CN110261901B - 基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法，将地震烈度定量评价方法引入岩爆烈度评价领域，步骤如下：设置爆破振动传感器，采集信号并转换成电信号，经信号放大器放大后经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统；信号分析处理系统对收到的信号进行成分识别分离进而得到卸荷诱发振动信号；对分离出的波形信号进行能量计算；分析振动能量与岩爆烈度之间的对应关系，对岩爆烈度进行评价。本发明利用爆破振动监测设备，通过信号分析来实现对深部岩体岩爆的烈度进行预测，可以最大限度的使作业工人远离危险区域，且简便实用，人力物力耗费小，施工干扰小，灵活方便，对不同的工程适应性强。

Description

基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域，具体是指一种基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法。
背景技术
岩爆是高地应力条件下开挖卸荷引起的动力失稳现象。开挖扰动使得洞壁岩石的受力状态从三维变成二维或一维，不仅为岩石的抛射破坏提供自由面，还将导致岩石内部裂纹扩展及强度弱化。
岩爆作为地下工程中世界性的难题之一，已经越来越引起国内工程地质和隧道工程界的重视。其后果轻则影响施工进度，重则危及设备安全，甚至对人员安全造成危害，对岩爆现象深入研究并进行预测，能够为相关的隧道灾害防治提供具有针对性的信息，对于我国铁道、采矿、水利水电建设中的安全施工及设计具有重要的指导意义。目前在此类灾害的监测预警方面，方法还很少，主要采用声发射(微震)监测方法，但该方法需要布置钻孔安装监测探头，会对围岩产生进一步的损伤和影响，安装监测过程相对繁琐复杂而且费用高，对整个安装质量的要求也较高，因此难以满足实际要求，无法实现对灾害的无损实时监测、监控并预警，工人难以得到宝贵的脱离时间。
对于岩爆分级问题，当前中外学界也有不一致的看法。大多根据岩爆后对于工程的危害程度、发生时的力学和声响特征、爆裂破坏特征、σθ/Rb比值、及最大水平主应力σHmax和σHmax/σv(σv为垂直主应力)等依据以及判据，将岩爆现象分为不同级别。陶振宇等人在总结国外学者探究基础之上，结合国内工程经验，根据岩石单轴抗压强度与洞壁最大主应力比值Rc/σ1等指标，将岩爆分为4级：无岩爆发生，也无声发射现象；低岩爆活动，轻微声发射现象；中等岩爆活动，较强声发射现象；高岩爆活动，强烈声发射现象。谷明成、何发亮等通过岩石单轴抗压强度与岩石单轴抗拉强度比值Rc/Rt、岩石的弹性能量指数Wet、隧道洞壁最大切向应力σθ以及岩体完整性系数Kv等指标以秦岭隧道为依托工程对岩爆现象进行判别，并按照岩爆的强烈程度将其分为轻微、中等、强烈三个级别。徐林生和王兰生等根据二郎山公路隧道施工过程中大量现场记录测试结果与围岩实际破裂情况，结合σθ/Rb指标，得出无岩爆活动、轻微岩爆活动、中等岩爆活动、强烈岩爆活动的岩爆分级级别。张镜剑、傅冰骏等结合锦屏二级水电站辅助洞(东端)工程实例，对谷明成和陶振宇等人判别指标和分级标准进行改进，将岩爆现象按照活动程度和声发射现象分为不同四级。
这些关于岩爆烈度的理论方法，大多基于数值模拟和室内试验和简单的应力判断，预测精度低，虽具有普适性，但针对性差，只能进行宏观判断，应用受到很大的局限。随着对岩爆发生机理研究的深入和现代信息技术的发展，人们开始借助一些必要的仪器，对地下工程的现场或岩体直接进行监测或测试，来判别岩爆发生的烈度。
发明内容
为了弥补上述现有监测技术的不足，本发明的目的是提供一种基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法，其适用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中岩爆(冲击地压)烈度的预测。
