巖體軟弱夾層對爆破震動信號影響的試驗研究

趙新濤，劉東燕

(1.河南工程學(xué)院 安全工程系，鄭州 451191;2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

在巖體中一般存在軟弱夾層或破碎帶［1－3］，由于爆破震動信號包含有藥包附近地質(zhì)結(jié)構(gòu)及應(yīng)力波傳播經(jīng)過的地質(zhì)體的特征信息［4－7］，所以軟弱夾層對爆破震動信號存在影響。本文在分析軟弱夾層影響爆破震動信號機理的基礎(chǔ)上通過試驗來研究軟弱夾層如何影響爆破震動信號，這對合理布置藥包合理利用爆能有非常大的意義。在以前的試驗中［8－9］藥包起爆順序不合理，本文在已有研究的基礎(chǔ)上改變了起爆順序，對監(jiān)測到的爆破震動信號進行分析，分析軟弱夾層如何影響震動信號。由于軟弱夾層對爆破震動信號存在影響，故可通過分析爆破震動信號的變化規(guī)律來近似判斷軟弱夾層的存在可能性，因此提出了一種識別軟弱夾層的近似簡便方法。

1 軟弱夾層影響爆破震動信號機理

在巖體開挖工程中需要使用爆破來破碎巖石，炸藥在巖體中爆炸促使巖體產(chǎn)生破壞，同時賦予藥室周圍巖體一個初始運動產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在巖體介質(zhì)中傳至遠區(qū)，遠區(qū)的爆破震動信號中所包含的主要震源信息就是初始運動引起的爆源附近地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的自振信息，這種自振的特性是由于波的傳播而帶來的能量耗散呈高阻尼震蕩，它主要受爆破區(qū)域的大小、形狀以及周圍巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響［10－11］。由于爆破可以激發(fā)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的自振，因此我們可以通過小藥量爆破的方法來進行試驗，在巖體軟弱夾層上方、下方及其所在部位進行小藥量爆破，然后分析地面監(jiān)測到的震動信號就可以得到軟弱夾層影響爆破震動信號的規(guī)律。

2 爆破監(jiān)測試驗

2.1 爆破監(jiān)測系統(tǒng)

由于試驗場地雜草叢生且高低不平，采用有線方式的監(jiān)測系統(tǒng)不方便，因此試驗所采取的測試系統(tǒng)為無線網(wǎng)絡(luò)控制的爆破震動信號測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由2套單測試系統(tǒng)組成，每套單測試系統(tǒng)包括:一臺TC－4850爆破測振儀、一個無線遙測模塊和一個三維一體化傳感器。TC－4850爆破測振儀、三維一體化傳感器及震動信號分析系統(tǒng)如圖2所示。采用無線觸發(fā)器和爆破起爆裝置進行同步觸發(fā)控制，同時工作，從而保證了數(shù)據(jù)完整無誤的記錄，監(jiān)測到的震動信號通過無線遙測模塊傳到筆記本電腦。

選擇平整、堅實的基巖面作為測試點，用生石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀，將三維一體化傳感器粘結(jié)在測試點處，約十分鐘石膏凝固后(若未凝固可加干粉促進收水)即可進行測試。傳感器的X軸指向爆源，Z方向垂直向上，數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置為:數(shù)據(jù)采集時間為2 s，采樣頻率為10 kHz。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)控制的測試系統(tǒng)Fig.1 The test system that is controlled by wireless network

