CN112285763A - 不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统 - Google Patents
不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112285763A CN112285763A CN202010897645.5A CN202010897645A CN112285763A CN 112285763 A CN112285763 A CN 112285763A CN 202010897645 A CN202010897645 A CN 202010897645A CN 112285763 A CN112285763 A CN 112285763A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- uncoupled
- explosive
- source
- excitation
- determining
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002360 explosive Substances 0.000 title claims abstract description 284
- 230000005284 excitation Effects 0.000 title claims abstract description 98
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 101
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 68
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 68
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 68
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims abstract description 66
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 66
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 38
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 52
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 46
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 15
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 15
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 14
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 13
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 11
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 6
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 6
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 3
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 4
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 3
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
- G01V1/02—Generating seismic energy
- G01V1/104—Generating seismic energy using explosive charges
- G01V1/13—Arrangements or disposition of charges to produce a desired pattern in space or time
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V2210/00—Details of seismic processing or analysis
- G01V2210/10—Aspects of acoustic signal generation or detection
- G01V2210/12—Signal generation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
本发明涉及一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统，该方法包括：A、建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型，进而确定各层岩土动态变形模型参数；B、确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质；C、预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，确定满足能量和分辨率的不耦合系数。该方法能够快速高效地实现不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定，满足了深层勘探的高能量高频率地震波参数的需求。
Description
技术领域
本发明领域涉及地球物理勘探领域，特别是一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统。
背景技术
