地震波跨河道传播衰减规律及振速预测-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
地震波跨河道传播衰减规律及振速预测
2016-01-12
为了分析河道对爆破地震波传播的影响并提高预测河道对岸测点振速的准确性,采用ANSYS/ LSDYNA 软件建立不同河道参数的模型。模拟结果表明:河道对岸测点峰值振速与河道宽度为负相关关系;河道深度 和河道与爆源距离的改变对河道岸边近区地震波的传播影响较大,对远区影响较小;水深对地震波的传播影响较小。 然后结合模拟结果和量纲分析法,对萨道夫斯基公式进行修正,经金堆城矿区现场爆破试验验证,其预测的振速误差 较萨道夫斯基公式平均降低了约79. 43%,更适用于预测地震波跨河道传播振速。
Series No. 475 ꢀ Januaryꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 475期 METAL MINE 2016 年第 1 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 地震波跨河道传播衰减规律及振速预测 1 2 1 李泽安 ꢀ 郝成磊 ꢀ 张建华 ( 1. 武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070;2. 北方爆破科技有限公司,北京 100089) 摘ꢀ 要ꢀ 为了分析河道对爆破地震波传播的影响并提高预测河道对岸测点振速的准确性,采用 ANSYS/ LSꢁ DYNA 软件建立不同河道参数的模型。 模拟结果表明:河道对岸测点峰值振速与河道宽度为负相关关系;河道深度 和河道与爆源距离的改变对河道岸边近区地震波的传播影响较大,对远区影响较小;水深对地震波的传播影响较小。 然后结合模拟结果和量纲分析法,对萨道夫斯基公式进行修正,经金堆城矿区现场爆破试验验证,其预测的振速误差 较萨道夫斯基公式平均降低了约 79. 43% ,更适用于预测地震波跨河道传播振速。 关键词ꢀ 地震波ꢀ 河道ꢀ 振速ꢀ ANSYS/ LSꢁDYNAꢀ 爆破 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD235. 5ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-01-021-04 The Seismic Waves Propagation Attenuation Law Across the Channel and the Velocity Prediction 1 2 1 Li Ze′an ꢀ Hao Chenglei ꢀ Zhang Jianhua ( 1. School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China; 2. The Northern Blasting Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100089,China) Abstractꢀ To analyze the impact of river on blasting seismic wave propagation and improve the velocity prediction accu- racy of the measuring point across the river shore,the ANSYS/ LS-DYNA software is adopted to set up different parameters of the channel model. The simulation results show that the peak velocity of measuring points has a negative correlation with the channel width;The change of channel depth and distance between channel and explosive source greatly affects the seismic wave propagation at the near area of river shore,but less at the far area of river shore;The depth of water has little impact on the spread of seismic wave. Combining with the simulation results and the dimension analysis method,the Sadov′s Vibration Formu- la is remedied and verified at Jinduicheng blasting experiments. The predicted blasting error is decreased by about 79. 43% , compared with that of the previous Sadov′s vibration formula. It is more suitable to predict seismic wave spread velocity across the river. Keywordsꢀ Seismic wave,Channel,Vibration velocity,ANSYS/ LS-DYNA,Blasting [ 5-7] 。 