分短，頻率集中于0～50 Hz之間，且振幅不大，環境影響較小。