岩体结构面对爆破地震波传播规律影响分析.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 003 岩体结构面对爆破地震波传播规律影响分析* 叶海旺 1， 2， 周建敏1， 余红兵1， 王 超1， 雷 涛1， 2 （1 武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070； 2 矿物资源加工与环境湖北省重点实验室， 武汉 430070） 摘 要 为探索岩体结构面对爆破振动速度峰值、 主频和信号中的能量分布等的影响， 在钻沟石灰石露天 矿爆破生产现场进行爆破振动测试。分别采用小波包分析和 ANSYS/ LS-DYNA 数值模拟软件对结构面影响 下的爆破振动信号和爆破振动传播规律进行分析研究。小波包分析结果表明， 当地震波穿过结构面时， 爆破 振动频率介于 0 15 6 Hz 之间的能量占爆破地震波能量比例随之增加， 增幅达 63 1， 而振动频率介于 15 7 31 3 Hz 之间的能量比例随之降低， 降幅达 56 9。数值模拟结果表明， 爆破地震波在未穿过结构面 之前和穿过结构面后， 振速峰值没有明显的衰减； 而穿过结构面时， 振速峰值衰减明显， 其平均减震率为 4066。此外， 地震波在坡体内受高程和结构面双重作用， 导致其放大系数呈先增大后减小的趋势。 关键词 爆破振动信号；结构面；小波包分析；能量分布；数值模拟 中图分类号 O383 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0012 -07 Influence of Rock Structure Planes on Propagation of Blasting Seismic Wave YE Hai-wang1， 2， ZHOU Jian-min1， YU Hong-bing1， WANG Chao1， LEI Tao1， 2 （1 School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 2 Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment， Wuhan 430070， China） Abstract In order to investigate the rock structure planes influence on particle peak velocity， frequency charac- teristics and energy distribution of blasting vibration signals， the experiments of blasting vibration were carried out at Zuangou Limestone open-pit mine The blasting vibration signals and propagation law under different elevation differ- ences were analyzed with the s of wavelet packet and numerical simulation respectively The results of wavelet packet analysis show that the blasting vibration energy of vibration frequency from 0 Hz to 15 6 Hz increases by 63 1， while the proportion of blasting vibration energy of vibration frequency from 15 7 Hz to 31 3 Hz decreases by 56 9 when the blasting seismic wave pass through the rock structure planes The results of simulation show that the particle peak velocity wasn′t attenuated obviously when the blasting seismic wave doesn′t work with the rock structure planes， while the particle peak velocity attenuated obviously when the blasting seismic wave doesn′t work with the rock structure planes， and the average attenuation rate was 40 66 Further more， the blasting vibration am- plification coefficient tended to increase firstly， and then decreased under the impact of elevation and rock structure planes Key words blasting vibration signal；rock structure planes；wavelet packet analysis；energy distribution；nu- merical simulation 收稿日期 2015 -11 -14 作者简介 叶海旺 （1971 - ） ， 男， 副教授、 博士， 从事采矿、 爆破方面 的研究与教学工 作， （ E-mail）yehaiwang369 hotmail com。 