炸药震源激发地震波的过程较为复杂，涉及多个物理过程，炸药震源激发的地震波的能量和频谱特性变化很大。炸药震源激发条件改变直接影响其产生的地震波近场特征，从而影响地震勘探的质量。影响爆炸地震波产生和传播的因素是多方面的，不同因素最终可归结到爆炸源、传递介质和传递路径的影响三个方面。相对而言，爆炸源的影响规律比较复杂，它与爆炸地震波的产生有着密切的关系，国内外研究人员从各自理论和经验出发，从炸药本身、装药结构、药包形状等多个角度进行了设计，以期得到针对地球深层勘探需要的高能高频地震波参数。
炸药震源的耦合性通常用耦合比进行度量，装药的耦合性和各类不耦合介质直接影响到爆炸与岩土介质的之间的作用情况。现有的炸药震源激发参数方法主要采用分布式炸药震源、低爆速细长型震源、多井组合震源和螺旋装药震源等，现有方法耦合装药时，炸药爆炸产生的高温、高压爆生气体产物直接冲击到炮孔孔壁，在炮孔周围岩土中激起沿径向传播的冲击波，造成岩石的动态冲击压缩破碎，理论分析表明，爆生气体产物均要在炮孔中膨胀并压缩介质和降低压力，爆轰产物膨胀后的波阻抗小于炸药的波阻抗，这在一定程度上降低了爆炸能量折射率，消耗在破坏初始岩石破碎的能量过大。特别是对于一些具有高密度、高速度的岩石物理特征的岩土采用现有的方法存在实施地震勘探的反射地震波能量弱、频率高，高频衰减严重、反射信号能量弱，高频干扰大，信噪比低，反射和透射的纵波能量太低等诸多问题。
发明内容
本发明针对现有的炸药震源激发参数确定方式存在反射地震波能量弱、频率高，高频衰减严重以及反射信号能量弱等问题，提出一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，基于建立的炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型来初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质，进而确定满足能量和分辨率的不耦合系数，具有确定方法速度快、适用范围广，而且成本低、简便易实施等优点。本发明还涉及一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统。
本发明的技术方案如下：
一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其特征在于，包括下述步骤：
A、根据炸药震源激发层参数和炸药震源试炮激发布置建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型；选取不同地表层进行试炮激发，利用地表面不同距离布置的强震仪监测记录地表震动参数结果，将其与所述爆炸作用有限元模型计算的相同监测点震动数据结果对比分析，确定各层岩土动态变形模型参数；
B、根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质；
C、根据初步确定的不耦合介质预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
优选地，步骤A是采用包括静力触探和动力触探在内的近地表调查方法，将距离地面0-30m范围内分成3-5个层段，确定每个层段的波速、密度、岩土承载力,建立地表岩土层模型并计算出岩土弹性参数，进而确定岩土强度参数，并结合炸药震源模型，建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型。
优选地，步骤A是选取若干个地表层进行试炮激发，根据不耦合装药炸药震源药包质量确定试炮药包药量；试炮激发深度取在阻抗较大岩土层内，在距离试炮位置0-50m范围内布置强震仪的强震速度传感器，记录其振动参数变化，取两条测线，按照一定间隔距离依次设置10-15个监测点；再将爆炸作用有限元模型计算的监测点震动数据结果与试炮激发记录的地表震动波形参数结果对比，对各层包括岩土屈服强度、岩土压缩关系系数在内的岩土动态参数进行调整分析，确定各层岩土动态变形模型参数。
优选地，步骤B是根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系，并依据不耦合装药孔壁爆炸荷载和孔壁透射比能理论计算，初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质。
优选地，步骤B是从空气、水、小于500um的细沙以及岩土中初步确定的不耦合介质，步骤C预设不耦合系数从1.00开始，每隔0.5增加不耦合系数，增加到4.00；在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，提取波场中初始弹性波进行分析评估，综合考虑产生的初始弹性波的幅频特性和勘探目标要求，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
优选地，还包括步骤D、修正步骤，选取若干种不耦合介质和不耦合系数方案进行外场试验，在外场试验结果与步骤C确定的优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数不一致时，修正此激发区的不耦合装药式炸药震源结构并重新执行步骤C，完成不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定。
一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统，其特征在于，包括依次连接的爆炸作用有限元模型建立模块、不耦合介质确定模块和不耦合系数确定模块，
所述爆炸作用有限元模型建立模块，根据炸药震源激发层参数和炸药震源试炮激发布置建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型，选取不同地表层进行试炮激发，利用地表面不同距离布置的强震仪监测记录地表震动参数结果，将其与所述爆炸作用有限元模型计算的相同监测点震动数据结果对比分析，确定各层岩土动态变形模型参数；
所述不耦合介质确定模块，根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质；
所述不耦合系数确定模块，根据初步确定的不耦合介质预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
