爆破地震波在台阶坡顶处放大效应研究-矿业114网 
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爆破地震波在台阶坡顶处放大效应研究
2015-01-28
从波动理论出发,分析了台阶爆破中地震波的传播规律,通过对比坡顶和坡底不同地 形,在坡顶处引入放大系数K′,坡底则不考虑放大效应,从波衍射时能量变化方面对萨道夫斯基公 式进行了修改,用回归分析得出了在一定地形地质条件下的爆破振动预测公式。
Serial No. 549 January. 2015 现 ꢀ 代 ꢀ 矿 ꢀ 业 2015总年 第15月49第期 1 期 MODERN MINING  爆 破 地 震 波 在 台 阶 坡 顶 处 放 大 效 应 研 究 易 巧 明 ꢀ ( 璩 世 杰 ꢀ 许 文 耀 ꢀ 万 鹏 鹏 ꢀ 王 ꢀ 靖 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 ) ꢀ ꢀ 摘 ꢀ 要 ꢀ 从 波 动 理 论 出 发 , 分 析 了 台 阶 爆 破 中 地 震 波 的 传 播 规 律 , 通 过 对 比 坡 顶 和 坡 底 不 同 地 形 , 在 坡 顶 处 引 入 放 大 系 数 K′, 坡 底 则 不 考 虑 放 大 效 应 , 从 波 衍 射 时 能 量 变 化 方 面 对 萨 道 夫 斯 基 公 式 进 行 了 修 改 , 用 回 归 分 析 得 出 了 在 一 定 地 形 地 质 条 件 下 的 爆 破 振 动 预 测 公 式 。 关 键 词 ꢀ 台 阶 爆 破 ꢀ 地 震 波 传 播 ꢀ 回 归 分 析 Research on the Seismic Wave Amplification Effect on the Top of Open Pit Bench YI Qiaomingꢀ Qu Shijieꢀ Xu Wenyaoꢀ Wan Pengpengꢀ Wang Jing ( School of Civil and Environmental Engineering, Beijing University of Science & Technology) Abstractꢀ The seismic wave propagation law of bench blasting is analyzed based on the wave theo ry. The different terrain of the top of the hill are compared, the amplification factor K′ is introduced to the top of the hill, the amplification effect of the base is not considered, the Stevesadove formula is modified based on the change of wave diffraction energy. The prediction formula of blasting vibration under certain geological condition is obtained by using the regression analysis method. Keywordsꢀ Bench blasting, Seismic wave propagation, Regression analysis ꢀ ꢀ 为 了 提 高 生 产 效 率 , 露 天 矿 山 台 阶 通 常 采 用 大 包 半 径 外 , 应 力 波 已 经 大 大 衰 减 , 趋 于 正 弦 波 。 这 类 弹 性 波 会 沿 地 层 传 播 很 远 , 波 频 率 也 会 降 低 , 从 而 对 矿 山 周 围 建 筑 产 生 一 定 破 坏 。 孔 径 、 中 深 孔 、 大 药 量 爆 破 , 由 于 单 次 爆 破 崩 落 岩 石 多 , 会 产 生 大 量 的 爆 破 震 动 , 不 仅 会 对 矿 山 边 坡 稳 定 性 产 生 不 利 影 响 , 威 胁 人 员 安 全 , 地 震 波 还 会 沿 地 层 传 播 很 远 , 影 响 到 周 围 村 庄 建 筑 物 和 居 民 的 生 产 生 活 , 引 起 矿 山 与 当 地 村 民 之 间 的 民 事 纠 纷 。 对 此 , 大 量 学 者 从 布 孔 方 式 、 爆 破 方 式 、 装 药 结 构 、 起 爆 时 间 等 方 面 对 爆 破 效 果 进 行 优 化 , 极 大 提 高 了 炸 药 利 用 率 , 减 小 了 爆 破 震 动 效 应 对 周 围 环 境 影 响 。 