通讯作者 雷 涛 （1983 - ） ， 男， 讲师、 博士， 从事采矿方面的研究与 教学工作，（E-mail）leitao539163 com。 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51274157） ； 中央高校基本 科研业务费专项资金资助 （2014-zy-102） ； 中央高校基本 科研业务费专项资金资助 （2015IVA028） 岩体是一种不连续、 各向异性的非均质结构体， 其 间断层、 节理、 裂隙和破碎带等结构面随机分布。岩体 结构面对爆破工程有着重要的影响 ［1-3］， 一方面它可以 减小爆破振动， 另一方面它使得爆破效率降低， 容易产 生飞石。因此， 如何正确分析结构面对应力波传播衰 减规律的影响是爆破工程重点关注的问题。 目前， 对结构面的力学性质、 强度及其对边坡稳 定性影响的研究已非常广泛 ［4， 5］， 但是关于结构面 动力特性方面的研究较少。已有的研究往往只对应 力波在结构面上的透、 反射规律进行理论分析， 主要 集中在研究应力波穿越结构面后的幅值衰减效应， 而对爆破振动频率的衰减规律了解较少 ［6-8］。鉴于 此， 以钻沟石灰石露天矿爆破施工工程为背景， 采用 小波包分析和数值模拟相结合的方法， 分析现场获 取的爆破振动信号， 探讨爆破地震波穿越岩体结构 面的幅频衰减规律和特征， 为有效控制爆破振动危 害提供依据。 1 计算模型 1 1 矿山概况 钻沟石灰石露天矿位于云南省昭通市， 矿区内 地质条件复杂， 矿区底层为二叠系， 下统为浅灰色、 灰白色灰岩和灰黑色含燧石灰岩。其中， 灰白色灰 岩分布在矿区西南部， 灰黑色含燧石灰岩分布在矿 区东北部， 岩层极为破碎， 以中薄层为主， 受多期构 造挤压活动影响。两种岩性之间存在较为明显的结 构面 （夹泥） ， 如图 1 所示。 图 1 矿区两种岩体之间结构面 Fig 1 Structure planes between two kinds of rock mass 现场爆破参数为 台阶高度 15 m， 孔深 16 m， 超 深1 m。孔径165 mm， 孔距 6 m， 排距 4 m， 堵塞长度 为45 m。单孔装药量156 kg。现场采用膨化硝铵炸 药， 装药密度为10 g/ cm3， 炸药爆速为3200 m/ s。 1 2 数值模型及参数设置 为研究结构面对爆破振动的影响， 结合现场试 验， 选用 ANSYS/ LS-DYNA 软件进行模拟分析。模 型参数的选取与现场爆破参数一致。模型采用六面 体网格进行划分， 底部和两侧定义为无反射边界， 其 它定义为自由边界。 在 LS-DYNA 中， MAT PLASTIC KINEMATIC 选 项卡可以用来模拟爆破荷载下岩石的本构关系 ［9］， 此材料模型考虑了岩石介质材料的弹塑性性质， 并 且能够对材料的强化效应 （随动强化和各向同性强 化） 和应变率变化效应加以描述， 同时带有失效应 变。故本次模拟采用该材料模型模拟灰白色岩体、 结构面岩体。其参数如表 1、 表 2 所示。 表 1 灰白色岩体参数 Table 1 Parameters of gray rock 密度/ （kgm -3） 弹性模量/ GPa 泊松比 屈服应力/ MPa 切线模量/ GPa 267040 3480 45 表 2 结构面岩体参数 Table 2 Parameters of rock structure planes 密度/ （kgm -3） 弹性模量/ GPa 泊松比 屈服应力/ MPa 切线模量/ GPa 23220 40 268240 225 采用高能炸药模型以及 jWL 状态方程模拟炸 药产生的爆轰波。炸药材料及 jWL 状态方程参数 如表 3 所示。 P A 1 - ω R1 V e-R1V B 1 - ω R2 V e-R2V ωE 0 V （1） 式中 E0为炸药单位体积内能， Pa； V 为相对体积； A、 B、 ω、 R1、 R2为特征参数。 表 3 炸药材料及 JWL 状态方程参数 Table 3 Parameters of explosive materials and JWL equation 密度/ （kgm -3） 爆速/ （ms -1） A/ GPa B/ GPa R1R2 ω E0/ GPa V 85035002144 0182 42 09 015 4192 10 2 爆破振动测试及结果分析 2 1 爆破振动测试 现场采用成都 TC-4850 爆破测振仪分别获取 竖直方向 （Z） 、 水平切向 （X） 、 水平径向 （Y， 指向爆 31第 33 卷 第 1 期 叶海旺， 周建敏， 余红兵， 等 岩体结构面对爆破地震波传播规律影响分析 源） 的爆破振动信号。