优选地，还包括修正模块，与不耦合系数确定模块相连，选取若干种不耦合介质和不耦合系数方案进行外场试验，在外场试验结果与不耦合系数确定模块确定的优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数不一致时，修正此激发区的不耦合装药式炸药震源结构并重新进入不耦合系数确定模块，完成不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定。
优选地，所述不耦合介质确定模块是根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系，并依据不耦合装药孔壁爆炸荷载和孔壁透射比能理论计算，初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质。
优选地，所述不耦合介质确定模块是从空气、水、小于500um的细沙以及岩土中初步确定的不耦合介质；所述不耦合系数确定模块预设不耦合系数从1.00开始，每隔0.5增加不耦合系数，增加到4.00；在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，提取波场中初始弹性波进行分析评估，综合考虑产生的初始弹性波的幅频特性和勘探目标要求，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
本发明的技术效果如下：
本发明涉及一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，先建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型并获取各层岩土动态变形模型参数，从而初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质，再根据初步确定的不耦合介质预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，进而确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数，即得到了优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。相比较其他的炸药震源结构设计来说，不耦合装药式炸药震源可以通过改变不同的不耦合介质直接改变作用在孔壁上的初始压力，并且通过改变不耦合系数来改变爆炸作用时间来共同影响炸药震源的爆炸产生的地震波能量和频率，能够在不损失透射能量的情况下来保证较高的地震波频率特征。同时通过对不同区域的地质特征参数的分析，可以直接选择最有匹配的波阻抗的物质进行炸药震源结构设计，经过特定计算得到满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数，能够最大程度的保证炸药震源爆炸时透射出的能量较高，能量调节比较有效。特别是对于一些具有高密度、高速度的岩石物理特征的岩土，利用不耦合装药式炸药震源可以在一定程度上提高地震波信号的能量，延长作用时间，提高信噪比，满足了深层勘探的高能量高频率地震波参数的需求，具有确定方法速度快、适用范围广，而且成本低、简便易实施等优点。
本发明不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，通过在不同勘探激发环境中确定不耦合介质和不耦合系数，得到高能量高频率的地震波，满足高分辨率、深层勘探的需要。不耦合装药式炸药震源设计是建立在炸药爆炸理论和地震波传播理论基础之上，针对不同激发环境的岩层的波阻抗等近地表参数的不同，确定合适的不耦合介质和不耦合系数，设计不耦合装药结构炸药震源，使产生的地震波能量既能保证高能量的要求下，又能满足高频地震波的要求。不耦合装药式炸药震源最终表现为不同种类的不耦合介质和不耦合系数，不耦合介质和不耦合系数的确定需要在近地表激发层的特性基础上，在不同勘探激发环境中近地表激发层的特性进行多种不耦合装药式结构炸药震源激发效果对比计算分析，优化不耦合装药式炸药震源。通过建立的有限元模型进行分析，对不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，提取波场中初始弹性波进行分析评估，优选地，还可以通过现场试验，进一步调整完成不耦合装药式炸药震源的设计，故本发明建立了一种基于不同现场环境参数，将数值计算和现场试验结合，实现了本炸药震源激发结构的优化，完成对激发产生的地震波能量和频率的控制。
本发明还涉及一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统，该系统与上述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法相对应，可理解为是实现上述不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法的系统，设置相应的爆炸作用有限元模型建立模块、不耦合介质确定模块和不耦合系数确定模块，各模块相互协同工作，基于建立的炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型来初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质，进而确定满足能量和分辨率的不耦合系数，快速高效地实现不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定，特别是对于一些具有高密度、高速度的岩石物理特征的岩土避免了采用一般方法导致实施地震勘探的反射地震波能量弱、频率高，高频衰减严重，反射信号能量弱，高频干扰大，信噪比低，反射和透射的纵波能量低等问题，在一定程度上提高地震波信号的能量，延长作用时间，提高信噪比，满足了深层勘探的高能量高频率地震波参数的需求，具有确定方法速度快、适用范围广，而且成本低、简便易实施等优点。
附图说明
图1为本发明不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法的流程图。
图2为本发明不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法的优选流程图。
