CN113251880A - 一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法 - Google Patents

Abstract

一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，属于爆破振动安全技术领域，包括以下步骤：步骤1，获取待爆破区域和被保护建筑物的三维地貌地形图，确定被保护建筑物在地面上的监测点；通过三维地貌地形图确定监测点与爆区炮孔爆心之间的H和r；测量横波波速cs与纵波波速c_p；确定出地形影响系数K₂和高程影响系数β；步骤2，计算爆破振动速度和质点振动频率；步骤3，计算合理孔间延时时间；步骤4，通过数码电子雷管设置孔间延时时间进行精确延时控制爆破；步骤5，分析降振效果，调整爆破参数控制爆破作业。本发明从考虑高程影响的角度根据地震波能量传递变化情况设置合理的孔间延时时间，使地震波传播的能量极大地削弱，有效降低爆破振动危害，保证被保护建(构)筑物的安全性。

Description

一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法

技术领域

本发明属于爆破振动安全技术领域，具体涉及一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法。

背景技术

近年来，数码电子雷管在爆破作业中得到广泛使用，精确延时实现成为一种可能，城市基础建设进一步加快，复杂环境下爆破越来越多，爆破振动对周围环境影响也得到进一步重视。

爆破地震波能量越大，爆破振动对建(构)筑物安全的影响程度也越大，爆区周边建(构)筑物受地震波作用影响的大小程度与炸药爆炸能量的传递及转化有着一定的函数关系，炸药爆炸能量的传递及转化与地震波能量特征之间亦存在函数关系。目前降低爆破振动主要通过改变相关爆破参数，常用的塑料导爆管雷管误差较大，而且段别有限，通过改变毫秒延时间隔降低爆破振动的空间有限，且并没有任何一个方案能够很好的利用上述函数关系解决爆破降振控制问题。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，根据地震波能量传递变化情况设置合理的孔间延时时间，使地震波传播的能量极大地削弱，有效降低爆破振动危害，保证被保护建(构)筑物的安全性。

本发明采用如下技术方案：

一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，包括以下步骤：

步骤1，获取待爆破区域和被保护建筑物的三维地貌地形图，确定被保护建筑物在地面上的监测点；

步骤2，通过三维地貌地形图确定监测点与爆区炮孔爆心之间的高程差H和直线距离r；测量声波在岩体中的横波波速c_s与纵波波速c_p；通过爆破振动监测确定出地形影响系数K₂和高程影响系数β；

步骤3，假设同次精确延时控制爆破中振动的阻尼比相同，爆破振动速度受高程条件的影响，爆破振动速度可以表示为：

V_(t)＝A*K₂(H/r)^β (6)

A为用余弦函数表示的爆破振动速度计算公式；

根据爆破振动速度计算公式，假设质点振动频率符合量纲分析定理和π定理，根据被保护建(构)筑物监测点与炮孔爆心的直线距离和高程差计算质点振动频率为：

其中：f为地面质点振动的频率，Hz；

k_f为频率系数，k_f＝0.01～0.02；C_s为声波在岩体中的横波波速，m/s；Q为最大单段药量；

步骤4，通过设定合理的孔间延时时间使相邻振动波形到达特定点时相差N/2个周期，N为奇数，使波形在到达该位置时两个波形的波峰与波谷相遇，从而振幅相消，合理孔间延时时间可按下式计算：

根据质点振动频率计算公式，假设被保护建(构)筑物监测点与炮孔之间的距离为r₁，r₂，…，r_n，r₁＜r₂＜r_n；高程差为H₁，H₂…H_n；炮孔起爆时刻为t₁，t₂，…，t_n，t₁＜t₂＜t_n；同时假设炮孔与监测点之间的距离之差为Δr＝r_n-r_n-1，孔间间隔时间为Δt＝t_n-t_n-1；

