干冰致裂破岩振动与噪声分布规律

陶科宇，张 奇，郑玉龙

(中国石油西南油气田公司川东北气矿，四川 达州 635000)

山地长输管道施工是天然气集输管道建设的重要部分，管沟开挖是山地长输管道施工中的重点和难点，而开挖的岩石方量大且强度高，采用传统的炸药爆破会产生噪声、振动、飞石等危害，在用于复杂环境时，炸药爆破危险系数较高且管控严格，管理、运输、储存、使用的安全要求高[1]。传统爆破方法施工效率极其低下，综合成本高，所以非炸药破岩是人们一直研究的问题[2-3]。

近年来CO2膨胀爆破倍受人们关注[4-7]，CO2膨胀爆破是将固态或液态CO2密闭于高强度容器，通过高热快速激发，使CO2由固相或液相向气相快速转化，并瞬间形成高压气体破岩[8-9]。与传统炸药爆破相比，CO2爆破具有振动小、无污染、本质安全性高的特点，具有很大发展潜力。其中，干冰破岩技术是一种新型岩石致裂技术[10]。干冰破岩技术不属于传统炸药爆破，核心装药是固态CO2(干冰)而不是炸药，方案设计时不需要向地方公安机关作审批报备，因而破岩时间选择也不受约束，时间机动性大大提高[11]；其次，由于干冰破岩时对周围影响小，因此可以将钻孔和破岩流程独立分开进行，大幅提高工作连续性和施工进度，对城市建设工程等施工意义重大。

目前，国内外学者对CO2膨胀爆破的研究主要集中在液态CO2相变机理、裂岩机理及其在工程中的应用[12-14]，Zhou S等[15]结合现场测试和数值模拟的方法研究了CO2相变致裂的聚集能效应，指出随着传播距离的增加，不同方向的峰值速度逐渐减小，且衰减变慢。Zhang Y等[16]通过液态CO2爆破试验，研究了液态CO2爆破时压力变化以及破岩特性，指出液态CO2爆破破坏模式主要为拉伸破坏。彭然等[17]通过压力测定系统分析了液态CO2致裂器内部压力的变化规律，测定导致致裂器飞管的压力大小并提出了止飞手段。颜正勇等[18]提出了干冰粉气动压裂破岩技术，通过干冰粉气动压裂混凝土实验探究干冰粉与CO2聚能剂的质量比对混凝土压裂效果的影响，指出CO2静态气动压裂具有低扰动、低噪音、破裂效果良好的特点。国内外对干冰致裂破岩技术的应用研究较少，且通过在现场布点测试干冰致裂破岩产生的振动噪声影响的研究几乎没有。

本文采用干冰碎岩技术在现场布点进行测试，利用专业振动测试系统对不同布孔结构下的干冰破岩产生的振动及噪声进行实地监测，分析了干冰破岩产生的振动场及噪声的分布规律。研究成果可指导工程人员选取合适的破岩钻孔排布，以兼顾爆破破岩效果与振动控制的要求。

1 振动与噪声测试方法

本次振动与噪声测试选择位于金鑫矿石厂的一处工作面进行，测试现场岩性为花岗岩，岩石完整性好，单轴抗压强度约180 MPa。根据国家相关标准GB/T 14124-2009、GB/T 3222.2-2009，在现场不同位置布置微振传感器，测试设备由采集仪、加速度传感器、声学传感器和电脑等组成(见图1)，记录破岩前后振动和噪声的原始时域信号，得到振动和噪声的加速度以及振动和噪声的衰减情况。

图1 振动与噪声测试系统

本次测试包括单枚致裂器破岩测试和双枚致裂器破岩测试，破岩时以斜孔钻入方式钻孔后放置致裂器，干冰致裂器规格为Ф90 mm×40 mm(可盛装1.6 kg干冰)。钻孔直径均为110 mm，深度为2 m，与地面成30°的夹角，测试工作面的钻孔轴向剖面如图2所示。

图2 测试工作面钻孔轴向剖面

单枚致裂剂破岩测试中，共布置7个振动测点V1～V7和2个噪声测点N1、N2。V1点布置在致裂剂正上方，其他测点布置如图3a所示。在双枚致裂剂破岩过程中，共布置5个振动测点V1～V5和3个噪声测点N1～N3(见图3b)。

图3 振动与噪声测试的测点布置

2 结果与讨论

2.1 振动的分布规律分析

通过振动测试系统对单枚致裂器破岩设置的7个振动测点和双枚致裂器破岩设置的5个振动测点进行测试，测点V1破岩过程产生的振动加速度时程如图4所示。

图4 破岩过程产生的振动加速度时程

由图4可知，单枚致裂器破岩时，全部测点一般于12.1 s开始产生振动，于13 s时振动已减弱至很小，强振动持续时间约0.5 s。双枚致裂器破岩时，全部测点大约于8.3 s时开始振动，过程中产生2次峰值振动，在出现第1次峰值后振动减弱而后增强出现第2次峰值，第1次峰值振动大约在8.5 s，第2次大约在9.2 s。除测点V4在10.8 s时振动再次增强后减弱外，其他测点基本于9.2 s时振动已减弱至很小。并且在测点V1、V2、V3的强振动持续时间大约为0.5 s，测点V4、V5的强振动持续时间大约为1.2 s。以上结果表明双枚致裂的振动波传播速度较单枚快，而且振动持续时间相对较长。也表明在干冰致裂破岩过程中产生的强振动持续时间较短，安全系数较高。

