CN113390458B - 一种爆破区围岩损伤程度的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爆破后围岩损伤程度的判定方法，其特征在于包括如下步骤：1)布置钻孔，抽取岩样，测ρ、μ和c，计算弹性模量E；2)预埋应变传感器，采集围岩应力和应变数据；3)布置爆破测振仪，采集数据并利用Matlab软件对其进行去噪处理，得到质点峰值振动速度V，然后通过公式(2)对实测数据进行多元非线性回归拟合运算,计算K、α、β、γ的值；4)利用公式(3)计算质点振动速度V′；5)利用公式(4)计算有效弹性模量E′；6)利用公式(5)计算得到弹性模量损伤系数D，从而测算出围岩损伤程度。本发明的优点是：基于弹性模量损伤系数表征围岩损伤情况，更加贴近工程实际，操作简单，易于实施。

Description

一种爆破区围岩损伤程度的判定方法

技术领域

本发明属于对隧道工程、地下工程、采矿工程技术领域，具体涉及一种爆破区围岩损伤程度的判定方法。

背景技术

爆破在隧道工程、地下工程、采矿工程中发挥着不可或缺的作用，然而，强烈的大规模爆破作业必然地会对围岩造成损伤，从而易诱发冒顶、片帮、塌方等灾害。因此，开展爆破作用下围岩损伤研究是亟需解决的重要问题。目前，围岩损伤的常见测试方法有声发射法、超声波检测法、电测法、激光散斑法、地震波法等。然而这些方法不仅工作量大、周期长，测量精度不高，只能被动地对爆破后围岩损伤程度进行监测，对围岩损伤的量化程度也较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种爆破区围岩损伤程度的判定方法，通过在爆区监测范围内钻一定深度的钻孔并预埋多个应变传感器，采集爆破作业过程中的应力-应变数据，同时在地表对应位置，放置爆破测振仪，采集爆破振动数据，然后将爆破振动数据与围岩应变数据结合，计算围岩弹性模量损伤系数，提供了对围岩损伤进行量化的一种新方法，更加准确地对围岩损伤程度进行判定。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明的一种爆破区围岩损伤程度的判定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在爆区监测范围内布置钻孔，在钻孔内按照一定间隔分层抽取岩样，测得其密度ρ、泊松比μ和纵波波速c，然后利用公式(1)计算得到爆破前岩体未损伤时的弹性模量E；

步骤2、在钻孔内抽取岩样的位置预埋带温度补偿的应变传感器，通过注浆填塞使应变传感器与钻孔孔壁耦合，采集爆破作业过程中的围岩应力-应变数据，得到实测的围岩峰值应力σ和峰值应变ε；

步骤3、在钻孔对应的地表位置，布置爆破测振仪，并使爆破测振仪的三分量速度传感器与地面刚性连接，采集爆破振动信号数据并利用Matlab软件对其进行去噪处理，得到实测的质点峰值振动速度V，然后通过高程影响的萨道夫斯基修正公式：

对实测数据进行多元非线性回归拟合运算,计算得到K、α、β、γ的值。

公式(2)中，W为萨道夫斯基公式

K是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数，Q为最大单段药量，R为测点与爆源直线距离，α为爆破振动速度的衰减系数，与岩体性质相关，H为测点与爆源的高程差，A为测点与爆源水平距离，β为高程影响系数，γ为坡度影响系数；

步骤4、设三分量速度传感器与应变传感器垂直距离为L，则根据以下公式，代入步骤三中求得的K、α、β、γ值，计算得到应变传感器位置围岩的质点振动速度V′：

其中

为应变传感器与爆源直线距离；

步骤5、根据以下公式计算爆破后岩体发生损伤时的有效弹性模量E′：

其中Z′为爆破后岩体的波阻抗，在公式(4)中分别代入步骤2中测得的应变ε和步骤4中求得的质点振动速度V′，经过计算得到爆破后岩体发生损伤时的有效弹性模量E′；

步骤6、设爆破前后围岩没有发生质的变化，即ρ′＝ρ，根据损伤变量的经典定义，得到弹性模量损伤系数D的计算公式(5)：

从而测算出围岩损伤程度，围岩弹性模量损伤系数的数值越小，围岩受损伤的程度也越小，围岩越稳定；若围岩弹性模量损伤系数的数值越大，围岩损伤的程度增大，围岩稳定性变差，围岩趋于不稳定。