图3为不耦合装药式炸药震源结构图。
图4为不耦合装药炸药震源现场测试的优选布置图。
图5a和图5b为不同耦合介质现场测试振动波形及其频谱图。
图6a、6b和6c分别为不同耦合介质质点速度—时间计算模拟图、质点压力—时间计算模拟图、透射波能量—时间曲线图。
图7为不同耦合系数现场测试主频变化图。
图8为本发明不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
本发明涉及一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其流程如图1所示，包括下述步骤：A、根据炸药震源激发层参数和炸药震源试炮激发布置建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型；选取不同地表层进行试炮激发，利用地表面不同距离布置的强震仪监测记录地表震动参数结果，将其与所述爆炸作用有限元模型计算的相同监测点震动数据结果对比分析，确定各层岩土动态变形模型参数；B、根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质；C、根据初步确定的不耦合介质预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。特别是对于一些具有高密度、高速度的岩石物理特征的岩土，利用不耦合装药式炸药震源可以在一定程度上提高地震波信号的能量，延长作用时间，提高信噪比，满足了深层勘探的高能量高频率地震波参数的需求，具有确定方法速度快、适用范围广，而且成本低、简便易实施等优点。
需要说明的是，所谓的耦合装药和不耦合装药主要是针对炮孔直径与炸药震源药柱直径之间的比值来说的。耦合装药指的是炸药震源药柱与炮孔壁之间没有间隙的一种装药方式，而不耦合装药指的是药震源药柱与炮孔壁之间留有一定间隙的装药方式，间隙中充满其他的介质，例如图3所示的不耦合装药式炸药震源结构图，炸药震源药柱与炮孔壁之间留有间隙(竖孔)，间隙宽为d1，其中充满的为空气介质，则此装药结构就称为空气介质不耦合装药。对于某一介质的不耦合装药形式，如果炮孔直径与炸药震源药柱直径之间的比值发生变化，可称为其不耦合系数发生变化。即不耦合系数是指炮孔直径与震源药柱直径之比。
不耦合装药式炸药震源激发就是针对上述深层勘探需求的高能高频地震波参数提出的一种激发方式。炸药震源的耦合性通常用耦合比进行度量，装药的耦合性和各类不耦合介质直接影响到爆炸与岩土介质的之间的作用情况。耦合装药时，炸药爆炸产生的高温、高压爆生气体产物直接冲击到炮孔孔壁，在炮孔周围岩土中激起沿径向传播的冲击波，造成岩石的动态冲击压缩破碎。不耦合装药时，这些爆生产物通过炮孔与装药间隙中的不耦合介质(如空气、水和细沙等)间接的作用到岩土介质上，冲击波的强度主要与炮孔孔壁上的初始爆炸冲击压力有关，压力越高，强度越大，对岩石的破坏作用越强，通常认为不耦合装药时，消耗在破坏初始岩石破碎的能量要小，理论分析表明，采用耦合装药时，爆生气体产物均要在炮孔中膨胀并压缩介质和降低压力，爆轰产物膨胀后的波阻抗小于炸药的波阻抗，这在一定程度上降低了爆炸能量折射率。不耦合装药结构，因使爆炸压力得以缓冲，爆炸能量更均匀分布，爆生气体在炮孔中存在和作用时间延长，减少了消耗在周围使介质发生过度破碎和产生塑性变形的能量。同时，不耦合系数也会改变初始状态下炸药震源爆炸作用在孔壁上的初始压力及其作用时间，初始压力和爆炸作用时间的改变就会改变初始作用在孔壁上的能量，进而改变炸药震源爆炸产生的地震波能量和频率。
图2为本发明不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法的优选流程图，为空气，水，细沙(小于500um)以及岩土不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，优选步骤如下：
A1、优选采用包括静力触探和动力触探在内的近地表调查方法，初步划定地表层岩土分层层位，将距离地面0-30m范围内分成3-5个层段，确定每个层段的波速、密度、岩土承载力等物性参数，建立地表岩土层模型并计算出岩土弹性参数，进而确定岩土强度参数，并结合炸药震源模型，建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型。
对目标地区单孔静力触探以及岩土识别图的分析可知，在该点处0-30m范围内主要的土的类型有两种：粉土(及粉粘土)和粉砂。对于粉土可细分为粉土、粉质粘土以及粉土与粉质粘土层三种类型。根据静力触探结果，将距离地面30m厚的岩土分为3个层段。针对3个层段的土介质，利用环刀法检测其密度；根据地震波到时及监测点与药包的距离可得到每个分层的波速(监测点数＝层数)；利用公式
确定介质弹性模量；通过确定的分层介质的厚度、密度、波速以及弹性模量建立相应的地表岩土层模型；查询岩土性质数据库，通过确定的弹性模型模量来初步确定岩土的强度参数；再进一步融合加入炸药震源模型，建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型。炸药震源模型用如下方程描述：
式中的参数由选取的炸药决定。
A2、选取若干个地表层进行试炮激发，根据不耦合装药炸药震源药包质量确定试炮药包药量；试炮激发深度取在阻抗较大岩土层内，在距离试炮位置0-50m范围内布置强震仪的强震速度传感器，记录其振动参数变化，取两条测线，按照一定间隔距离依次设置10-15个监测点；再将爆炸作用有限元模型计算的监测点震动数据结果与试炮激发记录的地表震动波形参数结果对比，对各层包括岩土屈服强度、岩土压缩关系系数在内的岩土动态参数进行调整分析，确定各层岩土动态变形模型参数。
根据不耦合装药式震源单药包质量，确定试炮药量，通常取为0.5kg、1kg或2kg，本次实例取为1kg，即小药量试炮并提取地表震动；选取几个地表层进行试炮激发，试炮激发深度一般取在阻抗较大岩土层内，将炮点确定后，利用地面振动速度测试系统在地表面每隔一段距离设置强震仪，来监测记录实际炸药震源爆炸产生的地表震动参数结果，如图4所示的不耦合装药炸药震源现场测试的优选布置图，沿测线方向0～50m距离内均匀布设若干含强震速度传感器的强震仪，激发深度选择在第三层岩土层。在激发一发的条件下，计算三层介质的模型参数，可以沿测线方向布设6个以上检波器(激发炮数*监测点数)>(2*地表层段数)。图5a和图5b为不同耦合介质现场测试振动波形及其频谱图，表示如空气，水，细沙以及岩土的不同耦合介质炸药震源爆炸后在一定距离测得的振动波形图和频谱图。图5a为地面振动测试系统直接测试得到的振动波形图，纵轴代表的为振动速度，振动速度越大代表输出的地震波能量越大；图5b为将图5a进行FFT变换后，得到的频谱图，图形中高频率围合的面积越大，炸药震源爆炸产生的高频越多。
