爆破振动对岩质边坡累积损伤影响实验研究

爆󰀁破󰀁󰀁BLASTING󰀁󰀁

Vo.l26󰀁No.4󰀁󰀁

Dec.2009󰀁󰀁

DOI:10.3963/.jissn.1001-487X.2009.04.001

爆破振动对岩质边坡累积损伤影响实验研究

费鸿禄,赵昕普

(辽宁工程技术大学爆破技术研究院,阜新123000)

*

摘󰀁要:󰀁通过观测同一地点岩体多次爆破前、后岩体的声速以及爆破振动速度峰值变化规律,由声速测试结合爆破振动测试数据结果计算出岩体损伤系数,实测数据的对比和计算结果表明:在多次爆破振动损伤累积的条件下,爆破振速随岩体的声速呈指数关系衰减。并由声速测试结果确定了边坡在爆破振动作用下的损伤阈值。

关键词:󰀁爆破振动;󰀁损伤积累;󰀁损伤阈值;󰀁岩体声速

中图分类号:󰀁TD235󰀁󰀁󰀁文献标识码:󰀁A󰀁󰀁󰀁文章编号:󰀁1001-487X(2009)04-0001-03

ExperimentalStudyonCumulativeDamageinRockSlope

CausedbyBlastingVibration

FEIHong-lu,ZHAOXin-pu

(InstituteofBlastingTechnica,lLiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)Abstract:󰀁Throughtheobservationonchangerulesofsoundspeedandblastingvibrationpeakvelocityinthesame

pointbeforeandafterblasts,thedamagecoefficienceofrockmasswascalculatedbycombiningthesoundspeedandthemonitoredresultsofblastingvibration.Themonitoredandcalculatedresultsshowthatontheconditionofthecumulativedamageofblasts,theblastingvibrationattenuatedexponentialyalongwiththesoundspeedofrockmass.Andthedamagethresholdofrockslopeunderblastingvibrationwasdefinedbytheresultsofsoundspeedmeasuring.

Keywords:󰀁blastingvibration;cumulativedamage;damagethreshold;soundspeedofrockmass

可用观测部位附近原始状态岩体的波速作为爆破前

波速,也可从观测资料的变化趋势和特点进行判断。

在黑龙江达连河永平露天煤矿的生产爆破作业中进行了的声波测试,测试地点选择在08号工作平台,测孔深度8m,孔径120mm,如图1所示。该地点属于深煤层区,需要进行大量的岩土剥离作业。地质条件为白砂岩与花岗岩混合岩体。现场爆破试验参数如表1所示。

0󰀁引言

弹性波法检测开挖爆破对岩体的破坏影响,是爆破试验与岩石建基面验收的主要方法之一。󰀁水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范󰀁

[2]

(SL472󰀁󰀁󰀁94)规定,依据声波发射及接收仪器的测量误差及一般岩体破坏规律,同部位岩体的爆破后波速与爆破前波速的变化率󰀁>10%时判断为爆破破坏或基础岩体质量差。若只在爆后观测,

收稿日期:2009-09-18

作者简介:费鸿禄(1963-),男,教授,博士生导师,博士,从事工程

爆破、地下工程方面教学和科学研究,E-mai:lfeihonglu@163.com。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774042);辽宁省高等学校优秀人才支持计划(2009R32);辽宁省教育厅高等学校科研项目(2009A341)

[1]

1󰀁岩体损伤判定标准

朱传云,喻胜春提出:可以基于声波法建立岩体损伤度(D)、岩体完整性系数(K)和声速降低率(󰀁)

[3]

之间的关系。2E2v󰀁󰀁D=1-=1-=1-K=1-(1-󰀁)(1)E0v02爆󰀁破󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年12月

式中,E0为爆破前岩体的弹性模量,GPa;E为爆破后岩体的等效弹性模量,GPa;v0为爆破前岩体的声波速度,m/󰀁s;v为爆破后岩体的声波速度,m/󰀁s。

vp=L/󰀁t(2)

3󰀁实验结果与数据分析

根据所测得不同深度的岩体声速、同一点爆破振动速度峰值表1,以及9次爆前、后声速曲线变化图3的对比不难发现:每一次爆后的岩石声速要比

爆前的声速降低;在爆心距、药量、高程等影响因素都相近的情况下,爆破振动速度峰值也发生了相应的降低,说明爆破区域的地质条件发生了变化。我们通过声波速度随着每次爆破后的减低可以理解为:爆破地震波对爆破区域的岩体产生了扰动,使其结构、整体性乃至裂隙方向和裂隙长度、宽度发生了变化,导致了爆破振速的降低。

