CN115079248B - 基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法及设备 - Google Patents

基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于爆破损伤探测技术领域，并具体公开了一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法及设备。所述方法包括采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元‑离散元数值方法模拟出的相同工况下的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据声波测试损伤结果和模拟得到的裂纹密度值确定损伤判断阈值；模拟在新工况下的裂纹密度值，结合标定的损伤判断阈值对现场爆破损伤区范围进行反演预测，以确定损伤半径大小。本发明通过原位损伤结果去对有限‑离散元仿真出来相同工况的爆破区表征损伤的裂纹密度阈值进行标定,通过裂纹密度阈值来对后续的模拟的结果进行反演，进而为实际施工的损伤半径做出相应的预测与评判，预测精度高。

Description

基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法及设备
技术领域
本发明属于爆破损伤探测技术领域，更具体地，涉及一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法及设备。
背景技术
判断爆破损伤区(损伤半径)的大小是评判爆破效果、控制由于爆破而引起的基岩扰动的重要手段之一，但是由于岩石具有不透明性且爆破现场存在的复杂条件，使用原位声波测试的方法来对爆破损伤区进行评估具有相当的困难性且不具有经济性，无法做到大规模且长期的应用与推广。
中国专利CN109596020A公开了一种定向断裂光面爆破效果的分析评价方法，包括：根据爆破介质的物理力学参数选取岩石试块；在岩石试块中央钻炮孔；在岩石试块上位于炮孔附近取测点进行超声波检测；采集所述测点位置对应的超声波在所述岩石试块中的第一传播速度；向炮孔中装设定向断裂爆破用药包，堵塞炮孔；控制定向断裂爆破参数对炮孔起爆；采集所述测点位置对应的超声波在断裂后的岩石试块中的第二传播速度；计算超声波在相同测点位置处爆破前后的试块中的速度变化率；根据所述速度变化率分析爆破后岩石损伤状况；根据所述岩石损伤状况评价爆破效果。该方法使用原位声波测试的方法来对爆破损伤区进行评估具有相当的困难性且不具有经济性。
基于上述缺陷和不足，本领域亟需提出一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，使用有限-离散元这一新兴的数值方法可以在宏观上表征出裂纹的形貌并可以根据裂纹的条数来反应对应的数量信息，通过有限次数的现场声波测试结果获得的原位损伤结果去对有限-离散元仿真出来相同工况的施工爆破区表征损伤的裂纹密度阈值进行标定,再通过该标定的裂纹密度阈值来对后续的有限-离散元模拟的结果进行反演，进而为实际施工的损伤半径做出相应的预测与评判，以克服现有技术中使用原位声波测试的方法来对爆破损伤区进行评估具有相当的困难性且不具有经济性的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法及设备，其中结合基岩自身的特征及其爆破损伤特点，相应设计了基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元-离散元数值方法模拟出的相同工况的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据损伤结果和裂纹密度值确定损伤判断阈值，并根据该损伤判断阈值以及新工况下模拟获取的裂纹密结果预测实际爆破施工中的损伤区大小，进而为实际施工的损伤半径做出相应的预测与评判。该方法预测警服可靠，可有效降低原位声波测试的次数，成本低、操作方便。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，包括以下步骤：
步骤一，采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元-离散元数值方法模拟出的相同工况的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据损伤结果和裂纹密度值确定损伤判断阈值；
步骤二，采用有限元-离散元数值方法模拟在新工况下的裂纹密度值，结合步骤一标定的损伤判断阈值对现场爆破损伤区范围进行反演预测，以确定损伤半径的大小。
作为进一步优选的，步骤一中，在现场通过声波测试系统对爆破前后岩石进行波速测量，得到声波波速降低大于15％的区域分布，定义原位声波测试中声波波速在爆破前后降低超过15％的区域为爆破影响区，该爆破影响区的损伤值为1，记该值为爆破损伤的裂纹密度阈值ρthreshold。
作为进一步优选的，步骤一中，裂纹密度值的计算模型为：
式中，ρ2D为二维裂纹密度，ρ3D为三维裂纹密度，A为二维测窗的面积，V为三维测区的体积，ai为表征裂纹的特征长度。
作为进一步优选的，所述三维裂纹密度由二维裂纹密度根据如下公式进行求出：
式中，r为测窗到炮孔轴线的最小距离，dborehole为炮孔直径。
作为进一步优选的，步骤二中，确定损伤半径的大小具体包括：