利用A1建立的有限元模型进行计算，并将得到的结果与A2监测的结果进行对比，根据对比结果不断调整岩土模型的岩土屈服强度参数及岩土压缩关系系数等动态参数，直到计算结果能够较好地与监测结果相吻合为止，此时的岩土动态变形模型参数即可确定为实际岩土介质参数。
B、根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系，并依据不耦合装药孔壁爆炸荷载和孔壁透射比能理论计算，初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质。
具体地，根据得出的分层岩土动态参数，可以确定三个分层各自的岩土介质动态波阻抗；根据所埋药包的深度确定所对应岩层的波阻抗，利用空气，水，细沙(小于500um)以及岩土四种不耦合装药孔壁载荷理论计算公式和孔壁透射比能计算，初步计算得到炸药爆炸激发出的较大能量的不耦合装药式的物质。
(1)其中以空气为不耦合介质孔壁载荷计算按照下述公式计算：
Pt＝kpi (1)
式中：k为透射系数，因不耦合装药的孔壁变形很小，一般认为k＝8；Pi为入射压力；
式中：r为装药半径；Rb为炮孔初始半径P0＝ρD2/8；其中，ρ为炸药密度，D为爆速；u为某一瞬间的孔壁位移；
Pt＝ρ0Cv(t) (4)
式中：v(t)为孔壁质点速度，t为时间；C为岩石的纵波波速，ρ0为岩石密度，ρ0C为岩石波阻抗。
(2)其中以水为不耦合介质孔壁载荷计算按照下述公式计算：
式中，p为距离爆源中心(即炮孔轴心线)R处的水中冲击波压力峰值(Mpa)；R为比例距离；Wc为每米长度装药量的TNT当量(kg/m)；Ws为作用炸药的线装药密度(kg/m)；QWs为作用炸药的爆热；
为TNT炸药的爆热，且有
为装药不耦合系数；
式中：k1为透射系数；ρ1D1为传播冲击波波速为D1时不耦合介质水的波阻抗，ρ1为水的密度；ρ0C为岩石的波阻抗；A＝394MPa；β＝8。
(3)以细沙和岩土为不耦合装药的孔壁爆炸载荷计算按照下述公式计算：
根据在砂质黏土中的柱状装药爆炸试验，砂质黏土中任意一点处的应力波压力为
式中：△Bm为距爆源中心(即炮孔轴心线)R处的黏土中应力峰值(Mpa)；r为距装药中心的距离R与装药半径r的比值；
根据连续条件孔壁透射压力与入射压力有：
式中：k2为透射系数，ρ2、ρ3分别为为细沙和岩土的原始密度,ρ2D2、ρ3D3为其内传播纵波波波速D2和D3时不耦合介质细沙和不耦合介质岩土的波阻抗。
(4)孔壁透射比能计算按照下述公式计算：
根据爆炸力学理论，在岩石爆炸中，当应力波通过时，经单位面积传递给岩土介质的能量称为比能，可按下式计算：
式中：τ为波的正压作用时间，v(t)和pt可以通过前述计算方法求得。
结合试验所在激发层岩石以及所用的不耦合介质参数，以乳化炸药密度为1100kg/m3，炸药爆速为4600m/s，炮孔半径为Rb＝55mm，炸药震源药柱半径r＝35mm，不耦合系数为1.57来计算，根据初始条件u(0)＝0，利用Matlab编程求解相关方程得到不同耦合介质条件下爆炸载荷v(t)、p和透射比能均为时间的函数。计算结果如图6a、6b和6c所示的四种不同耦合介质(空气，水，细沙和岩土)质点速度—时间曲线(即计算模拟图)、质点压力—时间曲线(即计算模拟图)、透射波能量—时间曲线图，表示的为利用理论公式计算得出的不同的不耦合介质与某一激发区域波阻抗匹配情况图，通过计算求解可以得到在此激发层波阻抗等参数条件下，以水为不耦合介质可以与本激发区域的波阻抗较为匹配，爆炸所激发的透射波能量最大，初步选定水为此不耦合装药式炸药震源的不耦合介质。
C、在以激发层的岩土参数为基础计算得到以水作为不耦合介质所激发透射能量最大的条件下，改变不耦合系数的大小，从1.00开始，每隔0.5增加不耦合系数，增加到4.00。图7为不同耦合系数现场测试主频变化图，显示的为初步选定的波阻抗较为匹配的炸药震源在不同耦合系数下的地震波频率的变化情况，综合图6a-6c和图7可以一步步确定高能量高频率的不耦合装药式炸药震源结构。在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型，对不同耦合系数炸药震源激发产生的近源波场进行计算，提取波场中初始弹性波进行分析评估，综合考虑产生的初始弹性波的幅频特性和勘探目标的要求，确定最合适的不耦合系数，即确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
D、修正步骤，为优选步骤，选取几种激发方案(若干种不耦合介质和不耦合系数方案)进行外场试验，在外场试验结果与步骤C确定的优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数不一致时，修正此激发区的不耦合装药式炸药震源结构并重新执行步骤C，最终确定优化的不耦合装药式炸药震源激发参数，完成不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定。
本发明还涉及一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统，该系统与上述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法相对应，可理解为是实现上述不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法的系统，该系统结构如图8所示，包括依次连接的爆炸作用有限元模型建立模块、不耦合介质确定模块和不耦合系数确定模块，其中，所述爆炸作用有限元模型建立模块，根据炸药震源激发层参数和炸药震源试炮激发布置建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型，选取不同地表层进行试炮激发，利用地表面不同距离布置的强震仪监测记录地表震动参数结果，将其与所述爆炸作用有限元模型计算的相同监测点震动数据结果对比分析，确定各层岩土动态变形模型参数；所述不耦合介质确定模块，根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质；所述不耦合系数确定模块，根据初步确定的不耦合介质预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。