图1󰀁测点所在位置地形图

Fig.1󰀁Topographicdiagramoftestingregion

2󰀁多次爆破作用下岩体声速现场试验

现场声波测试常用钻孔法,分为单孔测试和跨孔测试2种方式,单孔测试一般属于折射波测试法,跨孔测试属于透射波测试法,其测试原理如图2所示。为分析爆破对岩体的影响,并初步确定边坡振动速度的安全阈值,进行了爆前、爆后声波测试。测孔位于08号作业平台(+56m)高程边坡坡脚的基岩上,声波仪为北京市康科瑞工程检测技术公司研发生产的NM-4A型;换能器频率为15MHz,在声波孔中通过水与岩体介质耦合。

图3󰀁岩石声速随换能器位置的变化

Fig.3󰀁Rocks󰀁hypersonicchangingbydetectorposition

根据岩石声速降低率可以计算出在每次爆破后的岩石损伤程度,观察图3中曲线不难发现:随着爆破次数的增加,换能器各个位置的声波速度逐渐降低,说明随着爆破次数的增加,岩体受爆破影响程度不断增大,岩体完整程度不断劣化。但是有个别测点的岩石声速出现突变,可以推断测点区域存在软弱地质层或破碎带。这也从现场钻机钻孔的速度可以验证。可以合理解释测孔内声速不是呈线性变化的原因。

图4中岩石损伤程度D和各次爆破振动峰值速度衰减程度的关系。这就说明岩石的损伤程度与爆破振动速度衰减有着线性的关系:

y=1.0479x+0.00(3)

󰀁󰀁相关系数为0.9718>0.9,说明线性方程是比较可靠的。图2󰀁跨孔测试测试原理Fig.2󰀁Principleofspanningholetest

若发射探头与接收探头距离一定,设为L,测试

时从仪器显示的波形图上读出纵波在2个测点之间传播经历的时间󰀁t即可得到纵波平均传播速度:

第26卷󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁费鸿禄,赵昕普󰀁爆破振动对岩质边坡累积损伤影响实验研究

表1󰀁岩体损伤程度系数D和多次爆破振速峰值衰减率

Table1󰀁ExtentofdamagingtorocksD&rateofparticlevelocitydecayedafterblasting实验序号第第第第第第第第第

1次爆破2次爆破3次爆破4次爆破5次爆破6次爆破7次爆破8次爆破9次爆破

药量/kg14018012612014011060

爆破振速/(cm󰀁s-1)33.26630.60728.41323.97120.86918.216.49512.09810.452

比例药量/(kg1/3󰀁m-1/3)0.094400.083030.068100.066360.059430.054660.053240.051670.04717

高差/m3.3.3.3.2.3.2.2.3.2450859377948248

爆心距/m556874698395907995

岩石损伤系数0.0.0.0.0.0.0.0.0660143114117094245099

7508422551581717

爆破振速降低比率0.0.0.0.0.0.0.0.079071156129123098266136

9368377534095701

3

全阈值的确定,主要结合现场监测和爆后边坡是否失稳的宏观调查以及工程经验确定之。例如,根据大量的己有工程实例,由矿冶系统提出的边坡安全阈值为:稳定的边坡(静态稳定系数大于为1.2),安全阈值为35~42cm/s;不稳定的边坡(静态稳定系数小于0.8),安全阈值为22~28cm/s。清江隔河岩工程

图4󰀁岩体损伤程度系数D与多次爆破振速峰值

衰减率的关系

TherelationshipbetweenD&rateofparticlevelocitydecayed

[6]

[4-7]

,󰀁类边坡,安全阈值为22

cm/s,󰀁类边坡,安全阈值为28cm/s;󰀁类边坡,安全阈值为35cm/s。三峡临时船闸边坡安全阈值为10~15cm/s。

表2为声波测试结果,由表可以看出爆破前后波速的对比数据。岩体声速爆破后比爆破前均有所下降,爆破后波速下降范围为3.45%~13.32%,大部分测点爆后波速降低变化率小于10%,只有小部分测点爆后波速减小大于10%,说明岩石完整性受爆破影响程度也不大。综合声波检测结果可以看出,在爆破荷载作用下,各测点岩体爆前、爆后波速变化率的平均值为6.5%。