式中，D为损伤值大小，ρ为计算得到的裂纹密度值，其中损伤值为1对应的损伤等高线到炮孔之间的距离为损伤半径。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的系统，包括：第一主模块，用于采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元-离散元数值方法模拟出的相同工况的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据损伤结果和裂纹密度值确定损伤判断阈值；第二主控模块，用于采用有限元-离散元数值方法模拟在新工况下的裂纹密度值，结合步骤一标定的损伤判断阈值对现场爆破损伤区范围进行反演预测，以确定损伤半径的大小。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种电子设备，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行上述一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法。
按照本发明的另一个方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过有限次数的现场声波测试结果获得的原位损伤结果去对有限-离散元仿真出来相同工况的施工爆破区表征损伤的裂纹密度阈值进行标定,再通过该标定的裂纹密度阈值来对后续的有限-离散元模拟的结果进行反演，进而为实际施工的损伤半径做出相应的预测与评判。预测精度高，方法简单，经济成本低。
2.本发明结合了有限-离散元中的可视化裂纹条数，并结合了裂纹密度法去定量化损伤区，再辅以声波实测数据标定，和较大规模现场测试比更为经济且结果相对可靠。
3.本发明通过结合数值模拟与现场声波结果来进行阈值的判定，具有较高的可信度与严谨性。同时利用数值模拟去对损伤区进行可视化更为直观，能给现场工作者提供一些施工上指导，对损伤区的控制与描述更为形象化。
4.本发明可以结合现场实际情况，对施工的孔网参数的设计优化提供一些建议，为安全施工提供一层保障，为企业节省一定的成本。
附图说明
图1是本发明一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法的流程图；
图2是本发明一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法中涉及的损伤判断阈值的获取流程图；
图3是实现一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法的电子设备结构示意图；
图4中的(a)为方形样的FDEM计算模型网格图，图4中的(b)为采用FDEM模拟的裂纹结果示意图，图4中的(c)为现场声波测试中波速降低为15％的区域，图4中的(d)为将图(b)中FDEM模拟的裂纹结果根据裂纹密度值的计算模型计算出的裂纹密度分布图的示意图；
图5中的(a)为采用有限-离散元模拟得到的裂纹图，图5中的(b)为采用有限-离散元模拟得到的裂纹密度图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，考虑到使用有限-离散元这一新兴的数值方法可以在宏观上表征出裂纹的形貌并可以根据裂纹的条数来反应对应的数量信息，结合裂纹密度的定义，提出了一种通过有限次数的现场声波测试结果获得的原位损伤结果去对有限-离散元仿真出来相同工况的施工爆破区表征损伤的裂纹密度阈值进行标定,再通过该标定的裂纹密度阈值来对后续的有限-离散元模拟的结果进行反演，进而为实际施工的损伤半径做出相应的预测与评判。
具体的，本发明方法包括以下步骤：
步骤一，采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元-离散元数结合的方法模拟出的相同工况的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据损伤结果和裂纹密度值确定损伤判断阈值。
如图2所示，本发明中利用有限离散元数值模拟裂纹密度结果及现场声波测试得到裂纹密度阈值。本步骤中利用数值模拟(即有限元-离散元数值模拟)获取施工爆破区的裂纹密度分布图，同时，基于现场声波测试(即现有技术中原位声波测试)确定该施工爆破区岩体损伤范围。然后确定损伤区对应裂纹密度分布图中的裂纹密度值，即确定损伤判断阈值。
更具体的，在现场通过声波测试系统对爆破前后岩石进行波速测量，得到声波波速降低大于15％的区域分布，定义原位声波测试中声波波速在爆破前后降低超过15％的区域为爆破影响区，该爆破影响区的损伤值为1，记该值为爆破损伤的裂纹密度阈值ρthreshold。损伤对应的裂纹密度阈值的标定，由于损伤定义为[0,1]区间内无量纲的值，在我国水电爆破行业规范中定义原位测试声波波速在爆破前后降低超过15％的区域定义为爆破影响区，或者认为其损伤值为1，因此结合有限离散元以及原位声波测试的结果，可以标定出爆破影响区范围对应的裂纹密度值的大小，以此作为后续定出损伤值为1区域的阈值并最终确定损伤半径的大小。
其中，裂纹密度值的计算模型为：
式中，ρ2D为二维裂纹密度，ρ3D为三维裂纹密度，A为二维测窗的面积，V为三维测区的体积，ai为表征裂纹的特征长度。二维中裂纹为长度为2ai的长方形，三维中裂纹为直径2ai的圆盘状。三维的裂纹密度可由二维的裂纹密度根据如下公式进行求出：
式中，r为测窗到炮孔轴线的最小距离，dborehole为炮孔直径。通过上述公式可以得到模型中裂纹密度的分布情况。
接着在现场时通过声波测试系统对爆破前后岩石进行波速测量，得到声波波速降低大于15％的区域分布，判定其为爆破损伤区，并将模拟得出的裂纹密度等高图结果与现场情况进行比对，得到了损伤值等于1的范围对应的裂纹密度值，记该值为爆破损伤的裂纹密度阈值ρthreshold。