各模块相互协同工作，基于建立的炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型来初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质，进而确定满足能量和分辨率的不耦合系数，特别是对于一些具有高密度、高速度的岩石物理特征的岩土，在一定程度上提高地震波信号的能量，快速高效地实现不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定，满足了深层勘探的高能量高频率地震波参数的需求。
优选地，所述不耦合介质确定模块是根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，不耦合介质从空气、水、小于500um的细沙以及岩土中选取，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系，并依据不耦合装药孔壁爆炸荷载和孔壁透射比能理论计算，初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质。
优选地，所述不耦合系数确定模块预设不耦合系数从1.00开始，每隔0.5增加不耦合系数，增加到4.00；在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，提取波场中初始弹性波进行分析评估，综合考虑产生的初始弹性波的幅频特性和勘探目标要求，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
优选地，还可以包括修正模块，与不耦合系数确定模块相连，选取3-5种典型的不耦合介质和不耦合系数方案进行外场试验，进一步修正确定不耦合装药式炸药震源方案，在外场试验结果与不耦合系数确定模块确定的优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数不一致时，修正此激发区的不耦合装药式炸药震源结构并重新进入不耦合系数确定模块，完成不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定。在外场试验结果与不耦合系数确定模块确定的优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数一致时则无需修正。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
Claims (10)
1.一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其特征在于，包括下述步骤：
A、根据炸药震源激发层参数和炸药震源试炮激发布置建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型；选取不同地表层进行试炮激发，利用地表面不同距离布置的强震仪监测记录地表震动参数结果，将其与所述爆炸作用有限元模型计算的相同监测点震动数据结果对比分析，确定各层岩土动态变形模型参数；
B、根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质；
C、根据初步确定的不耦合介质预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
2.根据权利要求1所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其特征在于，步骤A是采用包括静力触探和动力触探在内的近地表调查方法，将距离地面0-30m范围内分成3-5个层段，确定每个层段的波速、密度、岩土承载力,建立地表岩土层模型并计算出岩土弹性参数，进而确定岩土强度参数，并结合炸药震源模型，建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型。
3.根据权利要求2所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其特征在于，步骤A是选取若干个地表层进行试炮激发，根据不耦合装药炸药震源药包质量确定试炮药包药量；试炮激发深度取在阻抗较大岩土层内，在距离试炮位置0-50m范围内布置强震仪的强震速度传感器，记录其振动参数变化，取两条测线，按照一定间隔距离依次设置10-15个监测点；再将爆炸作用有限元模型计算的监测点震动数据结果与试炮激发记录的地表震动波形参数结果对比，对各层包括岩土屈服强度、岩土压缩关系系数在内的岩土动态参数进行调整分析，确定各层岩土动态变形模型参数。
4.根据权利要求1至3之一所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其特征在于，步骤B是根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系，并依据不耦合装药孔壁爆炸荷载和孔壁透射比能理论计算，初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质。
5.根据权利要求4所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其特征在于，步骤B是从空气、水、小于500um的细沙以及岩土中初步确定的不耦合介质，步骤C预设不耦合系数从1.00开始，每隔0.5增加不耦合系数，增加到4.00；在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，提取波场中初始弹性波进行分析评估，综合考虑产生的初始弹性波的幅频特性和勘探目标要求，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
