CN105758509B - 一种露天矿山岩体声速的现场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，所述方法利用布置在爆区外围安全区域的台阶坡面中下部的两个测振仪器，获取两个测振仪器对应测振点围岩振动信号，两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号的时间差，即为相应矿山岩体的声速。本发明方法测量的声速是实现炸药与岩石波阻抗匹配、高效利用炸药爆炸做功破碎岩体的重要指导参数，所采集振动波的传播路径与炮孔内柱状炸药主要做功方向一致，信号强度高、干扰少，不影响正常施工作业，不需要进行矿山水平工作平台清理露出原岩后再布置测振仪器，也避免了矿山工作面的虚渣层对测试信号的干扰。

Description

一种露天矿山岩体声速的现场测量方法

技术领域

本发明涉及一种声速的测量方法，尤其是一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，属于工程爆破和露天矿山开采技术领域。

背景技术

通常认为炸药的波阻抗与岩石的波阻抗相匹配时，炸药传递给岩石的能量最多，在岩石中引起的应变值最大，可获得较好的爆破效果。为了获得炸药与岩石波阻抗的匹配关系，需要分别测量炸药密度、炸药爆速、岩石密度和岩石声速四个物理量。一般情况下，炸药密度和岩石密度可通过称重和体积测量获得，炸药爆速往往通过相关炸药爆速测试标准测得，岩石声速通过声速测试仪测得。声波探测仪通过声波的反射测试打磨岩样的相对自由面的传输时间差，再用打磨岩样相对自由面的距离除以声波时差，获得该打磨岩样的声速。该测试方法的测试样本是一块完整的岩石，用岩块的声速表征岩体的声速。事实上，岩石的声速和其破裂程度有关，破裂越严重，声速越低。因此，在研究炸药与岩石的波阻抗匹配时，需要按照工程实际情况，测量有一定破裂的岩体声速，才能更好地促进炸药与岩石的波阻抗匹配。

因此，为了在矿山爆破生产过程中实现炸药与岩石的波阻抗匹配，实现高效率低成本开采矿石，需要测量采场不同性质的破裂岩体的声速，从而为优选炸药品种、设计炸药性能、调整装药参数提供依据，充分发挥炸药爆炸时释放的能量来破碎岩体，实现精细爆破和环保爆破。

发明内容

本发明的目的是提供一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，该方法可以通过爆破施工炮孔或测试炮孔的装药爆破获得同一台阶水平的邻近爆区的破裂岩体声速，从而方便快捷地获得炸药与岩石的匹配关系，指导精细爆破设计与施工。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，所述方法利用布置在爆区外围安全区域的台阶坡面中下部的两个测振仪器，获取对应测振点围岩振动信号，两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号的时间差，即为相应矿山岩体的声速。

作为一种优选方案，所述方法包括以下步骤：

1)选定测试炮孔；

2)确定测试炮孔的起爆点埋置深度；

3)在爆区外围安全区域的台阶坡面中下部选择裸露原岩，在裸露原岩上布置两个测振仪器；其中，两个测振仪器对应的测振点与起爆点位于同一高程；

4)测量起爆点及两个测振点的三维坐标；

5)对测试炮孔进行装药；

6)将两个测振仪器与同步信号采集器连接，并启动同步信号采集器，进入待测状态；

7)按照爆破安全规程要求，进行爆破警戒，再下达起爆命令；

8)起爆后，根据起爆点及两个测振点的三维坐标，计算起爆点到两个测振点的距离，即为两个测振点距离初始震源位置的距离，从同步信号采集器读取两个测振点的围岩振动信号到达时间，两个测振点距离初始震源位置的距离差除以两个测振点的振动信号到达的时间差，即为相应矿山岩体的声速。