圖2 試驗儀器及分析系統(tǒng)Fig.2 Experiment instruments and analysis systems

2.2 爆破監(jiān)測試驗

試驗場地選在南寧市郊區(qū)一采石場，通過地勘報告可知采石場存在軟弱夾層。通過鉆孔得到的巖屑可以大致確定軟弱夾層在地面以下6 m～7 m，垂直鉆孔深度為10 m，孔底一般在軟弱夾層以下2 m～3 m，試驗鉆孔共9個，累計進尺90 m。每個炮孔設(shè)置3個爆破點，軟弱夾層上下方各一個，即分別位于4 m和10 m處，還有一個爆破點位于軟弱夾層處，大約為6.5 m處。每個爆破點藥量均為100 g，炸藥為2#巖石炸藥，改變以前試驗中從上向下的爆破順序，在本試驗中這三個爆破點由下至上依次起爆，使用小藥量爆破及選擇由下至上的爆破順序的原因為:使用小藥量爆破產(chǎn)生的破碎區(qū)較小不會影響其它藥包周圍的巖體;如果先起爆上面的藥包就會在藥包周圍形成一個破碎區(qū)，再起爆下面的藥包所產(chǎn)成的爆破應(yīng)力波在向地表傳播的過程中可能會受到上面破碎區(qū)的影響而使信號發(fā)生變化，這樣對地面接受到的震動信號進行分析可能就會得出錯誤的結(jié)論。每個炮孔有兩個監(jiān)測點，監(jiān)測點連線通過炮孔圓心，具體見圖3，監(jiān)測完一個炮孔再進行下一個炮孔裝藥，布置監(jiān)測點，然后起爆進行監(jiān)測，依次進行下去。

3 監(jiān)測信號分析

由監(jiān)測結(jié)果可知，水平X向與Y向的爆破震動信號變化規(guī)律及幅值較為相似，而Z向震動比較明顯，因此選取水平X向和垂直Z向的震動信號的時域和頻域曲線進行分析，本文選取炮孔2其中一個監(jiān)測點的X、Z向震動信號進行分析，如圖4～圖9所示。

水平X向的爆破震動信號為:

圖3 垂直炮孔裝藥結(jié)構(gòu)及監(jiān)測點布置示意圖Fig.3 Vertical hole structure and layout of monitoring points

圖4 軟弱夾層上方的X向爆破震動信號Fig.4 The X direction blasting signals above soft interlayer

圖5 軟弱夾層處的爆破震動信號Fig.5 The X direction blasting signals in soft interlayer

圖6 孔底的爆破震動信號Fig 6 The X direction blasting signals below soft interlayer

垂直Z向的爆破震動信號為:

圖7 軟弱夾層上方的爆破震動信號Fig.7 The Z direction blasting signals above soft interlayer

圖8 軟弱夾層處的爆破震動信號Fig.8 The Z direction blasting signals in soft interlayer

圖9 軟弱夾層下方的爆破震動信號Fig 9 The Z direction blasting signals below soft interlayer

由圖4～圖9可知，水平向和垂直向的爆破震動信號的時域和頻域曲線變化規(guī)律相似，只是在幅值上差別明顯，即垂直向的幅值明顯大于水平向的幅值，這是因為水平向和垂直向是同一爆破震動信號的不同方向，而在試驗條件下的爆破震動主方向為垂直向。

從爆破震動信號時域曲線的波形、幅值以及頻域曲線的幅值分布這幾方面展開分析:

在時域曲線的波形、幅值方面:在軟弱夾層上方爆破的時域曲線波形要簡單規(guī)整些，而軟弱夾層處及軟弱夾層下方爆破的時域曲線波形相對軟弱層上方要復(fù)雜得多;在軟弱夾層上方爆破的時域曲線幅值明顯大于在軟弱夾層處及軟弱夾層下方爆破的時域曲線幅值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為:一是在軟弱夾層上方的巖體性質(zhì)相對比較均勻，因此炸藥周圍的巖體性質(zhì)是比較均勻的，炸藥爆炸后產(chǎn)生的空腔比較規(guī)則。軟弱層的力學(xué)強度小且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且含有多種物質(zhì)即子結(jié)構(gòu)較多，在軟弱夾層中進行爆破時，爆破產(chǎn)生的空腔形狀受到周圍堅硬巖石與軟弱夾層的雙重影響，使空腔形狀變復(fù)雜。軟弱夾層與其下方的藥包相距較近，炸藥爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波在向地表傳播的過程中不可避免要通過軟弱夾層，經(jīng)過了軟弱夾層的過濾再傳向地表的應(yīng)力波就變得復(fù)雜了;二是軟弱夾層上方爆破點距離地表的距離小于軟弱夾層處及軟弱夾層下方爆破點到地表的距離;三是軟弱夾層是一種結(jié)構(gòu)較為破碎、力學(xué)強度較小的軟弱結(jié)構(gòu)體，此種結(jié)構(gòu)體對爆破應(yīng)力波的衰減作用較大且非常明顯，而在軟弱夾層處及軟弱夾層下方爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波不可避免地要通過軟弱夾層。因此，在軟弱夾層處及軟弱夾層下方爆破的時域曲線波形相對于軟弱夾層上方要復(fù)雜得多，時域曲線幅值明顯小于軟弱夾層上方。