为了说明该方法具体实施步骤，现以一个长2m，宽2m的方形样为例，如图4所示。其有限离散元模型网格图为(a)所示(黑色线条部分为随机生成的天然节理，用以模拟岩体的结构面)，(b)图为FDEM模拟的裂纹结果，(c)图为试验中波速降低为15％的区域，(d)图通过图b中FDEM模拟的裂纹结果根据公式(1)计算出的裂纹密度分布图。由于图(c)中的波速降低超过15％的区域的大小就表征了爆破中损伤值为1的区域，可以看出，其损伤半径大概在1.1m左右，将其与FDEM的裂纹密度的云图进行对比，可以发现裂纹密度在60～80的时候其损伤区半径(约为1.2m)和实验结果吻合较好，因此判定该类岩石材料在FDEM模拟中裂纹密度在60～70时是该岩石损伤为1的阈值，大于该裂纹密度值时损伤均为1，这就确定了步骤二中用到的表征损伤值为1的裂纹密度阈值为60～70。
步骤二，采用限元-离散元数结合的方法模拟在新工况下的裂纹密度值，结合步骤一标定的损伤判断阈值对现场爆破损伤区范围进行反演预测，以确定损伤半径的大小。该步骤中，确定损伤半径的大小具体包括：
式中，D为损伤值大小，为计算得到的裂纹密度值，其中损伤值为1对应的损伤等高线到炮孔之间的距离为损伤半径。min()为取小值函数，而ρthreshold为上述经过标定的表征损伤为1的裂纹密度的阈值。
即得到步骤一中的ρthreshold后，就可以开展在实际爆破前开展FDEM的爆破模拟，得到了对应的裂纹密度分布等高图，通过损伤半径的大小计算公式就可以对应的损伤区大小，并以此确定损伤半径，由于数值模拟的便捷与高效性，可以改变炸药量以及不用的装药形式来结合本发明研究不同的装药条件以及不同的孔网参数下的损伤半径的分布，为现场施工布置以及装药设计提供一定的参考，同时节约了大量的人力物力以及资源，得到了相对可靠的损伤区半径，为爆破损伤控制提供一定的指导。
如图5所示，在本发明的一个实施例中，有限-离散元方法模拟新工况下裂纹密度值计算过程：
1.建立新工况对应的有限-离散元模型，并进行网格划分，这里注意为了结果的一致性，单元尺寸要与第一步标定中的单元尺寸相同。
2.进行有限-离散元模拟，得到裂纹图。
3.将整个研究区域划分为长为l1,宽为l2的多个等大的测窗,每个测窗面积为A＝l1*l2，,此时以下图左边为例子，有一条裂纹(黑色加粗实线)穿过了第1和第2个测窗，其在第一个测窗中的长度为a1,在第二个测窗中的长度为a2,根据上述公式，可以得到第一个测窗的裂纹密/>第二个测窗了裂纹密度/>其余测窗裂纹密度均为0，这样就可以算出新工况下裂纹密度的分布云图。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的系统，包括：第一主模块，用于采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元-离散元数值模拟的方法模拟出的相同工况的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据损伤结果和裂纹密度值确定损伤判断阈值；第二主控模块，用于采用限元-离散元数值模拟的方法模拟在新工况下的裂纹密度值，结合步骤一标定的损伤判断阈值对现场爆破损伤区范围进行反演预测，以确定损伤半径的大小。
本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。
此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元-离散元数值方法模拟出的相同工况下的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据损伤结果和裂纹密度值确定损伤判断阈值，其中，在现场通过声波测试系统对爆破前后岩石进行波速测量，得到声波波速降低大于15％的区域分布，定义原位声波测试中声波波速在爆破前后降低超过15％的区域为爆破影响区，该爆破影响区的损伤值为1，记该值为爆破损伤的裂纹密度阈值ρthreshold；裂纹密度值的计算模型为：
式中，ρ2D为二维裂纹密度，ρ3D为三维裂纹密度，A为二维测窗的面积，V为三维测区的体积，ai为表征裂纹的特征长度；
步骤二，采用有限元-离散元数值方法模拟在新工况下的裂纹密度值，结合步骤一标定的损伤判断阈值对现场爆破损伤区范围进行反演预测，以确定损伤半径的大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，其特征在于，所述三维裂纹密度由二维裂纹密度根据如下公式进行求出：
式中，r为测窗到炮孔轴线的最小距离，dborehole为炮孔直径。
3.根据权利要求1所述的一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的方法，其特征在于，步骤二中，确定损伤半径的大小具体包括：
式中，D为损伤值大小，ρ为计算得到的裂纹密度值，其中损伤值为1对应的损伤等高线到炮孔之间的距离为损伤半径。
4.一种基于裂纹密度及声波阈值反演爆破损伤范围的系统，其特征在于，包括：第一主模块，用于采用现场原位声波测试获取施工爆破区域岩体损伤区范围，采用有限元-离散元数值方法模拟出的相同工况的该区域表征损伤的裂纹密度值，根据损伤结果和裂纹密度值确定损伤判断阈值，其中，在现场通过声波测试系统对爆破前后岩石进行波速测量，得到声波波速降低大于15％的区域分布，定义原位声波测试中声波波速在爆破前后降低超过15％的区域为爆破影响区，该爆破影响区的损伤值为1，记该值为爆破损伤的裂纹密度阈值ρthreshold；裂纹密度值的计算模型为：
式中，ρ2D为二维裂纹密度，ρ3D为三维裂纹密度，A为二维测窗的面积，V为三维测区的体积，ai为表征裂纹的特征长度；第二主控模块，用于采用有限元-离散元数值方法模拟在新工况下的裂纹密度值，结合步骤一标定的损伤判断阈值对现场爆破损伤区范围进行反演预测，以确定损伤半径的大小。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求1至3任一项权利要求所述的方法。
6.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法。
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