由干冰致裂破岩的振动频谱(见图5)可知，无论是单枚还是双枚致裂器，每个测点产生的振动波峰值振幅主要集中于0～50 Hz之间，且振幅变化较小，说明干冰致裂破岩产生的振动能量的频率集中于0～50 Hz之间，产生的振动能量也较小。

图5 破岩过程产生的振动频谱

2种测试的振动测点的峰值振动加速度分别如表1和表2所示，可知，单枚致裂器破岩过程中，测点V1的峰值振动加速度最大，振动波沿轴向传播时随距离的增大而衰减。离振动源1 m处测点V3的峰值加速度远小于距振源5 m处测点V4的峰值加速度，说明单枚致裂时产生的振动能量主要沿孔轴向传播，其次是2个垂直方向，而其他方位扩散能量较小。而在双枚致裂器破岩过程中，测点V3、V4和V5处峰值加速度依次减弱，说明振动波沿轴向传播时随距离的增大而衰减。垂直方向距离钻孔洞口2 m处测点V2的峰值加速度最大，而轴向距离振动源3 m处测点V3与垂直方向距离振动源2 m处测点V2的峰值加速度相当，说明双枚致裂时产生的振动能量向各个方向扩散。各个测点产生的2次振动峰值中，除测点V1外，两次峰值相差不多，说明双枚致裂过程产生2次较强的振动，但与单枚致裂相比振动能量更小，因此对环境影响更小。

表1 单枚致裂器破岩的振动测点的峰值加速度

表2 双枚致裂器破岩的振动测点的峰值加速度

连接各个测点峰值振动加速度，得到单枚致裂及双枚致裂的各个测点峰值振动加速度随振源距离增大而衰减的变化(见图6)，可知，在单向收束条件下(洞中)，干冰破岩过程中振动迅速衰减的位置在距振源6～10 m之间，但单枚致裂器破岩过程产生的峰值振动加速度更高，振动更强烈，振动随距离衰减速度较双枚致裂更快。结合图4分析可得，在一定范围内，随着致裂器数量的增多，振动产生的能量会减少但强振动持续时间会增加。

图6 各测点峰值振动加速度单向衰减关系

2.2 噪声的分布规律分析

通过振动测试系统对单枚致裂器破岩设置的2个噪声测点和双枚致裂器破岩设置的3个振动测点进行测试，各测点的测试值分别如表3～表4所示。

表4 双枚致裂器破岩的噪声测点的测试值

由单枚致裂器破岩的噪声测点的噪声测试值(见表3)可知，单枚致裂器破岩过程中产生的噪声在振源处为106.9 dB，距离振源13 m远处已经降到90.0 dB。单枚致裂器破岩过程中产生的噪声较小，其衰减与传播距离相关，在传播至距振源13 m时有小范围衰减。双枚致裂器破岩测点N3处的噪声值与振源附近的测点N1噪声值相差不大。以上结果表明，干冰致裂破岩产生的噪声较小，噪声大幅度衰减区段离振源的距离较振动更远，且其衰减主要受环境影响，空阔场地，其衰减较为平缓。

将噪声测点N1与N2的测量值及它们附近的振动测点V2与V7的测量值(见表1)作比值，结果如表5所示，可知振动测点V2与V7的数值之比远大于噪声测点N1与N2的测量值之比，说明声波能量主要在空气中传播，以洞口做声源，考虑传播方向偏差和固体传播声波能量修正，测试结果符合通过声压级差值公式Lp1-Lp2[19]得出的结果。

表5 单枚致裂器破岩的噪声测点N1与N2及其附近振动测点V2与V7的测量值之比

由干冰致裂破岩过程产生的噪声加速度时程(见图7)可知，单枚致裂器破岩时产生的噪声信号持续时间基本在0.4 s左右，而双枚致裂器破岩时的产生噪声信号持续时间大约为0.1 s。说明干冰致裂破岩过程中产生的噪声持续时间十分短暂，影响较小。由干冰致裂破岩过程产生的噪声信号频谱(见图8)可知，无论是单枚还是双枚致裂器，每个测点产生的噪声信号的振幅主要在0～50 Hz之间变化，且振幅较小，说明干冰致裂破岩产生的噪声的频率集中于0～50 Hz之间，噪声影响也较小。

图7 破岩过程产生的噪声信号时程

图8 破岩过程产生的噪声信号频谱

3 结论

1)单枚致裂时产生的振动能量主要沿孔轴向传播，其次是两个垂直方向，而其他方位扩散能量较小；而双枚致裂时产生的振动能量向各个方向扩散。

2)干冰致裂破岩过程中产生的强振动持续时间较短，安全系数较高。在单向收束条件下(洞中)，干冰破岩过程中振动迅速衰减的位置在距振源6～10 m之间，在一定范围内，随着致裂器数量的增多，振动产生的能量会减少但强振动持续时间会增加。干冰致裂破岩产生的振动能量的频率集中于0～50 Hz之间，产生的振动能量也较小。

3)干冰致裂破岩产生的噪声较小，噪声大幅度衰减区段离振源的距离较振动更远，且其衰减主要受环境影响，在空阔场地时其衰减较为平缓。干冰致裂破岩过程中产生的噪声持续时间十分短，频率集中于0～50 Hz之间，且振幅不大，环境影响较小。