测点布置如图 2 所示， 测点 1、 2 分布于结构面前， 测点 5、 6 分布于结构面后， 测 点 3、 4 紧邻结构面且分别分布于结构面前、 后。各 个测点与爆区中心在同一垂直平面内。 图 2 爆破振动测点布置示意图 （单位 m） Fig 2 Arrangement of blasting vibration testing points （unit m） 2 2 振动测试结果及分析 在钻沟石灰石露天矿现场进行多次爆破振动测 试， 部分典型数据如表 4 所示。表 4 中水平方向振 速为水平切向和水平径向振速的矢量和。 （1） 对比数组 1 和数组 2 的数据， 爆破振动速 度峰值平均衰减率为 6 97； 对比数组 3 和数组 4 的数据， 其平均衰减率为 48 59； 同样对比数组 5 和数组 6 的数据， 其平均衰减率为 7 62。由此可 见， 爆破地震波在未穿过结构面之前和穿过结构面 后， 爆破振动速度随爆心距的增加没有明显的衰减， 而爆破地震波穿过结构面时， 爆破振动速度衰减幅 度较大。 （2） 爆破振动信号的垂直振速衰减率要大于水 平振速的衰减率， 说明爆破地震波在传播过程中垂 直方向的能量衰减更快。 2 3 爆破振动信号的小波包能量分析 小波包分析为信号提供一种更精细的分析方 法， 将频带进行多层次划分， 把信号的能量集中到更 小更均匀的频带中， 在处理爆破振动信号时优势非 常明显 ［10， 11］。在小波族中， Daubechies 小波系列具 有较好的紧支撑性、 光滑性和近似对称性 ［12， 13］， 并 已成功地应用于分析包括爆破振动信号在内的非平 稳信号问题中。此处选择 db8 作为爆破振动信号小 波包分析的基函数。由于爆破振动信号的频率一般 在 200 Hz 以下， 根据采样定理 ［14］， 由于现场实测信 号的采样频率为 4000 Hz， 则其奈奎斯特 （Nyquist） 频率为 2000 Hz。因此， 将爆破振动信号分解到第 8 层， 其对应的最低频带为 0 7 8 Hz。 表 4 现场爆破振动数据 Table 4 Test data of blasting vibration 数组高差/ m爆心距/ m 单响药量/ kg 水平方向速度/ （cms -1） 衰减 率/ 垂直方向速度/ （cms -1） 衰减 率/ 145134 344682 215 882 988 05 245144 654682 022 74 360164 214681 9644 391 9352 79 460171 844681 090 91 575196 824680 876 900 788 33 675211 654680 810 72 设第 8 层重构信号 S8，j对应的能量为 E8，j， E0 为被分析信号的总能量， Ej为各频带的能量占信号 总能量的比例。则三者关系如下 E8，j ∫ S8，j（t）2dt ∑ m k 1 xj， k 2 （2） E0∑ 28-1 j 1 E8，j（3） Ej E8，j E0 100（4） 式中 xj， k（j 0， 1， 2， ， 28-1， k 1， 2， ， m， m 为信号 的离散采样点数） 表示重构信号 S8， j的离散点幅值。 选取表 4 中的 6 组爆破振动信号进行小波包分 析。其中数组 1 和数组 2 为未受结构面影响的爆破 振动信号， 数组 3 和数组 4 为受结构面影响的爆破 振动信号。数组 5 和数组 6 为穿过结构面后的爆破 振动信号。采用 db8 小波基函数进行深度为 8 层的 小波包分解 ［15］。根据式 （2） 式 （4） 编制相应的 MATLAB 计算程序， 获得不同条件下的爆破振动信 号能量在各频带的分布情况， 其中信号水平切向的 分布情况如图 3、 图 4、 图 5 所示。 从图 3、 图 4、 图 5 可以看出， 爆破振动信号能量 主要分布在振动频率 125 Hz 以下的频带， 表 5、 6、 7 列出了在 125 Hz 频带内爆破振动信号三个方向的 能量在各频带的分布情况。 41爆 破 2016 年 3 月 图 3 未受结构面影响的爆破振动信号能量分布 Fig 3 Frequency band energy distribution before the structure planes 图 4 紧邻结构面的爆破振动信号能量分布 Fig 4 Frequency band energy distribution next to the structure planes 图 5 穿过结构面后的爆破振动信号能量分布 Fig 5 Frequency band energy distribution after the structure planes 表 5 爆破振动信号水平切向的能量分布百分比统计 Table 5 Percentage of frequency band energy distribution at horizontal tangential