所以, ꢀ ꢀ 随着经济建设的快速发展和需要,爆破技术愈加 值振速在河道有水情况下比没水时要大 [ 1] 频繁地应用于工程建设中 ,其在给人们带来了低 为了提高河对岸地震波振速预测的准确性,有必要研 究河道参数对地震波传播的影响,并对萨道夫斯基公 式进行修正。 成本、低能耗、高效率的同时,还给人们带来了负面的 [ 2] 影响,如噪音、空气冲击波、粉尘、地震波等 。 其中 爆破产生的地震波危害极大,因为当爆破震动达到一 1ꢀ 研究方法 [ 3] 定强度时,会损坏周围的建筑物 。 因此,想要尽可 目前常用的研究爆破地震波跨河道传播规律的 方法有理论方法、有限元方法、流固耦合分析方法 3 种。 本研究采用有限元分析方法,通过 ANSYS / LSꢁ 能降低爆破的负面影响,就需要在爆破前预测爆源附 [ 4] 近保护对象的最大振速是否超过安全范围 。 然而 在实际工程应用中,爆破点与监测点之间可能存在隔 有河道或江的情况,如果此时用萨道夫斯基公式预测 振速,可能会产生较大误差,这是因为河道不管在有 水和无水情况下都会对地震波的传播构成影响,且峰 DYNA 软件建立不同河道参数的模型分析河道对地 震波传播的影响。 1. 1ꢀ ANSYS/ LS-DYNA 软件介绍 LSꢁDYNA 为 ANSYS / LSꢁDYNA 分析软件的求 收稿日期ꢀ 2015-10-23 作者简介ꢀ 李泽安(1992—),男,硕士研究生。 · 21· 总第 475 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 1 期 解器,以 Lagrange 为 主 要 算 法, 同 时 兼 有 Euler 和 ALE 算法,既可以进行显式求解,也可以进行隐式求 解,以非线性动力为主要分析方法,可以求解爆炸、穿 甲与侵蚀、应力波传播、流固耦合等问题,应用范围涵 盖航空航天、汽车、国防、建筑领域,用户遍布世界各 1. 3ꢀ 模型建立及分析 (1)河道宽度对地震波传播的影响。 建立河道 与爆源距离为 20 m,河道深度 5 m,河道水深 4 m,河 道宽度分别为 30、40、50 m 的 3 个有限元模型,模型 其他参数同上。 选取爆源距离为 53、58、63、68、73、 78、83、88、93 m 的 9 个质点测量水平径向和垂直向 的峰值振速,结果如图 2 所示。 [ 8] 国的研究机构和部门 . 2ꢀ 模型的基本参数 通过 ANSYS / LSꢁDYNA 软件建立有河道的爆破 。 1 模型,采用 1 / 4 模型(之所以是 1 / 4 模型,不是 1 ∶ 4 比例,是因为本模型具有对称性,只需建立 1 / 4 模 型)建模,模型尺寸 150 m×5 m×12 m,炮孔直径 120 mm,孔深 10 m,装药长度 8 m,堵塞长度 2 m,装药量 为 76 kg。 对模型左侧表面和前表面分别施加 X 轴方 向和 Z 轴方向的固定约束,上表面和河道均为自由 面边界,其他均为无反射边界。 炸药、水和岩石网格 尺寸分别为 1 cm×50 cm、50 cm×50 cm、50 cm×50 cm。 模型如图 1 所示。 图 1ꢀ 模型 Fig. 1ꢀ Model 模型中炸药和水采用 ALE 算法,岩石采用 La- grange 算法,用关键字∗MAT_HIGH_EXPLOSIVE_ BURN 和 ∗ EOS _ JWL 来 定 义 炸 药 参 数, ∗ MAT _ PLASTIC_KINEMATIC 定义岩石材料参数,∗MAT_ NULL 和∗EOS_GRUNEISEN 定义水的参数,其具体 参数见表 1 ~ 表 3。 图 2ꢀ 不同河宽测点振速衰减曲线 Fig. 2ꢀ The measuring point velocity attenuation curve of different river width ■ ● ▲ —30 m; —40 m; —50 m 从图 2 可见:随着河道宽度的增加,离爆源越近, 地震波衰减越快,但随着爆心距的增加,测点水平径 向和垂直向峰值振速的走势基本保持一致,说明河道 宽度的改变对河道岸边近区影响较大,对远区影响较 小;质点垂直向振速先增加后降低,这是因为河道对 爆破地震波的屏蔽作用,使得河道对岸附近的地方峰 值振速变小,以后地震波通过河道底部传入,使得峰 表 1ꢀ 炸药参数及 JWL 状态方程参数 Table 1ꢀ The parameters of explosive and the JWL state equation 初始能 量密度 E0 / GPa 密度 爆ꢀ 速 参数 A 参数 B 参数 (kg/ m ) / (m/ s) / GPa / GPa 参数 参数 ω 3 / R 1 R 2 1 000 4 300 229 0. 55 6. 5 1. 0 0. 35 3. 51 [ 4] 值振速变大,再随着距离的增大而衰减 2)河道深度对地震波传播的影响。 建立河道 。 表 2ꢀ 岩石参数 Table 2ꢀ Rock parameters ( 与爆源距离为 20 m,河道宽度 40 m,河道水深 4 m, 河道深度分别为 5、7、10 m 的 3 个模型,模型其他参 数同上。 选取爆源距离为 63、68、73、78、83、88、93 m 的 7 个质点测量水平径向和垂直向的峰值振速,结果 如图 3 所示。 密ꢀ 度 (kg/ m ) 弹性模量 / GPa 40 屈服应力 切线模量 泊松比 硬化参数 3 / / GPa / GPa 2 650 0. 3 0. 03 4. 5 0 表 3ꢀ 水的参数 Table 3ꢀ Water parameters 密度 ρ0 曲线 曲线斜 曲线斜 曲线斜 Gruneisen 一阶体 从图 3 可以得到:随着河深的增加,同一测点水 平径向振速和垂直振速都呈减小趋势,说明河深与测 点振速呈负相关关系。 