作为一种优选方案，步骤4)中，所述测量起爆点及两个测振点的三维坐标，具体为：

起爆点的坐标间接测量获得，即起爆点的方位坐标与炮孔孔口方位坐标相同，起爆点的高程坐标为炮孔孔口高程减去起爆点的埋置深度；两个测振点的坐标直接测量获得。

作为一种优选方案，步骤4)中，所述起爆点及两个测振点的三维坐标利用全站仪或GPS测量。

作为一种优选方案，步骤8)，具体为：

设起爆点为O，两个测振点分别为E和F，根据起爆点及两个测振点的三维坐标，计算起爆点到两个测振点的距离OE和OF，OE和OF即为两个测振点距离初始震源位置的距离，若OE＜OF，计算两个测振点距离初始震源位置的距离差Δl＝OF–OE，若OE＞OF，计算两个测振点距离初始震源位置的距离差Δl＝OE–OF；从同步信号采集器读取两个测振点的振动信号到达时间t_E和t_F，若t_E＜t_F，计算两个测振点的振动信号到达的时间差Δt＝t_F–t_E，若t_E＞t_F，计算两个测振点的振动信号到达的时间差Δt＝t_E–t_F；最后计算相应矿山岩体的声速C_岩＝Δl/Δt。

作为一种优选方案，所述在爆区外围安全区域的台阶坡面是指在爆区同一水平邻近爆区的台阶坡面，所测声速为同一水平侧方爆区的岩体声速，该声速与露天矿山台阶爆破循环推进的方向一致。

作为一种优选方案，所述测振仪器为振动传感器。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明方法利用布置在爆区外围安全区域台阶坡面中下部的两个测振仪器，获取两个测振仪器对应测振点的围岩振动信号，两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号的时间差，即为相应矿山岩体的声速，该声速是实现炸药与岩石波阻抗匹配、高效利用炸药爆炸做功破碎岩体的重要指导参数。

2、本发明方法将两个测振仪器(测振点)布置在爆区同一水平的邻近爆区的台阶坡面中下部的裸露原岩上，不需要进行矿山水平工作平台清理露出原岩后再布置测振仪器，也避免了矿山工作面的虚渣层对测试信号的干扰。

3、本发明方法获得被测爆区同一水平侧方爆区的岩体声速，该声速与露天矿山台阶爆破循环推进的方向一致，即同一台阶水平左右相邻爆区先后爆破，有利于充分利用采场工作面进行钻、爆、挖、运的流水作业组织，实验测试结果能够快速反馈并用于指导下一爆区的爆破施工。

4、本发明方法中所采集振动信号的传播路径与炮孔内柱状炸药主要做功方向一致，均是沿垂直于炮孔的水平方向，信号强度高、干扰少，不影响正常施工作业，能够更好地表征被测爆区的破裂程度对岩体波速和爆破效果的影响。

5、本发明方法可以现场测量特定爆区的具有一定破裂度岩体的声速，非经过打磨的完整岩块试样的声速，更贴近工程实际，能够更加准确地指导矿山爆破生产。

6、本发明方法适用于现场测量矿山爆破时同一水平邻近爆区的岩体声速，用来研究深孔爆破时炸药与岩石的波阻抗匹配关系及不同性能炸药爆炸后做功破碎特定岩体的能量综合利用率，从而提高爆破效率，降低爆破成本。

附图说明

图1为本发明实施例1的露天矿山岩体声速的现场测量方法原理图。

图2为本发明实施例1的爆破工作面流水组织施工顺序图。

其中，1-炮孔，2-炸药，3-堵塞，4-台阶坡面，5-同步信号采集器，6-台阶，7-爆区。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

常规爆破振动监测或者爆炸法测量岩体声速，一般将测振点布置在爆区的钻孔工作平台的后方或者侧方，甚至将测振仪器(如振动传感器)埋置于钻孔中，测振点布置在该爆区的钻孔工作平台上时，振动波的传播方向与炸药爆炸做功方向斜交，且振动信号受工作平台表面虚渣层的干扰，导致测量数据有一定程度的失真。

本发明将测振点布置在爆区同一水平的邻近爆区台阶坡面的中下部，将装药结构、爆破振动传播路径、施工顺序协调起来，实现了所测试岩体与需要爆破的岩体的统一，测试的数据可直接指导下一邻近爆区的爆破施工，信息反馈快，循环周期短，便于快速找到最佳爆破参数。