B为原地面质点振动频率计算公式；

步骤5，通过数码电子雷管设置孔间延时时间进行精确延时控制爆破；

步骤6，爆破后对爆破效果和监测点采集的振动数据进行分析，判断未设置合理延时时间和设置上述计算得出的延时时间的降振效果，调整爆破参数更精确的控制爆破作业。

进一步地，步骤4中，N取值越小时，波峰与波谷的叠加程度最大。

进一步地，步骤4中，孔间延时时间最低为1ms，延时时间小于1ms时忽略不计。

进一步地，步骤1中获取待爆破区域和被保护建筑物的三维地貌地形图为利用无人机摄影系统和GPS定位系统获取三维地貌地形图。

进一步地，步骤2中的公式(6)中的A＝v_(t)，

假设同次精确延时控制爆破中振动的阻尼比相同，爆破振动速度可以通过余弦函数来表示，则有：

其中，K₁是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数；α为爆破振动速度的衰减系数，与岩体性质相关；Q为最大单段药量；r为爆心距；ξ为阻尼比；ω为振动圆频率。

进一步地，步骤4中的孔间延时时间是基于对振动速度和地震波能量进行预测基础上进行确定，所述对振动速度和地震波能量进行预测具体如下：

计算地震波能量函数：

E_d＝E_e-E_f-E_k-E_n (1)

其中E_d为地震波总能量，E_e为炸药爆炸的总能量，E_f为岩石破碎能量，E_k为岩石抛掷耗散能量，E_n为其他能量；

假设爆破地震波在传播介质中质量为m的单元在t时刻所携带的信号能量函数为：

其中，E_t为t时刻介质携带的信号能量，v_(t)为t时刻爆破振动速度，地震波能量与质点振速之间存在正相关的函数为：

其中，E₂定义为单位质量动能的2倍，当单元质量无限小时，E₂代表信号能量大小，爆破地震波总能量函数为：

其中，E′₁爆破地震波总能量，T为爆破振动的持续时间；

将式(6)代入式(4)得出所述爆破地震波总能量与质点振速之间的关系函数为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供了一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，可根据振动监测点到爆区炮孔爆心之间的高程差和直线距离计算不同的孔间延时时间，通过数码电子雷管设定延时时间，实施精确延时控制爆破，保障复杂地形中建(构)筑物的安全性。

2)本发明将爆破地震波能量衰减函数与孔间延时时间及振动速度建立预测体系，可用于峰值振速预测与地震波能量衰减预测。

3)本发明采用无人机摄影系统和GPS定位系统获取待爆区域和振动监测点的三维地貌地形图，可获得准确的数据进行延时时间计算。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明的布孔情况及振动监测点示意图；

图3为实施例1中未设置合理延时时间的垂向波形图；

图4为实施例1中合理延时时间的垂向波形图。

图中：1为建筑物、2为振动监测点、3为钻取岩样。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

如图1所示，本发明提供一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，包括以下步骤：

步骤1，获取待爆破区域和被保护建筑物的三维地貌地形图，确定被保护建筑物在地面上的监测点(如图2所示)；

步骤2，通过三维地貌地形图确定监测点与爆区炮孔爆心之间的高程差H和直线距离r；测量声波在岩体中的横波波速c_s与纵波波速c_p；通过爆破振动监测确定出地形影响系数K₂和高程影响系数β；

步骤3，假设同次精确延时控制爆破中振动的阻尼比相同，爆破振动速度受高程条件的影响，爆破振动速度可以表示为：

V_(t)＝A*K₂(H/r)^β (6)

A为用余弦函数表示的爆破振动速度计算公式；

根据爆破振动速度计算公式，假设质点振动频率符合量纲分析定理和π定理，根据被保护建(构)筑物监测点与炮孔爆心的直线距离和高程差计算质点振动频率为：

其中：f为地面质点振动的频率，Hz；

k_f为频率系数，k_f＝0.01～0.02；C_s为声波在岩体中的横波波速，m/s；Q为最大单段药量；

步骤4，通过设定合理的孔间延时时间使相邻振动波形到达特定点时相差N/2个周期，N为奇数，使波形在到达该位置时两个波形的波峰与波谷相遇，从而振幅相消，合理孔间延时时间可按下式计算：