内能 E 截距 率系数 率系数 率系数 C 参数 积修正 GAMAO 量 A′ 3 S1 S2 S3 / (kg/ m ) 1 020 1 650 1. 92 ꢁ0. 096 0 0. 35 0 0 · 22· ꢀ ꢀ ꢀ 李泽安等:地震波跨河道传播衰减规律及振速预测ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 1 期 的传播衰减影响程度很小。 ( 4) 河道与爆源的距离对地震波传播的影响。 建立河道宽度 40 m,河道深度 7 m,河道水深 4 m,河 道与爆源距离分别为 10、20、30 m 的 3 个模型,模型 其他参数同上。 选取爆源距离为 53、58、63、68、73、 78、83、88、93 m 的 9 个质点测量水平径向和垂直向 的峰值振速,结果如图 5 所示。 图 3ꢀ 不同河深测点振速衰减曲线 Fig. 3ꢀ The measuring point velocity attenuation curve of different river depth ■ ● ▲ —5 m; —7 m; —10 m ( 3)河道水深对地震波传播的影响。 建立河道 与爆源距离 20 m,河道宽度 40 m,河道深度 7 m,水 深分别为 2、4、6 m 的 3 个模型,模型其他参数同上。 选取爆源距离为 63、68、73、78、83、88、93 m 的 7 个质 点测量水平径向和垂直向的峰值振速,结果如图 4 所 示。 图 5ꢀ 不同河道与爆源的距离测点振速衰减曲线 Fig. 5ꢀ The measuring point velocity attenuation curve of different the distance between channel and explosive source ■ ● ▲ —10 m; —20 m; —30 m 从图 5 可以看出,爆源离河道越近,地震波的衰 减程度越大,对地震波的衰减效果越明显,但随着距 离的增大,影响效果越来越不明显,说明河道与爆源 的距离的改变也是对河道岸边近区影响较大,对远区 影响较小。 因此,从以上分析可以得到:河道宽度、深度、水 深和河道与爆源的距离的改变均会影响地震波的传 播,但其影响规律各不相同。 2 ꢀ 振速预测公式 2. 1ꢀ 公式的提出 目前常用萨道夫斯基公式 α v = KæQ ö è R ø 1 / 3 (1) 图 4ꢀ 不同水深测点振速衰减曲线 Fig. 4ꢀ The measuring point velocity attenuation curve of different water depth 预测测点振速,但经过数值模拟分析证明了河道的存 在会对地震波的衰减产生影响,因此在考虑河道参数 的情况下,结合量纲分析法,提出以下预测公式: ■ ● ▲ —2 m; —4 m; —6 m 1 / 3 α β β β β β 1 2 3 4 5 v = k1 k2 (Q ) R H n l m , (2) 从图 4 可以看出,随着河道水深的增加,测点水 平径向振速和垂直振速基本一致,说明水深对地震波 式中,v 为河道对岸测点峰值振速,cm/ s;k1 是地质影 · 23· 总第 475 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 1 期 响因素;k2 是河道地形影响因素;Q 为最大段起爆药 量,kg;R 为观测点到爆源的距离,m;H 为河的深度, m;n 为水的深度,m;l 为河道与爆源的距离,m;m 为 河的宽度,m;α 为地震波衰减系数;β1 、β2 、β3 、β4 、β5 为影响因子。 均会影响地震波的衰减,其中河道深度的改变影响最 为明显,水深的改变影响最不明显。 (2)根据数值模拟分析结果,修正萨道夫斯基公 式,提出新的预测计算公式。 经过金堆城矿区现场验 证,该公式比萨道夫斯基公式预测的误差率平均降低 了约 79. 43% ,更适用于地震波跨河道传播的振速预 测,具有工程实际应用价值。 2 . 2ꢀ 公式验证 以陕西华县金堆城钼矿为例,该矿区属于大型露 天矿,矿区东邦附件有条东川河,东川河的东南部为 村庄。 选择在矿区的东邦进行爆破,监测村庄的振 速。 将实测数据分为 2 组,第 1 组数据用 SPSS 软件 对式(1)进行拟合,其中根据矿区现场地质情况给出 k1 =150、α=1. 8,经拟合后得 k2 = 0. 004、β1 = ꢁ0. 515、 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 袁海平. 基于神经网络民房频繁震动累积损伤预测研究[D]. 武 汉:长江科学院,2009. Yuan Haiping. Study on Forecasting Cumulative Damage of Civilian Building under Frequent Vibrations Based on Neural Network[ D]. Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute,2009. 2]ꢀ 赵新涛. 城市岩体开挖爆破振动效应及安全控制研究[D]. 重 庆:重庆大学,2010. β2 =0. 466、β3 = ꢁ1. 006、β4 = ꢁ0. 214、β5 =0. 127。 表 4ꢀ 金堆城露天爆破实测振速 [ Table 4ꢀ The measured vibration velocity of Jinduicheng openꢁpit blasting Zhao Xintao. Study on Blasting Vibration Effect and Safety Control- ling in City Rock Excavation[D]. Chongqing:Chongqing University, 2010. Q kg m / m H / m n / m R / m V 实测 组数 / l/ m / (cm/ s) 0. 