如图1所示，震源通过正常台阶爆破施工的炮孔1内装填的炸药2爆炸获得，炮孔的堵塞3合格，避免发生“冲炮”现象影响震源信号的强度，为了获得较好的测试效果，炮孔的起爆点O和测振点E、测振点F基本位于同一高程，同时测振点E、测振点F布置在爆区同一水平的邻近爆区的台阶坡面4中下部，炮孔内装填的炸药2为竖直的圆柱状，爆炸以后应力波沿圆柱状炮孔同心向外扩散，振动信号水平穿越邻近爆区的岩体分别到达两个测振点，测振点所采集到的振动信号的传播距离为OE和OF，即起爆点O到测振点E、测振点F的距离；测振点E、测振点F的振动信号通过同步信号采集器5采集，测得同一震源在不同位置所获取振动信号的时间差，待邻近爆区爆破施工时，炮孔炸药爆炸以后，也主要是通过爆炸应力波和高温高压爆生气体作用于钻孔前方的岩体，其主要作用方向也是水平的，与测量该邻近爆区声速的振动信号传播路径一致；另外，这种方向的一致性还具有信号干扰少的优点。

本发明的重要特性还体现在与矿山施工顺序协调起来，实现了所测试岩体与需要爆破的岩体的统一，露天矿山一般采用台阶式开采，按照钻、爆、挖、运、排的工艺组织流水作业，从而充分利用矿山工作面，提高机械使用效率，避免机械闲置；一般情况下，开采台阶形成以后，上一水平的某一爆区钻爆以后，紧接着进行同一水平相邻爆区的钻爆或者下一台阶水平的侧前方爆区的钻爆。

如图2所示，矿山生产组织时，以台阶6形式从上至下开采，从上到下分别为A台阶工作水平、B台阶工作水平和C台阶工作水平，每个工作水平按照一个个爆区7组织生产，先进行A水平的A-1爆区的钻爆，紧接着安排A-2或者B-1爆区的钻爆；B水平的B-1爆区钻爆后，紧接着安排B-2或者C-1爆区的钻爆；如此类推；为了避免挖运设备的频繁调遣，通常要求同一水平的不同工序间要合理衔接，以便组织顺畅的流水作业。

从上述矿山生产的流水作业安排可以看出，本发明利用爆破施工中的震源，将测振点布置在同一水平邻近爆区台阶坡面的中下部，利用两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号的时间差获得邻近爆区岩体的声速，实现了所测试岩体与紧接着需要爆破岩体的统一，测试的数据可直接指导下一邻近爆区的爆破施工。正常情况下，往往将测振点布置在爆区顶面的后方，测得爆区后侧岩体的声速，但其存在以下弊端：

1)与正常矿山施工组织中的工艺顺序不一致，施工作业不连续，难以组织施工设备的流水作业，不利于提高施工设备的出勤率，只有在掘沟爆破时才会一个爆区完成以后再爆破其后方爆区，才适宜将测振点设置在爆区正后方的工作面上。

2)工作平台宽度一般与爆区宽度不一致，或者非倍数关系，测量获得爆速的岩体往往与爆区难以一一对应，导致设计炸药与岩石破阻抗匹配时误差增大。

3)测试的震源信号的主要传播方向与所测振动波的传播方向斜交，且受上一台阶工作面虚渣层的干扰，易引起数据失真。

4)与正常矿山的爆区划分与施工顺序不一致，测试结果不能在下一爆区中应用，期间间隔较长时间，导致测试数据反馈验证周期长，不利于快速研究炸药与岩石的波阻抗匹配关系并获得较佳的爆破参数。

实施例2：

本实施例的露天矿山岩体声速的现场测量方法可以通过爆破施工炮孔或测试炮孔的装药爆破获得同一台阶水平的邻近爆区的破裂岩体声速，从而方便快捷地获得炸药与岩石的匹配关系，指导精细爆破设计与施工，其主要实施方式和步骤如下：

1)测试炮孔选定：选定爆区的首先起爆炮孔作为测试炮孔，该测试炮孔内炸药的爆炸作为震源，确保到达测振点的振动信号从爆区的首先起爆炮孔发出，避免后续起爆炮孔对测试信号的干扰；如果不利用正常台阶爆破施工的炮孔进行测试则无此限制；

2)测试方案设计：根据设计的装药结构，确定测试炮孔的起爆点埋置深度，以便起爆点与两个测振点基本位于同一高程，同时两个测振点位于邻近爆区的台阶坡面中下部以便测振仪器的布置；

3)布置测振仪器：按照测试方案，在同一水平邻近爆区的台阶坡面中下部选择裸露原岩，在裸露原岩上布置两个测振仪器，该测震仪器为振动传感器；

4)起爆点及测振点坐标测量：利用全站仪或GPS测量起爆点及两个测振点的三维坐标，其中起爆点O的坐标间接测量获得，即起爆点O的方位坐标与炮孔孔口方位坐标相同，起爆点O的高程坐标为炮孔孔口高程减去起爆点的埋置深度；两个测振点E、F的坐标直接测量获得；