󰀁󰀁爆破振动监测点(同时也是声波速度测试点)所在的区域的振动速度预测公式为V=203.74QR

合所在地点为硬质岩石的岩性。

3

1.24

,符

4󰀁边坡振动速度安全阈值的确定

目前,爆破荷载作用下岩体边坡的振动速度安

表2󰀁岩石声速在每次爆破后的降低率

Table2󰀁Rateofdecayingforrocks󰀁hypersonicafterblasting

换能器深度2.8

2.62.42.22.01.81.61.41.21.00.80.6平均值

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁爆破后岩石声波速度的降低率󰀁/%󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第1次1.350.8010.6.163.127.502.550.503.843.300.802.803.45

第2次6.321.241.985.570.203.102.144.051.913.054.915.023.29

第3次11.096.4012.3111.302.258.497.685.074.388.046.786.187.51

第4次4.943.393.845.6019.522.7410.510.437.451.245.327.196.14

第5次9.913.457.334.3514.472.085.0.7.1411.933.701.036.17

第6次7.425.832.881.446.414.183.937.884.762.298.542.874.86

第7次8.699.359.266.1117.2720.1127.4020.3114.0210.916.659.7313.32

第8次

10.5611.866.123.337.463.852.941.745.302.432.393.945.16

第9次

19.908.3313.0423.055.7.053.7413.482.727.1610.888.0510.01

(下转第21页)

第26卷󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁吴󰀁亮,位󰀁敏,钟冬望,等󰀁空气间隔装药爆破动态应力场特性研究21

破坏方式由压剪破坏逐渐转变为剪切拉伸破坏。

2)比较反向起爆与正向起爆动态应力场发现,反向起爆时爆轰气体对岩石的静态作用强度高、时间长,有利于克服孔底岩石所受的夹制力而不易产生根底。正向起爆时,大量爆轰气体自上部裂纹及孔口逸散,不利于爆炸能量的有效利用。

本文仅就上部空气层间隔装药爆破作用下混凝土动态应力场特性进行了分析研究,不同的空气层位置对动态应力场的影响以及不同空气比对单元破坏机理的影响还有待进一步分析。

参考文献

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爆破器材,2006,35(5):8-11.

(上接第3页)

󰀁󰀁黑龙江达连河永平08号平台+56m高程爆破

振动监测以及声波测试结果表明,在爆破开挖过程中,当08号平台边坡坡脚点(测点离爆源最近且在边坡脚下)的振动速度为33.27cm/s时,爆前、爆后边坡岩体声波波速的平均变化率为6.5%,小于10%。根据水利部行业标准󰀁水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范󰀁SL47󰀁󰀁󰀁94的规定,可以认为,08号平台+56m高程爆破荷载未对边坡岩体造成破坏性影响。因此,当爆破开挖引起的边坡坡脚处振动速度为33.27cm/s时,08号平台的边坡是稳定的。考虑到矿区安全生产,取1.5的安全系数,永平08号平台边坡振动速度安全阈值(边坡坡脚处)可以确定为22.4cm/s。

应用声波测试技术研究岩体爆破损伤及其累积效应

是切实可行,进一步深入研究可以分析矿山边坡在爆破振动作用下的稳定性。

2)结合振动监测和声波测试结果,初步确定了黑龙江达连河永平露天煤矿边坡的振动速度安全阈值标准。结合振动监测和声波测试确定爆破荷载作用下岩体边坡安全阈值的方法是一种简单和确实可行的方法,可以为类似工程提供借鉴。

参考文献

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5󰀁结论

以黑龙江达连河永平露天煤矿为工程背景依托,完成了岩体爆破损伤累积效应现场声波测试研究。进行了9次试验爆破,测定了多次爆破前、后岩体的声速变化。得到的主要结论如下:

1)随着爆破次数的不断增加,岩体声波速度逐渐降低,爆破损伤(󰀁D)呈现单调递增趋势,损伤不断加剧,岩体的完整程度和承载性能不断劣化。由于岩体声速可以有效的定量表征爆破损伤,描述爆破后岩体的劣化程度,而且测试方法简单易行,因此