在頻域曲線的幅值分布方面:軟弱夾層上方爆破的震動信號頻域曲線主峰非常突出明顯，爆破震動的主要能量集中于100Hz以內(nèi);在軟弱夾層處及軟弱夾層下方爆破的震動信號頻域曲線較為相似，曲線疊加了較多的高頻成分，呈現(xiàn)多峰特性，振動能量分布的頻率范圍大約為0Hz－450Hz，明顯寬于在軟弱夾層上方爆破的頻率范圍。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為:軟弱夾層上方藥包周圍是巖體，其性質(zhì)相對比較均勻，爆破引起的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體自振范圍狹窄，因此在軟弱夾層上方爆破后傳播到地面的爆破震動信號頻域曲線主峰明顯且高頻成分極少;軟弱夾層處藥包周圍是軟弱夾層，局部地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)體子結(jié)構(gòu)較多，其自振頻率范圍較寬，因此地面接收的震動信號頻域曲線出現(xiàn)了較多的高頻成分呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象，爆破震動能量分布范圍較廣;軟弱夾層與其下方的藥包相距較近，炸藥爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波在向地表傳播的過程中不可避免要通過軟弱夾層，經(jīng)過了軟弱夾層的過濾，其頻域曲線就與在軟弱夾層處爆破的信號相似。

爆破地震波是不同頻率成分子波的合成，結(jié)構(gòu)體對不同頻率成分的子波放大作用不用，與結(jié)構(gòu)體自振頻率相近的頻率成分被放大，而與結(jié)構(gòu)體自振頻率相差較大的頻率成分被削弱，這種作用稱為結(jié)構(gòu)體對爆破地震波的選擇放大作用。若結(jié)構(gòu)體的子結(jié)構(gòu)較多，則其子自振頻率分布較廣，地震波經(jīng)過結(jié)構(gòu)體的動力放大后呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象，且高頻成分較多，軟弱夾層則屬于這種結(jié)構(gòu)體。若結(jié)構(gòu)體的子結(jié)構(gòu)較少，則其子自振頻率分布狹窄，地震波經(jīng)過結(jié)構(gòu)體的動力放大后突峰較少主峰明顯，且高頻成分極少，軟弱夾層上方的巖體則屬于這種結(jié)構(gòu)體。

炮孔2的另一個監(jiān)測點和其它垂直炮孔監(jiān)測點所監(jiān)測到的爆破震動信號時域和頻域曲線變化規(guī)律與上述一致，因此，通過試驗得出軟弱夾層影響爆破震動信號的規(guī)律:軟弱夾層可使爆破震動信號的時域曲線變復(fù)雜，使頻域曲線疊加較多的高頻成分，呈現(xiàn)多峰特性。

4 爆破震動信號識別軟弱夾層

識別軟弱夾層的方法通常是探井或探洞［7］以及淺層地震反射波法［12－13］、聲波法［14－16］等原位測試方法。通過本文的試驗可知軟弱夾層影響爆破震動信號時域曲線的形狀和頻域曲線的頻率范圍，因此，本文提出通過爆破震動信號來近似識別位于淺層的軟弱夾層存在性，這對常用的一些勘察方法是種補充。具體方法原理如圖10所示，如果要勘察某處是否存在軟弱夾層，可以在該處鉆垂直炮孔，然后在孔底布置少量炸藥，炸藥中心為O點，在地面布置若干監(jiān)測點，如A、B、C等，見圖10所示，如果監(jiān)測點B監(jiān)測到的爆破振動信號的時域曲線較為復(fù)雜且頻域曲線呈現(xiàn)多峰特性，而監(jiān)測點A和C監(jiān)測到的爆破振動信號的時域曲線比較規(guī)整簡單且頻域曲線主峰明顯且高頻成分較少，那么就可以大致確定區(qū)域AOB存在軟弱夾層，且軟弱夾層與OB相交，而與OA、OC不相交，然后通過探井或探洞的方法來具體確定軟弱夾層的空間位置、厚度、物理力學(xué)性質(zhì)。為了縮小探井或探洞的勘察范圍，通常監(jiān)測點到炮孔軸線距離不能過大。采用爆破振動信號法識別軟弱夾層是一種精度不高的淺層勘察方法，但對于采用爆破進行巖體開挖的工程非常適用，因為在巖體開挖工程中可以做到邊施工邊監(jiān)測，不影響工程進度，但仍需對爆破振動信號所包含的地質(zhì)信息進行深入研究以提高該方法的精度。