根据质点振动频率计算公式，假设被保护建(构)筑物监测点与炮孔之间的距离为r₁，r₂，…，r_n，r₁＜r₂＜r_n；高程差为H₁，H₂…H_n；炮孔起爆时刻为t₁，t₂，…，t_n，t₁＜t₂＜t_n；同时假设炮孔与监测点之间的距离之差为Δr＝r_n-r_n-1，孔间间隔时间为Δt＝t_n-t_n-1；

B为原地面质点振动频率计算公式；

步骤5，通过数码电子雷管设置孔间延时时间进行精确延时控制爆破；

步骤6，爆破后对爆破效果和监测点采集的振动数据进行分析，判断未设置合理延时时间和设置上述计算得出的延时时间的降振效果，调整爆破参数更精确的控制爆破作业。

在执行本发明方法之前将爆破地震波能量衰减函数与孔间延时时间及振动速度建立预测体系，用于峰值振速预测与地震波能量衰减预测，具体如下：

根据炸药在岩体中爆炸的能量分配原理计算出地震波能量函数：

E_d＝E_e-E_f-E_k-E_n (1)

其中E_d为地震波总能量，E_e为炸药爆炸的总能量，E_f为岩石破碎能量，E_k为岩石抛掷耗散能量，E_n为其他能量。

假设爆破地震波在传播介质中质量为m的单元在t时刻所携带的信号能量函数为：

其中，E_t为t时刻介质携带的信号能量，v_(t)为t时刻爆破振动速度。通过公式(2)可以发现，地震波能量与质点振速之间存在正相关的函数为：

其中，E₂定义为单位质量动能的2倍，当单元质量无限小时，E₂便可以代表信号能量大小，由此，可通过地震波与质点振速之间的函数关系推导出爆破地震波总能量函数为：

其中，E′₁爆破地震波总能量，T为爆破振动的持续时间。

假设同次精确延时控制爆破中振动的阻尼比相同，爆破振动速度可以通过余弦函数来表示，则有：

其中，K₁是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数；α为爆破振动速度的衰减系数，与岩体性质相关；Q为最大单段药量；r为爆心距；ξ为阻尼比；ω为振动圆频率。

假设爆破振动速度受高程条件的影响，爆破振动速度符合量纲分析原理，令公式(5)中的v_(t)＝A，则考虑高程影响的爆破振动速度表达式为：

V(t)＝A*K₂(H/r)β (6)

式中，K₂是地形影响系数；β是高程影响系数；H为高程差；r为爆心距。

将式(6)代入式(4)得出所述爆破地震波总能量与质点振速之间的关系函数为：

由公式(7)发现，当传播介质相同时，爆破地震波总能量与峰值振速平方之间存在正相关的关系，降低爆破振动速度就可以降低爆破地震波总能量，根据公式(6)发现，爆破振动信号为周期性衰减的形式。因此，在精确延时爆破过程中，通过设定合理的孔间延时时间可使相邻振动波形到达特定点时相差N/2个周期(N为奇数)，导致波形在到达该位置时两个波形的波峰与波谷相遇，从而振幅相消，达到降低振动速度和能量的目的。并且N取值越小时，波峰与波谷的叠加程度最大，减震效果达到最好。

由爆破振动速度可得出质点振动频率，可按式(8)进行计算，假设质点振动频率符合量纲分析定理和π定理，根据被保护建(构)筑物监测点与炮孔爆心的直线距离和高程差计算质点振动频率为：

其中，f为地面质点振动的频率，Hz；

k_f为频率系数，k_f＝0.01～0.02；c_s为岩体中横波的速度，m/s；其余同前。

根据质点振动频率计算公式，假设被保护建(构)筑物监测点与炮孔之间的距离为r₁，r₂，…，r_n，r₁＜r₂＜r_n；高程差为H₁，H₂…H_n；炮孔起爆时刻为t₁，t₂，…，t_n，t₁＜t₂＜t_n；同时假设炮孔与监测点之间的距离之差为Δr＝r_n-r_n-1，孔间间隔时间为Δt＝t_n-t_n-1。