为实现上述目的，本发明提供的基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法，包含如下步骤：
(1)在距离掌子面10到20m的位置钻孔，并在孔内深度为5m和10m的位置埋设振动传感器；监测振动信号，转换成电信号，并将信号放大后经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统；
(2)信号分析处理系统对收到的信号进行成分识别分离进而得到卸荷诱发振动信号；
(3)对经步骤(2)分离出的诱发振动信号进行振动能量的计算；
(4)分析振动能量与岩爆烈度之间的对应关系，通过步骤(3)计算所得能量对岩爆烈度进行评价。
作为优选方案，所述步骤(2)中的对振动波形进行识别分离，是通过对信号进行融合小波变换的盲源分离的方法，分离出由围岩卸荷引起振动的波形，而后进行振动能计算。
进一步地，所述步骤(3)中的对振动能的计算采用的是基于能量流原理的围岩振动能求解方法，围岩振动能计算式为：
Figure BDA0002088746530000031
式中：Es为围岩振动能；r为测点爆心距；ρ为围岩密度；cl为纵波波速；v为振动速度。
更进一步地，所述步骤(4)中的能量与岩爆烈度之间的对应关系如下：
ML＝a logES+b (2)
式中：ML为岩爆烈度、a、b为常数。
ML≤0:弱岩爆；0＜ML≤1:中等岩爆；ML＞1:强岩爆。
所述对振动波形进行成分识别与分离，是指通过对信号进行融合小波变换的盲源分离的方法，分离出由围岩卸荷引起振动的波形；振动能的计算采用的是基于能量流原理的围岩振动能求解方法；能量与岩爆烈度之间的对应关系，采用的是里氏震级法中规定的能量与里氏震级的关系。
关于能量流原理的围岩振动能求解方法解释如下：
图5表示平面内某区域的弹性岩体，对于由圆弧l1与l2，流线l3与l4所包围的弹性体，应变能由圆弧l2流入，从圆弧l1流出，其大小可表示为：
Figure BDA0002088746530000041
类似的，开挖卸过程围岩诱发的振动能以应力波的形式在岩体中传播，可通过流向监测面的能量流计算求得。单位面积的能量流为：
Figure BDA0002088746530000042
式中：φ为单位面积能量流，
Figure BDA0002088746530000043
和
Figure BDA0002088746530000044
分别为给定监测面上压力矢量和速度矢量。
Figure BDA0002088746530000045
可通过柯西公式确定。
假设岩体为无限连续均匀介质，应力波是以球面形式向外传播的纵波。利用此假设，则式(4)在球坐标系中可以表示为
Figure BDA0002088746530000046
式中：u和v分别为位移和速度矢量；r为所选监测点与爆源的距离；λ，μ为Lamé常数。
深部岩体开挖打破了初始的能量平衡状态，被挖除的岩体中储存的应变能瞬间释放，并导致岩体中应变能以能量流的形式在围岩中流动和转移，假设能量流连续不间断的通过监测点所在的球面，则开挖过程中诱发的振动能可表示为：
Figure BDA0002088746530000051
其中，式(6)中速度可通过现代振动测试传感器捕获(3个测试方向速度矢量和)，而式中位移可利用速度对时间的积分求得，位移的空间导数可近似为：
Figure BDA0002088746530000052
式中：c为波速。当v/c≈0，式(6)可表示为：
Figure BDA0002088746530000053
其中：
Figure BDA0002088746530000054
式中：ρ为岩体密度，cl为纵波波速。
由于式(9)中被积部分是很小的谐波，对整体影响不大，为了简化计算，略去此部分，并取其绝对值，则围岩振动能可表示为：
Figure BDA0002088746530000055
经过一系列假设和简化后得到(10)式，可近似估计出深部岩体开挖卸荷过程诱发的围岩振动能的大小。
关于能量与岩爆烈度之间的对应关系如下：
ML＝a log ES+b (2)
式中：ML为岩爆烈度、a、b为常数。