6.根据权利要求5所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法，其特征在于，还包括步骤D、修正步骤，选取若干种不耦合介质和不耦合系数方案进行外场试验，在外场试验结果与步骤C确定的优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数不一致时，修正此激发区的不耦合装药式炸药震源结构并重新执行步骤C，完成不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定。
7.一种不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统，其特征在于，包括依次连接的爆炸作用有限元模型建立模块、不耦合介质确定模块和不耦合系数确定模块，
所述爆炸作用有限元模型建立模块，根据炸药震源激发层参数和炸药震源试炮激发布置建立炸药震源岩土中爆炸作用有限元模型，选取不同地表层进行试炮激发，利用地表面不同距离布置的强震仪监测记录地表震动参数结果，将其与所述爆炸作用有限元模型计算的相同监测点震动数据结果对比分析，确定各层岩土动态变形模型参数；
所述不耦合介质确定模块，根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质；
所述不耦合系数确定模块，根据初步确定的不耦合介质预设相应的一系列不耦合系数，在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
8.根据权利要求7所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统，其特征在于，还包括修正模块，与不耦合系数确定模块相连，选取若干种不耦合介质和不耦合系数方案进行外场试验，在外场试验结果与不耦合系数确定模块确定的优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数不一致时，修正此激发区的不耦合装药式炸药震源结构并重新进入不耦合系数确定模块，完成不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定。
9.根据权利要求7或8所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统，其特征在于，所述不耦合介质确定模块是根据得到的岩土动态变形模型参数确定各层的动态波阻抗，依据动态波阻抗与不耦合介质匹配关系，并依据不耦合装药孔壁爆炸荷载和孔壁透射比能理论计算，初步确定不耦合装药式炸药震源的不耦合介质。
10.根据权利要求9所述的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定系统，其特征在于，所述不耦合介质确定模块是从空气、水、小于500um的细沙以及岩土中初步确定的不耦合介质；所述不耦合系数确定模块预设不耦合系数从1.00开始，每隔0.5增加不耦合系数，增加到4.00；在不耦合装药式炸药震源结构确定后，利用建立的爆炸作用有限元模型对不同的不耦合系数的不耦合装药式炸药震源激发产生的近源波场进行计算，提取波场中初始弹性波进行分析评估，综合考虑产生的初始弹性波的幅频特性和勘探目标要求，确定满足能量和分辨率的不耦合介质和不耦合系数作为优化的不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010897645.5A CN112285763A (zh) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010897645.5A CN112285763A (zh) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112285763A true CN112285763A (zh) | 2021-01-29 |
Family
ID=74420362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010897645.5A Pending CN112285763A (zh) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112285763A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116953774A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-10-27 | 四川伟博震源科技有限公司 | 一种气爆横波震源激发系统及激发方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105425281A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-03-23 | 北京理工大学 | 分布式炸药震源激发参数确定方法 |
| CN105676273A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-06-15 | 北京理工大学 | 高能高频炸药震源设计方法 |
| CN107167496A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-09-15 | 中国矿业大学(北京) | 一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法 |
-
2020
- 2020-08-31 CN CN202010897645.5A patent/CN112285763A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105425281A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-03-23 | 北京理工大学 | 分布式炸药震源激发参数确定方法 |
| CN105676273A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-06-15 | 北京理工大学 | 高能高频炸药震源设计方法 |