当r₁＝r₂＝r_n时，为使两个炮孔爆炸产生的振动波形在监测点处，其周期相隔N/2个周期(N为奇数)，故合理孔间延时时间可按式(9)的函数表达式进行计算；当r₁≠r₂≠r_n时，由于爆心距不同，两个炮孔产生的地震波传播到监测点时，存在时间间隔Δr/c_p，故合理孔间延时时间可按式(10)的函数表达式进行计算。

利用无人机摄影系统和GPS定位系统获取待爆破区域和被保护建筑物的三维地貌地形图，进一步地，确定被保护建筑物在地面上的监测点，进一步地，通过三维地貌地形图确定监测点与爆区炮孔爆心之间的高程差H距离r，进一步地，测量声波在岩体中传播的横波波速c_s与纵波波速c_p，进一步地，通过多次爆破振动监测确定出K₂和β，通过上述公式(9)和公式(10)计算孔间延时时间，进一步地，采用数码电子雷管设置孔间延时时间，需要说明的是孔间延时时间最低为1ms，因此小于1ms的孔间延时时间可以忽略不记。

实施例1

针对村镇区域附近的露天矿山台阶精确延时控制爆破，单孔装药量120kg，选取矿山周边较近建筑物作为孔间延时时间的振动监测点，通过三维地貌地形图确定监测点1#与爆区炮孔爆心之间的高程差H(30m)和距离r₁(200m)，r₂(205m)，制备该矿山的岩石试件进行声波测试，记录横波波速c_s(2765m/s)与纵波波速c_p(4348m/s)；进一步地，通过多次爆破振动监测确定出K₂(235.52)和β(2.236)。

获取矿山的爆破参数，记录延时时间函数所涉及到的参数对应的数据，进一步地，计算得出两炮孔之间对应的延时时间(23ms)，进一步地，为分析地震波能量与峰值振速之间的关系可设置多个测点进行振动测量。

通过数码电子雷管设置孔间延时时间23ms进行精确延时控制爆破，爆破后对爆破效果和测点数据进行分析，进一步调整爆破参数更精确的控制爆破作业。

单孔爆破试验结束后，将未设置合理延时时间的振动数据和设置23ms延时时间的爆破振动数据进行对比分析(如图3～4所示)，可以看出爆破振动峰值速度明显降低，取得了良好的降振效果。

实施例2

针对城市区域基坑开挖精确延时控制爆破，单孔装药量80kg，选取临近建筑物作为振动监测点，通过三维地貌地形图确定监测点与爆区炮孔爆心之间的高程差H(50m)距离r₁(310m)，r₂(315m)，制备该爆区的岩石试件进行声波测试，记录c_s(2874m/s)与纵波波速c_p(4456m/s)；进一步地，通过多次爆破振动监测确定出K₂(218.83)和β(1.84)。

获取爆破作业的爆破参数，记录延时时间函数式所涉及到的参数对应的数据，进一步地，计算炮孔之间对应的延时时间(16ms)，进一步地，为分析地震波能量与峰值振速之间的关系可设置多个测点进行振动测量。

通过数码电子雷管设置孔间延时时间16ms进行精确延时控制爆破，爆破后对爆破效果和测点数据进行分析，进一步调整爆破参数更精确的控制爆破作业。

本发明方法可根据振动监测点到爆区炮孔爆心之间的高程差和直线距离计算不同的孔间延时时间，通过数码电子雷管设定延时时间，实施精确延时控制爆破，保障复杂地形中建(构)筑物的安全性。

Claims (6)

1.一种基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取待爆破区域和被保护建筑物的三维地貌地形图，确定被保护建筑物在地面上的监测点；