ML≤0:弱岩爆；0＜ML≤1:中等岩爆；ML＞1:强岩爆。
本发明的优点和有益效果如下：
本发明利用爆破振动监测设备，通过对监测得到的振动信号进行分析进而实现对深部岩体岩爆烈度进行评价，简便实用，不需要巨大的人力和物力投入，且不干扰现场施工，灵活方便，对不同的工程适应性强。具体优点如下：
1)使用爆破振动传感器，设备体积小造价低，安装简单且精度高，监测网络建设周期短，可重复利用，因此既能适应大的洞室群，大型矿山的岩爆预报预警，也适用于投资较小的深埋隧洞。
2)可避免在具有岩爆倾向的区域作业，避免了施工人员与设备可能受到的危险，同时也避免了钻监测孔对围堰的扰动，使用石膏等廉价材料作为粘合剂，快速、可靠、经济、不干扰施工。
3)振动信号的自动识别与分离，通过对信号进行融合小波变换的盲源分离的方法，实时分离出由围岩卸荷引起振动的波形进行围岩振动能计算，并以此对岩爆烈度进行评价，具有进度高、实时性强、解放人力等特点。
附图说明
图1为本发明方法对应的整体流程示意图。
图2为测点布置示意图。
图3为实测振动信号波形。
图4为分离信号波形。
图5为静水压应力下弹性岩体中能量流线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
如图1-4所示，本发明基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法，整体结构如图1所示，具体步骤如下：
1)在距离掌子面有一定距离的位置钻孔，分别在孔内深度为为5m和10m的位置埋设振动传感器；电信号经信号放大器放大后经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统，如图2所示；
2)传感器记录的振动信号(包括微震信号、爆破振动信号、施工干扰信号)传递给计算机，通过振动信号识别分离系统对振动信号进行成分识别与分离。图3为某一实测爆破振动波形，其MS1段振动信号分离结果如图4所示，
3)对步骤2分离出的波形信号中的低频成分(由围岩卸荷引起振动的波形)进行围岩振动能计算。围岩振动能的计算公式为：
Figure BDA0002088746530000071
式中：r为测点爆心距，ρ为岩体密度，cl为纵波波速。
4)由步骤3计算所得的能量进行爆破烈度预测，预测所采用公式为:
ML＝a log ES+b (2)
式中：ML为岩爆烈度、a、b为常数。
当ML在不同的区间，警报装置会呈现出不同的反应。
ML≤0:弱岩爆；0＜ML≤1:中等岩爆；ML＞1:强岩爆。

Claims (1)

1.一种基于诱发振动的深部岩体岩爆烈度评价方法，其特征在于：包含如下步骤：
(1)在距离掌子面10到20m的位置钻孔，并在孔内深度为5m和10m的位置埋设振动传感器；监测振动信号，转换成电信号，并将信号放大后经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统；
(2)信号分析处理系统对收到的信号进行成分识别分离进而得到卸荷诱发振动信号；
(3)对经步骤(2)分离出的诱发振动信号进行振动能量的计算；
(4)分析振动能量与岩爆烈度之间的对应关系，通过步骤(3)计算所得能量对岩爆烈度进行评价；
所述步骤(2)中的对振动波形进行识别分离，是通过对信号进行融合小波变换的盲源分离的方法，分离出由围岩卸荷引起振动的波形，而后进行振动能计算；
所述步骤(3)中的对振动能的计算采用的是基于能量流原理的围岩振动能求解方法，围岩振动能计算式为：
Figure FDA0002466888650000011
式中：Es为围岩振动能；r为测点爆心距；ρ为围岩密度；cl为纵波波速；v为振动速度；
所述步骤(4)中的能量与岩爆烈度之间的对应关系如下：
ML＝a log ES+b (2)
式中：ML为岩爆烈度、a、b为常数，
ML≤0:弱岩爆；0＜ML≤1:中等岩爆；ML＞1:强岩爆。
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