在步骤1中，所述一定间隔分层抽取岩样，其间隔根据实际工程需要进行设置，所述岩样密度ρ、泊松比μ和纵波波速c参数按照现行《工程岩体试验方法标准》进行实验测得；步骤1中所述公式(1)为岩体弹性模量E和纵波速度c的关系公式：

其中Z＝ρc为爆破前岩石波阻抗。

在步骤3中，所述的去噪处理方法，可根据爆破振动信号实测数据选取小波阈值法、EMD以及EEMD方法进行去噪处理。

在步骤5中，所述Z′为爆破后岩体的波阻抗，其值为爆破后岩体密度ρ′与爆破后岩体纵波波速c′的乘积，其中c′根据不同岩体应力与波速关系计算求得。与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明基于弹性模量损伤系数表征围岩损伤情况，在爆区监测范围内钻一定深度的孔并预埋应变传感器，采集爆破作业过程中围岩的应力-应变数据，同时在地表对应位置，放置测振仪采集振动数据，综合钻孔内各个应变传感器位置的数据及地表振动数据与围岩弹性模量损伤系数D建立关系，进而判定围岩损伤程度，更加贴近工程实际，提供了对围岩损伤进行量化的一种新方法，更加准确地对围岩损伤程度进行判定。

2)本发明操作简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明围岩损伤程度的判定方法流程图。

图2为本发明围岩损伤程度的判定方法实施示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图2所示，本发明的一种爆破后围岩损伤程度的判定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在爆区监测范围内布置钻孔1，在钻孔1内按照一定间隔分层抽取岩样，测得其密度ρ、泊松比μ和纵波波速c，然后利用公式(1)计算得到爆破前岩体未损伤时的弹性模量E；

步骤2、在钻孔1内抽取岩样的位置预埋带温度补偿的应变传感器2，通过注浆填塞使应变传感器2与钻孔1孔壁耦合，采集爆破作业过程中的围岩应力-应变数据，得到实测的围岩峰值应力σ和峰值应变ε；

步骤3、在钻孔1对应的地表位置，布置爆破测振仪，并使爆破测振仪的三分量速度传感器3与地面刚性连接，采集爆破振动信号数据并利用Matlab软件对其进行去噪处理，得到实测的质点峰值振动速度V，然后通过高程影响的萨道夫斯基修正公式：

对实测数据进行多元非线性回归拟合运算,计算得到K、α、β、γ的值；

公式(2)中，W为萨道夫斯基公式

K是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数，Q为最大单段药量，R为测点与爆源直线距离，α为爆破振动速度的衰减系数，与岩体性质相关，H为测点与爆源的高程差，A为测点与爆源水平距离，β为高程影响系数，γ为坡度影响系数；