direction 频带/ Hz 数组 1/ 数组 2／ 信号水平切向方向的能量分布 数组 3／ 数组 4／ 数组 5／ 数组 6／ 0 7 82 25952 47653 60177 67310 79923 1252 7 9 15 622 415024 382033 676046 901072 942075 7280 15 7 23 49 768313 878013 684016 48307 363911 9200 23 5 31 323 002021 512018 478010 852014 58104 6460 31 4 46 913 011011 68609 21663 31160 17870 4806 47 0 62 523 972022 739011 45408 59603 54603 8145 62 6 85 90 13650 06240 07970 08960 04350 0108 86 0 1255 32113 00319 71086 02260 15210 2664 51第 33 卷 第 1 期 叶海旺， 周建敏， 余红兵， 等 岩体结构面对爆破地震波传播规律影响分析 表 6 爆破振动信号水平径向的能量分布百分比统计 Table 6 Percentage of frequency band energy distribution at horizontal radial direction 频带/ Hz 数组 1/ 数组 2／ 信号水平径向的能量分布 数组 3／ 数组 4／ 数组 5／ 数组 6／ 0 7 80 37851 47631 10681 25920 84421 0401 7 9 15 627 393028 562030 020049 446059 085065 9280 15 7 23 411 637010 08309 44445 914810 62108 1379 23 5 31 339 570038 532044 155017 181020 705013 3850 31 4 46 94 24285 03061 75876 44713 90424 1227 47 0 62 514 465014 954011 172018 22903 73264 5362 62 6 85 90 14740 09540 01210 07230 01990 6669 86 0 1252 10541 15842 31631 40411 05951 9199 表 7 爆破振动信号垂直方向的能量分布百分比统计 Table 7 Percentage of frequency band energy distribution at vertical direction 频带/ Hz 数组 1/ 数组 2／ 信号垂直方向的能量分布 数组 3／ 数组 4／ 数组 5／ 数组 6／ 0 7 80 56862 43571 62515 77820 340762 7460 7 9 15 627 645031 842032 892048 477054 7890061 6750 15 7 23 425 817023 342021 68307 764111 158004 2552 23 5 31 316 402018 818012 15804 966922 8450016 7760 31 4 46 94 98415 58887 215416 13701 816894 6114 47 0 62 520 266011 368022 330010 91708 123906 3681 62 6 85 90 08610 36250 15060 20650 009600 3065 86 0 1254 20326 12401 88695 53490 902103 1925 由表 5、 表 6、 表 7 可知 （1） 对于未穿过结构面的爆破振动信号来说， 集中在0 60 Hz 频带能量占80左右， 但是对于穿 过结构面的爆破振动信号来说， 其能量的 80以上 主要集中在 0 30 Hz 之间。 （2） 重点分析爆破振动信号水平径向的能量分 布。对比数组 1 和数组 2， 发现在爆破振动未受结 构面影响时， 爆破振动频率介于 0 15 6 Hz 之间的 能量占振动信号总能量的比例从 27 7 增加到 300。而爆破振动频率介于 15 7 31 3 Hz 之间 的能量比例从 51 2降低到 48 6。对比数组 3 和数组 4， 在爆破振动穿过结构面时， 爆破振动频率 介于 0 156 HZ 之间的能量比例从 31 1增加到 507， 而爆破振动频率介于 15 7 31 3 Hz 之间 的能量比例从 53 6降低到 23 1。而对比数组 5 和数组 6， 在爆破振动穿过结构面后并远离结构面 时， 爆破振动频率介于 0 15 6 Hz 之间的能量比例 从 59 9 增加到 67 0， 而爆破振动频率介于 15 7 31 3 Hz之间的能量比例从 31 3 降低到 215。 （3） 对比爆破振动信号另两个方向的能量分 布， 发现与水平径向分布规律一致。由此可见， 结构 面将爆破振动信号的高频振动能量转化成了低频振 动能量。 