由 于 现 场 实 际 中 岩 体 的 复 杂 性 , 地 震 波 在 岩 体 中 传 播 规 律 一 直 都 没 有 得 到 一 个 较 好 的 解 决 。 本 文 试 图 从 波 动 理 论 出 发 , 考 虑 到 波 的 衍 射 和 实 际 传 播 路 径 , 对 比 了 坡 顶 和 坡 底 对 地 震 波 不 同 的 动 力 响 应 , 分 析 地 震 波 传 播 规 律 。 ( 2) 地 震 波 基 本 分 类 。 爆 破 形 成 的 地 震 波 会 以 面 波 和 体 波 两 种 形 式 传 播 。 体 波 包 括 横 波 和 纵 波 , 横 波 为 横 向 运 动 , 质 点 振 动 方 向 与 波 的 前 进 方 向 垂 直 , 对 介 质 产 生 剪 切 破 坏 ; 纵 波 是 纵 向 运 动 , 质 点 的 振 动 方 向 与 波 的 前 进 方 向 一 致 , 对 质 点 产 生 拉 伸 和 压 缩 破 坏 。 通 常 纵 波 周 期 短 、 振 幅 小 , 传 播 速 度 快 ; 横 波 周 期 大 、 振 幅 大 , 携 带 能 量 多 。 面 波 通 常 被 认 为 体 波 经 地 层 界 面 多 次 反 射 形 成 的 次 生 波 在 地 表 传 播 , 目 前 发 现 的 面 波 有 勒 夫 波 和 瑞 利 波 两 种 形 式 。 面 波 也 是 建 筑 物 产 生 破 坏 的 主 要 原 因 。 1 ꢀ 爆 破 地 震 波 基 本 理 论 ( 3) 地 震 波 传 播 基 本 原 理 。 ①费 马 原 理 , 波 在 ( 1) 地 震 波 产 生 机 理 。 炸 药 在 岩 体 内 爆 炸 时 所 介 质 中 总 是 沿 传 播 时 间 最 小 的 路 径 传 播 , 这 些 路 径 就 是 射 线 , 在 均 匀 介 质 中 射 线 是 直 线 ; ②惠 更 斯 菲 涅 耳 原 理 , 在 波 的 传 播 过 程 中 , 波 阵 面 ( 波 面 ) 上 的 每 一 点 都 可 看 作 是 发 射 子 波 的 波 源 , 在 其 后 的 任 意 时 刻 这 些 子 波 的 包 络 面 就 成 为 新 的 波 阵 面 , 由 波 阵 面 上 各 点 所 产 生 的 子 波 , 在 观 测 点 上 相 互 干 涉 叠 加 , 其 叠 加 结 果 就 是 在 该 点 观 测 到 的 总 振 动 ; ③斯 涅 尔 释 放 出 来 的 能 量 , 以 冲 击 波 和 高 温 高 压 气 体 的 形 式 作 用 于 岩 体 。 从 爆 炸 中 心 开 始 向 外 会 依 次 形 成 压 缩 粉 碎 区 、 破 碎 区 和 震 动 效 应 区 。 通 常 在 8 ~ 150 倍 药 ꢀ ꢀ 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 编 号 : 51274020) 。 易 巧 明 ( 1989— ) , 男 , 硕 士 研 究 生 , 100083 北 京 市 海 淀 区 学 院 路 0 号 。 3 4 0 ꢀ ꢀ 易 巧 明 ꢀ 璩 世 杰 等 : 爆 破 地 震 波 在 台 阶 坡 顶 处 放 大 效 应 研 究 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年 1 月 第 1 期 定 律 , 入 射 线 、 反 射 线 、 透 射 线 在 同 一 平 面 内 , 且 满 足 式 中 , θ 为 入 射 波 和 衍 射 波 的 夹 角 ; L′为 地 震 波 传 播 的 实 际 距 离 。 sini/ V = sin β / V = sinγ/ V2 , 入 射 波 在 经 过 弹 性 分 界 1 1 面 时 , 产 生 反 射 波 的 条 件 与 上 下 介 质 的 弹 性 参 数 ρV 有 关 , 称 之 为 波 阻 抗 , 不 同 的 介 质 波 阻 抗 各 不 相 同 , 波 的 折 射 反 射 情 况 也 各 不 相 同 。 2. 2ꢀ 台 阶 地 形 沟 槽 模 型 地 形 对 地 震 波 传 播 的 影 响 可 以 统 一 用 高 程 和 距 离 表 示 。 郭 学 彬 1] , 易 长 平 [ 2] 等 发 现 地 震 波 经 过 凹 形 地 形 后 会 有 明 显 的 衰 减 , 衰 减 程 度 与 凹 形 深 度 有 关 。 舒 大 强 3] , 陈 均  [ 4] 等 发 现 凸 形 地 貌 对 爆 破 振 动 具 有 放 大 效 应 , 且 坡 度 和 坡 高 都 会 影 响 放 大 系 数 。 