步骤4、设三分量速度传感器3与应变传感器2垂直距离为L，则根据以下公式，代入步骤三中求得的K、α、β、γ值，计算得到应变传感器2位置围岩的质点振动速度V′：

其中

为应变传感器2与爆源直线距离；

步骤5、根据以下公式计算爆破后岩体发生损伤时的有效弹性模量E′：

其中Z′为爆破后岩体的波阻抗，在公式(4)中分别代入步骤2中测得的应变ε和步骤4中求得的质点振动速度V′，经过计算得到爆破后岩体发生损伤时的有效弹性模量E′；

步骤6、设爆破前后围岩没有发生质的变化，即ρ′＝ρ，根据损伤变量的经典定义，得到弹性模量损伤系数D的计算公式(5)：

从而测算出围岩损伤程度。

在步骤1中，所述步骤1中所述公式(1)为岩体弹性模量E和纵波速度c的关系公式：

其中Z＝ρc为爆破前岩石波阻抗，_μ为泊松比。

在步骤3中，所述的去噪处理方法，可根据爆破振动信号实测数据选取小波阈值法、EMD以及EEMD方法进行去噪处理。

在步骤5中，所述Z′为爆破后岩体的波阻抗，其值为爆破后岩体密度ρ′与爆破后岩体纵波波速c′的乘积，其中c′根据不同岩体应力与波速关系计算求得。

本发明的准备工作：

为了监测回采时采空区4围岩损伤程度,在爆区监测范围内根据需要布置五个孔深3m的钻孔1，依次为a钻孔、b钻孔、c钻孔、d钻孔和e钻孔，在每个钻孔1内按照0.5m间隔抽取五层岩样，并在五层岩样位置预埋五个带温度补偿的应变传感器2，通过注浆填塞使应变传感器2与孔壁耦合，在每个钻孔1对应的地表位置，均布置爆破测振仪，并使爆破测振仪的三分量速度传感器3与地面刚性连接，每个钻孔1采集五次爆破振动试验信号数据并利用Matlab软件对其进行去噪处理，得到实测的质点峰值振动速度，实测的质点峰值振动速度以及其它的现场试验爆破参数数据见表1，然后根据萨道夫斯基修正公式：

公式(2)中，W为萨道夫斯基公式

K是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数，Q为最大单段药量，R为测点与爆源直线距离，α为爆破振动速度的衰减系数，与岩体性质相关，H为测点与爆源的高程差，A为测点与爆源水平距离，β为高程影响系数，γ为坡度影响系数。

表1现场试验爆破参数数据

利用表1这些实测数据，对萨道夫斯基修正公式进行多元非线性回归拟合运算,计算得到K＝280.1、α＝1.466、β＝-0.024、γ＝-0.717。

下面分别以4次爆破试验对a钻孔和b钻孔的不同深处围岩的损伤程度监测为例进行具体详细说明。

实施例1

本次监测对象为a钻孔0.5m处围岩，爆破最大单段药量Q＝58kg，测得a钻孔0.5m位置岩石密度ρ为2610kg/m³、泊松比μ为0.27和纵波波速c为5230m/s，应变传感器实测的围岩峰值应力σ和峰值应变ε为7με，三分量速度传感器与应变传感器垂直距离为L＝0.5m，则应变传感器与爆源直线距离R′＝102.67m，将准备工作那个求得的K、α、β、γ值代入公式：

计算得到a钻孔0.5m位置围岩的质点振动速度V′为2.5cm/s,根据不同岩体应力与波速关系计算求得爆破后岩体纵波波速c′为4969m/s，将以上所得参数代入弹性模量损伤系数D的计算公式：

计算得到弹性模量损伤系数D＝0.189。

实施例2：

本次监测对象为a钻孔1.5m处围岩，爆破最大单段药量Q＝20kg，同实施例1，测得a钻孔1.5m位置岩石密度ρ为2733kg/m³、泊松比μ为0.22和纵波波速c为6600m/s，应变传感器实测的围岩峰值应力σ和峰值应变ε为2.9με，三分量速度传感器与应变传感器垂直距离为L＝1.5m，则应变传感器与爆源直线距离R′＝102.25m，将准备工作中求得的K、α、β、γ值代入公式：

计算得到a钻孔1.5m位置围岩的质点振动速度V′为1.5cm/s,根据不同岩体应力与波速关系计算求得爆破后岩体纵波波速c′为6550m/s，将以上所得参数代入弹性模量损伤系数D的计算公式：

计算得到弹性模量损伤系数D＝0.112。

实施例3：

本次监测对象为b钻孔2m处围岩，爆破最大单段药量Q＝124kg，同实施例1，测得b钻孔2m位置岩石密度ρ为2529kg/m³、泊松比μ为0.23和纵波波速c为6350m/s，应变传感器实测的围岩峰值应力σ和峰值应变ε为12με，三分量速度传感器与应变传感器垂直距离为L＝2m，则应变传感器与爆源直线距离R′＝126.72m，将准备工作中求得的K、α、β、γ值代入公式：

计算得到b钻孔2m位置围岩的质点振动速度V′为4.7cm/s,根据不同岩体应力与波速关系计算求得爆破后岩体纵波波速c′为5842m/s，将以上所得参数代入弹性模量损伤系数D的计算公式：