步骤2，通过三维地貌地形图确定监测点与爆区炮孔爆心之间的高程差H和直线距离r；测量声波在岩体中的横波波速c_s与纵波波速c_p；通过爆破振动监测确定出地形影响系数K₂和高程影响系数β；

步骤3，假设同次精确延时控制爆破中振动的阻尼比相同，爆破振动速度受高程条件的影响，爆破振动速度可以表示为：

V_(t)＝A*K₂(H/r)^β (6)

A为用余弦函数表示的爆破振动速度计算公式；

根据爆破振动速度计算公式，假设质点振动频率符合量纲分析定理和π定理，根据被保护建(构)筑物监测点与炮孔爆心的直线距离和高程差计算质点振动频率为：

其中：f为地面质点振动的频率，Hz；

k_f为频率系数，k_f＝0.01～0.02；C_s为声波在岩体中的横波波速，m/s；Q为最大单段药量；

步骤4，通过设定合理的孔间延时时间使相邻振动波形到达特定点时相差N/2个周期，N为奇数，使波形在到达该位置时两个波形的波峰与波谷相遇，从而振幅相消，合理孔间延时时间可按下式计算：

根据质点振动频率计算公式，假设被保护建(构)筑物监测点与炮孔之间的距离为r₁，r₂，…，r_n，r₁＜r₂＜r_n；高程差为H₁，H₂…H_n；炮孔起爆时刻为t₁，t₂，…，t_n，t₁＜t₂＜t_n；同时假设炮孔与监测点之间的距离之差为Δr＝r_n-r_n-1，孔间间隔时间为Δt＝t_n-t_n-1；

B为原地面质点振动频率计算公式；

步骤5，通过数码电子雷管设置孔间延时时间进行精确延时控制爆破；

步骤6，爆破后对爆破效果和监测点采集的振动数据进行分析，判断未设置合理延时时间和设置上述计算得出的延时时间的降振效果，调整爆破参数更精确的控制爆破作业。

2.根据权利要求1所述的基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，其特征在于，步骤4中，N取值越小时，波峰与波谷的叠加程度最大。

3.根据权利要求1所述的基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，其特征在于，步骤4中，孔间延时时间最低为1ms，延时时间小于1ms时忽略不计。

4.根据权利要求1所述基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，其特征在于，步骤1中获取待爆破区域和被保护建筑物的三维地貌地形图为利用无人机摄影系统和GPS定位系统获取三维地貌地形图。

5.根据权利要求1所述基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，其特征在于，步骤2中的公式(6)中的A＝v_(t)，

假设同次精确延时控制爆破中振动的阻尼比相同，爆破振动速度可以通过余弦函数来表示，则有：

其中，K₁是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数；α为爆破振动速度的衰减系数，与岩体性质相关；Q为最大单段药量；r为爆心距；ξ为阻尼比；ω为振动圆频率。

6.根据权利要求1所述基于地震波能量衰减的孔间延时爆破控制降振方法，其特征在于，步骤4中的孔间延时时间是基于对振动速度和地震波能量进行预测基础上进行确定，所述对振动速度和地震波能量进行预测具体如下：

计算地震波能量函数：

E_d＝E_e-E_f-E_k-E_n (1)

其中E_d为地震波总能量，E_e为炸药爆炸的总能量，E_f为岩石破碎能量，E_k为岩石抛掷耗散能量，E_n为其他能量；

假设爆破地震波在传播介质中质量为m的单元在t时刻所携带的信号能量函数为：

其中，E_t为t时刻介质携带的信号能量，v_(t)为t时刻爆破振动速度，地震波能量与质点振速之间存在正相关的函数为：

其中，E₂定义为单位质量动能的2倍，当单元质量无限小时，E₂代表信号能量大小，爆破地震波总能量函数为：

其中，E₁′爆破地震波总能量，T为爆破振动的持续时间；

将式(6)代入式(4)得出所述爆破地震波总能量与质点振速之间的关系函数为：

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