3 数值模拟 3 1 测点布置 根据云南钻沟石灰石矿山爆破工程建立数值模 型， 以爆源上部和水平岩体为研究对象， 分析爆破振 动经过结构面的变化规律。其测点位置选取如图 6 所示。 3 2 计算结果与分析 地震波穿过结构面的爆破振动模拟数据如表 8、 表 9 所示。表中爆破振动速度为水平方向和垂直 方向的速度峰值。 由表 8， 表 9 数据可得 （1） 在相同爆心距的情况下， 计算平均衰减率 来评价结构面对地震波的衰减效果。根据表 8 数据 可得 地震波穿过结构面后， 其水平方向振速的平均 衰减率为 41 75， 垂直方向振速的平均衰减率为 3956。而爆破地震波在未穿过结构面之前和穿 过结构面后， 爆破振动速度随爆心距的增加没有明 显的衰减， 其平均衰减率分别为 593和 717。 （2） 将数值模拟的数据与现场试验数据对比发 61爆 破 2016 年 3 月 现 现场爆破振动穿越结构面时爆破振动速度平均 衰减率为 46 55， 而数值模拟所得平均衰减率为 4066， 相对误差为 12 65。在未穿过结构面之 前和穿过结构面后， 其爆破振动平均衰减率分别为 646和 7 62。而数值模拟所得平均衰减率为 593和717， 相对误差为82和59。可以 看出， 数值模拟的平均衰减率均较现场实测的衰减 率略小， 但是误差在合理范围之内， 证明了数值模拟 的可靠性。 图 6 测点布置示意图 Fig 6 Arrangement of blasting vibration testing points 表 8 紧邻结构面爆破振动模拟数据 Table 8 Simulation data of blasting vibration next to the structure planes 测点 编号 高差/ m爆心距/ m 水平方向振速/ （cms -1） 衰减 率/ 垂直方向振速/ （cms -1） 衰减 率/ 1601341 8432 111 32027 27 6601381 250 960 2451261 6641 561 34037 92 7451300 970 830 3301181 1541 741 54042 21 8301220 670 890 4151101 6844 051 35044 44 9151140 940 750 501023 4149 271 87045 98 1001061 731 010 11451122 247 141 7004 71 12451162 081 620 13751440 978 250 8706 09 14751480 890 817 表 9 不同高程和水平测点爆破振动模拟数据 Table 9 Simulation data of blasting vibration under different elevation and horizontal testing points 测点 编号 高差/ m爆心距/ m 水平方向振速/ （cms -1） 放大系数 垂直方向振速/ （cms -1） 放大系数 19751440 970 6700 870 88 2401441 440 98 18601281 180 7700 960 91 2301281 531 06 17451122 201 3751 681 35 2201121 601 24 1630962 441 1201 921 11 210962 171 73 1515802 521 0202 321 09 200802 472 13 71第 33 卷 第 1 期 叶海旺， 周建敏， 余红兵， 等 岩体结构面对爆破地震波传播规律影响分析 （3） 在相同爆心距的情况下， 计算不同相对高 程与水平测点的放大系数。由表 9 可得， 随着爆心 距和高程差的增加， 放大系数呈先增大后减小的趋 势。由于结构面产状为顺坡方向， 坡体内地震波先 通过结构面， 振速峰值急剧衰减， 导致放大系数增 大。而随着爆心距增加， 坡体表面地震波也通过结 构面， 导致放大系数又减小。 4 结论 （1） 小波分析结果表明， 以与建筑物固有频率 相接近的 23 4 Hz 为界， 其中 0 23 4 Hz 之间的能 量占总能量比例呈上升趋势， 增幅为 63 1； 而 23 4 62 5 Hz 之间的能量占总能量比例明显降 低， 降幅达 56 9； 可见， 结构面将爆破振动信号的高 频振动能量转化成了低频振动能量。而该频率非常接 近边坡的固有频率， 易发生共振， 造成边坡的失稳。 （2） 数值模拟结果表明， 在地震波穿过结构面 的条件下， 爆破振动存在明显的衰减效果， 平均减震 率为 40 66； 而爆破地震波在未穿过结构面之前 和穿过结构面后， 爆破振动速度没有明显的衰减。 地震波在坡体内受高程和结构面双重作用， 导致其 放大系数呈先增大后减小的趋势。 （3） 数值模拟结果与现场实测结果比较可得 数值模拟的振速与实测振速较为接近， 数值模拟振 速的平均衰减率均较实测的衰减率略小， 但是误差 在合理范围之内， 证明了数值模拟的可靠性。 参考文献 （References） ［1］ 蒲传金， 肖定军 岩体结构面对边坡爆破的影响及改 进措施 ［j］ 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