计算得到弹性模量损伤系数D＝0.342。

实施例4：

本次监测对象为b钻孔2.5m处围岩，爆破最大单段药量Q＝76kg，同实施例1，测得b钻孔2.5m位置岩石密度ρ为2487kg/m³、泊松比μ为0.23和纵波波速c为4865m/s，应变传感器实测的围岩峰值应力σ和峰值应变ε为11με，三分量速度传感器与应变传感器垂直距离为L＝2.5m，则应变传感器与爆源直线距离R′＝126.26m，将准备工作中求得的K、α、β、γ值代入公式：

计算得到b钻孔2.5m位置围岩的质点振动速度V′为3.7cm/s,根据不同岩体应力与波速关系计算求得爆破后岩体纵波波速c′为4468m/s，将以上所得参数代入弹性模量损伤系数D的计算公式：

计算得到围岩弹性模量损伤系数D＝0.264。

围岩弹性模量损伤系数D＝0～0.25时，围岩轻微损伤；D＝0.25～0.5时，围岩中度损伤；D＝0.5～0.75时，严重损伤；D＝0.75～1时，围岩破坏。围岩弹性模量损伤系数的数值越小，说明围岩受损伤的程度也越小，围岩越稳定；若围岩弹性模量损伤系数的数值越大，说明围岩损伤的程度增大，围岩稳定性变差，围岩趋于不稳定。因此，在每次爆破后，可根据围岩弹性模量损伤系数的数值大小，即围岩的累积损伤程度，调整下次药量并采取适当的加固措施。

Claims (2)

1.一种爆破区围岩损伤程度的判定方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、在爆区监测范围内布置钻孔，在钻孔内按照一定间隔分层抽取岩样，测得其密度ρ、泊松比μ和纵波波速c，然后利用公式(1)计算得到爆破前岩体未损伤时的弹性模量E；

所述的步骤1中所述公式(1)为岩体弹性模量E和纵波速度c的关系公式：

其中Z＝ρc为爆破前岩石波阻抗；

步骤2、在钻孔内抽取岩样的位置预埋带温度补偿的应变传感器，通过注浆填塞使应变传感器与钻孔孔壁耦合，采集爆破作业过程中的围岩应力-应变数据，得到实测的围岩峰值应力σ和峰值应变ε；

步骤3、在钻孔对应的地表位置，布置爆破测振仪，并使爆破测振仪的三分量速度传感器与地面刚性连接，采集爆破振动信号数据并利用Matlab软件对其进行去噪处理，得到实测的质点峰值振动速度V，然后通过高程影响的萨道夫斯基修正公式：

对实测数据进行多元非线性回归拟合运算,计算得到K、α、β、γ的值；

公式(2)中，W为萨道夫斯基公式

K是与岩石性质、爆破参数和爆破方法有关的场地系数，Q为最大单段药量，R为测点与爆源直线距离，α为爆破振动速度的衰减系数，与岩体性质相关，H为测点与爆源的高程差，A为测点与爆源水平距离，β为高程影响系数，γ为坡度影响系数；

步骤4、设三分量速度传感器与应变传感器垂直距离为L，则根据以下公式，代入步骤三中求得的K、α、β、γ值，计算得到应变传感器位置围岩的质点振动速度V′：

其中

为应变传感器与爆源直线距离；

步骤5、根据以下公式计算爆破后岩体发生损伤时的有效弹性模量E′：

其中Z′为爆破后岩体的波阻抗，在公式(4)中分别代入步骤2中测得的应变ε和步骤4中求得的质点振动速度V′，经过计算得到爆破后岩体发生损伤时的有效弹性模量E′；

步骤6、设爆破前后围岩没有发生质的变化，即为爆破后岩体密度ρ′＝ρ，

c′为爆破后岩体纵波波速，根据损伤变量的经典定义，得到弹性模量损伤系数D的计算公式(5)：

从而测算出围岩损伤程度；围岩弹性模量损伤系数的数值越小，围岩受损伤的程度也越小，围岩越稳定；若围岩弹性模量损伤系数的数值越大，围岩损伤的程度增大，围岩稳定性变差，围岩趋于不稳定。

2.根据权利要求1所述的爆破区围岩损伤程度的判定方法，其特征在于，步骤3中所述的去噪处理方法，根据爆破振动信号实测数据选取小波阈值法、EMD以及EEMD方法中的任意一种进行去噪处理。

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