郭 学 彬 5] 研 究 发 现 , 地 震 波 传 播 到 沟 槽 两 侧 时 均 有 放 大 效 应 , 认 为 左 侧 放 大 是 由 于 波 的 反 射 叠 加 使 振 动 加 强 , 右 侧 是 由 于 体 波 对 上 面 的 介 质 动 力 响 应 产 生 的 坡 面 效 应 。 [ 2 ꢀ 台 阶 爆 破 地 震 波 传 播 模 型 [ 2 . 1ꢀ 地 震 波 传 播 路 线 模 型 当 台 阶 爆 破 中 爆 源 和 测 点 不 在 同 一 高 程 时 , 爆 [ 破 地 震 波 会 遵 循 费 马 原 理 从 爆 源 沿 最 小 路 径 传 到 测 点 。 如 图 1 所 示 , 由 于 从 A 到 C 的 最 短 距 离 为 AB + BC, 故 地 震 波 会 在 B 点 发 生 绕 射 , 波 的 传 播 方 向 会 发 生 改 变 。 根 据 惠 更 斯 菲 涅 耳 原 理 , 将 所 有 与 点 B 同 波 前 的 点 波 源 , 其 所 发 射 出 的 次 波 对 于 点 C 的 贡 献 叠 加 在 一 起 , 可 以 得 到 在 点 C 的 波 的 扰 动 。 假 设 岩 体 为 均 匀 介 质 , 台 阶 爆 破 模 型 可 经 过 旋 转 看 作 是 地 震 波 经 过 一 系 列 V 型 沟 槽 传 播 , 如 图 3 所 示 。 凸 形 地 形 由 于 两 侧 均 为 自 由 面 , 地 震 波 在 自 由 面 处 反 射 使 得 能 量 集 中 释 放 , 地 表 质 点 振 速 会 有 加 强 , 因 此 , 台 阶 坡 顶 质 点 振 速 比 坡 底 大 。 引 入 坡 顶 放 大 系 数 K′, 萨 道 夫 斯 基 公 式 修 正 为 : 3 α v = ( K′) mK 槡 Q 1 + cosθ , ( 4) ( ) L′ 2 m 式 中 , ( K′) 为 坡 顶 处 放 大 系 数 , 坡 顶 处 m 取 1, 坡 图 1ꢀ 地 震 波 传 播 路 径 底 处 m 取 0。 从 基 尔 霍 夫 衍 射 公 式 , 可 以 推 导 出 惠 更 斯 菲 涅 耳 原 理 ( 见 图 2) 。 从 点 波 源 Q 发 射 的 单 频 率 波 , 其 0 能 量 与 传 播 距 离 的 平 方 成 反 比 , 波 扰 的 数 值 大 小 与 传 播 距 离 成 反 比 , 在 点 Q 的 波 扰 以 方 程 表 达 为 : 图 3ꢀ 台 阶 地 形 转 化 为 V 型 沟 槽 模 型 ikr′ e Ψ( r′) = Ψ0 , ( 1) 3 ꢀ 爆 破 振 动 测 试 r′ 3 . 1ꢀ 振 动 测 试 式 中 , Ψ0 为 复 值 波 幅 。 采 用 四 川 拓 普 测 控 科 技 有 限 公 司 研 制 生 产 的 NUBOX6016 智 能 振 动 监 测 仪 测 试 质 点 速 度 。 测 点 设 在 爆 破 作 业 台 阶 上 下 两 侧 , 使 用 多 台 仪 器 同 时 测 试 , 坡 顶 坡 底 各 一 台 , 连 续 台 阶 放 置 。 各 仪 器 连 线 和 爆 心 在 同 一 直 线 , 连 线 尽 量 与 台 阶 坡 面 垂 直 , 传 感 器 径 向 指 向 爆 心 , 传 感 器 与 地 表 之 间 采 用 石 膏 粘 结 。 传 感 器 布 置 如 图 4 所 示 。 图 2ꢀ 惠 更 斯 菲 涅 耳 原 理 示 意 假 设 点 P 在 闭 合 曲 面 S 之 外 , 应 用 基 尔 霍 夫 积 分 定 理 的 方 程 , 可 以 得 到 在 点 P 的 波 扰 : ikR Ψ( r) = - iΨ( r′) e K( χ) dS′ , ( 2) ∮ ( ) λ R S 式 中 , K( χ) 为 倾 斜 因 子 , K( χ) = 1 + cos χ。 2 在 台 阶 爆 破 地 震 波 传 播 过 程 中 , 传 统 的 萨 道 夫 斯 基 公 式 由 于 没 有 考 虑 高 程 的 影 响 , 在 预 测 波 速 时 会 有 很 大 的 误 差 。 对 此 应 用 波 衍 射 原 理 , 加 入 倾 斜 因 子 , 对 萨 道 夫 斯 基 公 式 进 行 修 正 , 即 : 图 4ꢀ 台 阶 传 感 器 布 设 3 . 2ꢀ 测 试 结 果 分 析 对 测 试 的 峰 值 速 度 进 行 回 归 分 析 , 使 用 修 改 后 3 α 1 + cosθ , Q 槡 的 萨 道 夫 斯 基 公 式 计 算 , 结 果 如 表 1 所 示 。 ( 下 转 第 65 页 ) v = K ( ( 3) ) L′ 2 4 1
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