| CN107167496A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-09-15 | 中国矿业大学(北京) | 一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 牟杰: "炸药震源激发地震波近场特征试验研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 基础科学辑》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116953774A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-10-27 | 四川伟博震源科技有限公司 | 一种气爆横波震源激发系统及激发方法 |
| CN116953774B (zh) * | 2023-07-06 | 2024-03-12 | 四川伟博震源科技有限公司 | 一种气爆横波震源激发系统及激发方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105425281B (zh) | 分布式炸药震源激发参数确定方法 | |
| Gao et al. | An evaluation of numerical approaches for S-wave component simulation in rock blasting | |
| Young et al. | Seismic spectroscopy in fracture characterization | |
| CN103994921B (zh) | 基于子波波形变化规律的岩体软弱夹层弹性模量测试方法 | |
| CN112285763A (zh) | 不耦合装药式炸药震源激发高能高频参数确定方法和系统 | |
| CN105676273B (zh) | 高能高频炸药震源设计方法 | |
| Ziolkowski | Determination of the signature of a dynamite source using source scaling, Part 1: Theory | |
| US6490529B1 (en) | Method for customizing seismic explosives | |
| CN111458742B (zh) | 一种炸药震源单井药量组合激发方法 | |
| Obert et al. | Generation and propagation of strain waves in rock | |
| AU2002249800A1 (en) | Method for customizing seismic explosives | |
| CN112285764A (zh) | 一种激发高能高频参数炸药震源药包设计方法和系统 | |
| CN113238281A (zh) | 一种基于波组分的爆破振动衰减规律分析方法 | |
| CN114114401B (zh) | 利用轴对称探头在地面激发的sh波进行浅层勘探的方法 | |
| CN115408907A (zh) | 一种地表抗爆打击性能评价方法及系统 | |
| CN117631024A (zh) | 一种灰岩地区炸药震源定量化精确激发设计方法 | |
| Chen et al. | Investigations of evaluating energy of blast-induced seismic wave by pressure in elastic zone | |
| Kosik | Propagation of a nonlinear seismic pulse in an anelastic homogeneous medium | |
| Gómez et al. | Full-field solution from an oblique shock to estimate ground motion from blasting | |
| Ghanaat et al. | Measurement of dynamic response of arch dams including interaction effects | |
| Gómez et al. | Near-field frequency attenuation of vibrations from blasting using a full-field solution | |
| Hirata et al. | Inspection of damaged zone in tunnel walls by a compact vertical seismic prospecting system | |
| Reamer et al. | Source parameter estimation for large, bermed, surface chemical explosions | |
| CN117128042A (zh) | 隧道掘进爆破轮廓损伤精准控制方法 | |
| Stoll et al. | Generating interface waves using a freely falling, instrumented source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.77 xixihexia, Moganshan Road, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 310012 Applicant after: Zhejiang Academy of emergency management Address before: No.77 xixihexia, Moganshan Road, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 310012 Applicant before: ZHEJIANG ACADEMY OF SAFETY SCIENCE AND TECHNOLOGY |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210129 |