圖10 爆破震動信號識別軟弱夾層原理Fig.10 The principle of blasting vibration signal identify soft interlayer

5 結(jié)論與建議

(1)在南寧市郊區(qū)一采石場地進行了軟弱夾層影響爆破震動信號的試驗，在試驗中改變了以前試驗中的藥包起爆順序，藥包起爆順序為由下至上起爆。

(2)試驗結(jié)果表明:在軟弱夾層上方爆破的震動信號時域曲線比較規(guī)整簡單，頻域曲線主峰非常突出明顯且高頻部分很少;在軟弱夾層處及其下方爆破的震動信號時域曲線相對軟弱夾層上方要復(fù)雜得多，頻域曲線疊加了較多的高頻成分，曲線中呈現(xiàn)多峰特性。軟弱夾層影響爆破震動信號的規(guī)律為:軟弱夾層可使爆破震動信號的時域曲線變復(fù)雜，使頻域曲線疊加較多的高頻成分，呈現(xiàn)多峰特性。

(3)軟弱夾層對爆破震動信號影響明顯，提出了使用爆破震動信號法識別軟弱夾層存在性的方法，該方法非常適用于采用爆破進行巖體開挖的工程，但以后仍需對爆破震動信號所包含的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息進行深入研究以提高該方法的精度。

［1］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2005，75 －76.

［2］劉一偉，張繼春，郭學(xué)彬，等.軟弱夾層強度參數(shù)的室內(nèi)模擬［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，22(1):30－34.

［3］范留明，閆 娜，李 寧.薄彈性軟弱夾層的動力響應(yīng)模型［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(1):88 －92.

［4］Ding H.Study on blasting vibration［A］.proceedings of the 7th international symposium on rock fragmentation by blasting［C］.Beijing:［s.n.］，2002，11 －15.

［5］Ding H，Zheng Z M.Source model for blasting vibration and tentative application to engineering geophysics［A］.Proceedings of the 9th International Congress on Sound andVibration［C］.Florida:Orlando，2002:8 －11.

［6］Ding H，Zheng Z M.Source model of blasting vibration［J］.Science in China，Series E，2002，45(4):395－407.

［7］鐘明壽，龍 源，謝全民，等.基于分形盒維數(shù)和多重分形的爆破地震波信號分析［J］.振動與沖擊，2010，29(1):7 －11.

［8］白金澤，丁 樺，張均鋒，等.爆破方法識別滑帶實驗研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27(1):102 －105.

［9］龍麗平，伍彥峰，丁 樺，等.運用爆破震動來識別地下裂隙和軟弱夾層［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，31(6):682－685.

［10］Yan C B，Xu G Y，Zuo Y J.Destabilization analysis of overlapping underground chambers induced by blasting vibration with catastrophe theory［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2006，16(3):735 －740.

［11］周春華，龍 源，晏俊偉，等.基于WTMM的爆破振動信號奇異性分析［J］.振動與沖擊，2007，26(1):108 －111.

［12］許年春，石東虹，張 秋.反射波初至?xí)r刻判斷中的信號對比法［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，26(6):123－126.

［13］王渝培.地震反射波法在隧道施工超前預(yù)報中的應(yīng)用研究［J］.西南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，30(9):170－173.

［14］李國軍，孫靈芬，廖鴻龍，等.正交偶極聲波測井在鄂爾多斯盆地變質(zhì)巖儲層中的應(yīng)用［J］.測井技術(shù)，2007，31(4):357－359.

［15］胡 紅，羅 寧，李聯(lián)新.陣列聲波資料在測井解釋中的應(yīng)用［J］.巖性油氣藏，2008，20(2):97 －101.

［16］席道英，黃理興.巖芯聲學(xué)特性與原位測井參數(shù)對比研究［J］.巖土力學(xué)，1995，16(2):52－56.