761 8 0. 723 1 0. 805 2 0. 752 3 0. 734 1 0. 832 1 0. 754 2 0. 702 6 0. 592 8 0. 651 8 0. 613 2 4 4 4 00 00 00 70 70 60 60 50 50 50 45 45 60 60 10 11 10 12 10 12 10 10 11 10 12 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 90 111 95 [3]ꢀ 谢ꢀ 姣. 基于 Ansys/ lsꢁdyna 数值模拟的爆破地震效应影响因素 分析[D]. 西安:长安大学,2014. Xie Jiao. Analysis on Blasting Seismic Effect Factors Based on An- sys/ ls-dyna Numerical Simulation[ D]. Xian: Changan University, 第一组 400 102 105 92 380 380 380 350 350 350 350 2 014. 4] ꢀ 张在晨,林从谋,黄志波,等. 隧道爆破近区振动的预测方法 J]. 爆炸与冲击,2014(3):367-372. [ [ 100 95 [ Zhang Zaichen, Lin Congmou, Huang Zhibo, et al. Prediction of blasting vibration of area near tunnel blasting source[J]. Explosive and Shock Waves,2014(3):367-372. 106 100 107 第二组 5]ꢀ 易长平,许红涛,卢文波,等. 河道对爆破地震波传播规律的影 响分析[J]. 长江科学院院报,2003(S1):5-7. ꢀ ꢀ 然后分别用萨道夫斯基公式和式(2) 预测第 2 组的振速,最后进行误差分析,分析结果见表 5。 表 5ꢀ 误差分析 Yi Changping,Xu Hongtao,Lu Wenbo,et al. Influence of riverway on transmission of blasting seismic wave[J]. Journal of Yangtze Riv- er Scientific Research Institute,2003(S1):5-7. Table 5ꢀ The error analysis V实测 V1 V2 [6]ꢀ 梁开水,陈天珠,易长平. 减震沟减震效果的数值模拟研究[J]. 爆破,2006(3):18-21. η1 η2 / (cm/ s) / (cm/ s) / (cm/ s) 0 . 702 6 . 592 8 . 651 8 . 613 2 1. 388 7 1. 140 2 1. 266 2 1. 121 0 0. 803 5 0. 768 7 0. 735 8 0. 727 3 0. 976 6 0. 923 4 0. 942 7 0. 828 2 0. 143 6 0. 296 7 0. 128 9 0. 186 1 Liang Kaishui, Chen Tianzhu, Yi Changping. Numerical simulation for vibration-isolating effect of vibration-isolating slot[ J]. Blasting, 0 0 2 006(3):18-21. 0 [ [ 7]ꢀ 潘ꢀ 涛,康ꢀ 强,赵明生. 减震沟相关参数对减震效果影响的数 值模拟[J]. 金属矿山,2013(5):45-48. ꢀ ꢀ 注:V1 为萨道夫斯基公式预测的振速,V2 为式(2) 预测的振速, η1 为萨道夫斯基公式振速预测误差,η2 为式(2)振速预测误差。 从表 5 误差分析可以看出,用萨道夫斯基公式预 测村庄振速,误差(η1 )平均在 91. 77% ,而用式(2)预 测则误差(η2 ) 大幅度降低,评均为 18. 88% ,较萨道 夫斯基公式预测的误差率平均降低了约 79. 43% ,因 此可以认为式(2) 更适用于预测地震波跨河道传播 对岸测点的振速。 Pan Tao, Kang Qiang, Zhao Mingsheng. Numerical simulation of damping effects of damping ditch parameters on vibration reduction [ J]. Metal Mine,2013(5):45-48. 8]ꢀ 郝成磊. 东川河对地震波传播的影响及振速预测研究[D]. 武 汉:武汉理工大学,2015. Hao Chenglei. Study of Dongchuan River Impact on Seismic Wave Propagation and Velocity Prediction[D]. Wuhan:Wuhan University of Technology,2015. ( 责任编辑ꢀ 徐志宏) 3 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)河道宽度、深度、水深和河道与爆源的距离 · 24·
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号