5)装药：按照测试方案和爆破设计，进行装药、堵塞和联网，特别注意的是测试炮孔的起爆点埋置深度要根据测试方案确定，尽量减小误差；

6)同步信号采集器连接：将两个测振仪器与同步信号采集器连接，并启动同步信号采集器，进入待测状态；

7)起爆：按照爆破安全规程要求，进行爆破警戒，再下达起爆命令，起爆后进行安全检查，确认无安全隐患后方可解除警戒；

8)测试数据处理：起爆后，根据起爆点及测振点三维坐标计算起爆点到两个测振点的距离OE和OF，本实施例中的OE＜OF，计算两个测振点距离初始震源位置的距离差Δl＝OF–OE；从同步数据采集中读取两个测振点的围岩振动信号的到达时间t_E和t_F，本实施例中的t_E＜t_F，计算两个测振点的振动信号到达的时间差Δt＝t_F–t_E；最后计算相应矿山岩体的声速C_岩＝Δl/Δt。

综上所述，本发明方法测量的声速是实现炸药与岩石波阻抗匹配、高效利用炸药爆炸做功破碎岩体的重要指导参数，所采集振动波的传播路径与炮孔内柱状炸药主要做功方向一致，信号强度高、干扰少，不影响正常施工作业，不需要进行矿山水平工作平台清理露出原岩后再布置测振仪器，也避免了矿山工作面的虚渣层对测试信号的干扰。

以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)选定测试炮孔；

2)确定测试炮孔的起爆点埋置深度；

3)在爆区外围安全区域的台阶坡面中下部选择裸露原岩，在裸露原岩上布置两个测振仪器；其中，两个测振仪器对应的测振点与起爆点位于同一高程；

4)测量起爆点及两个测振点的三维坐标；

5)对测试炮孔进行装药；

6)将两个测振仪器与同步信号采集器连接，并启动同步信号采集器，进入待测状态；

7)按照爆破安全规程要求，进行爆破警戒，再下达起爆命令；

8)起爆后，根据起爆点及两个测振点的三维坐标，计算起爆点到两个测振点的距离，即为两个测振点距离初始震源位置的距离，从同步信号采集器读取两个测振点的围岩振动信号到达时间，两个测振点距离初始震源位置的距离差除以两个测振点的振动信号到达的时间差，即为相应矿山岩体的声速。

2.根据权利要求1所述的一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，其特征在于：步骤4)中，所述测量起爆点及两个测振点的三维坐标，具体为：

起爆点的坐标间接测量获得，即起爆点的方位坐标与炮孔孔口方位坐标相同，起爆点的高程坐标为炮孔孔口高程减去起爆点的埋置深度；两个测振点的坐标直接测量获得。

3.根据权利要求2所述的一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，其特征在于：步骤4)中，所述起爆点及两个测振点的三维坐标利用全站仪或GPS测量。

4.根据权利要求1所述的一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，其特征在于：步骤8)，具体为：

设起爆点为O，两个测振点分别为E和F，根据起爆点及两个测振点的三维坐标，计算起爆点到两个测振点的距离OE和OF，OE和OF即为两个测振点距离初始震源位置的距离，若OE＜OF，计算两个测振点距离初始震源位置的距离差Δl＝OF–OE，若OE＞OF，计算两个测振点距离初始震源位置的距离差Δl＝OE–OF；从同步信号采集器读取两个测振点的振动信号到达时间t_E和t_F，若t_E＜t_F，计算两个测振点的振动信号到达的时间差Δt＝t_F–t_E，若t_E＞t_F，计算两个测振点的振动信号到达的时间差△t＝t_E–t_F；最后计算相应矿山岩体的声速C_岩＝Δl/Δt。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，其特征在于：所述在爆区外围安全区域的台阶坡面是指在爆区同一水平邻近爆区的台阶坡面，所测声速为同一水平侧方爆区的岩体声速，该声速与露天矿山台阶爆破循环推进的方向一致。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种露天矿山岩体声速的现场测量方法，其特征在于：所述测振仪器为振动传感器。