岩石爆破破坏机理及爆破地震波的特性研究

摘 要：随着爆破技术的广泛应用，其所产生的震动、空气冲击波、噪音、飞石等负面影响日益引起了人们的关注，其中爆破震动被认为是各种公害之首。爆破所产生的地震波对各种结构均有不同程度的影响，尤其是地下结构，可能出现巷道围岩失稳、支护结构失效破坏、诱发冲击矿压等严重后果。因此，研究爆破地震波对巷道围岩的影响，探讨掘进爆破巷道围岩的动力响应尤为重要，是爆破震动研究领域中的重点内容。

关键词：爆破地震波，巷道围岩，爆破振动

一、岩石爆破破坏机理

当岩体采用爆破开挖的方法，炸药在炮孔中起爆后，岩石发生的变形破坏大致有以下几个过程：（1）强大的冲击波压应力使炮孔周围岩石受压破碎，在瞬时形成压缩破碎和初始裂隙；（2）环向拉应力及应力波反射拉应力使岩石中的裂隙扩展，引起岩石进一步破裂，包括初始裂隙的形成和二次裂隙的扩展；（3）爆生气体膨胀作用使岩石中的裂隙贯穿形成碎块，碎胀体积增加，岩石运动，形成爆破漏斗。根据岩石的破坏情况，除了在装药处形成的空腔，大致可将其分为三个区域：压缩粉碎区、破裂区和震动区。如图1.1所示，图中：1—震动区；2—破裂区；3—粉碎区；4—空腔。

图1.1 爆破作用下岩石的破坏特征

二、爆破地震波概述

2.1 爆破地震波的形成

药包在岩石中爆炸后，最初施加在岩石上的是冲击荷载，产生冲击波，作用于爆炸中心近区岩体。随着冲击波传播距离的增大，其波阵面会因破坏作用而倾斜，波的正压作用时间会随着波传播距离的增加而增加。随着传播距离的增大，应力波衰减的速度较慢，作用范围较大，一般为装药半径的120-150倍。当传播距离超过药包半径的400～500倍时，应力波的幅值大大减小，但其所产生的移动能长时间作用在岩体上即正压作用时间加长，使岩体的裂隙加宽，产生明显的相对移动，此时压缩应力波衰变为具有周期性振动的地震波。

2.2 爆破地震波的分类

爆破地震波是由应力波从远区传播到界面，并且在界面上产生反射和折射叠加而形成的。根据传播的位置不同，爆破地震波可分为体波和面波。其中，体波是指在介质内部传播的弹性波；面波是指沿介质体的内、外表面传播的弹性波。如果介质体具有不同的物理力学性质以及存在不均匀或不连续带时，波就会产生反射和折射现象。一定条件下，在地表地层或介质体分界面处产生面波，面波的强度随深度的增加而迅速下降。其具体分类情况见右图1.2。

图1.2 爆破地震波的分类

三、各种波形的参数方程

3.1 体波的参数方程

纵向是第一个作用在介质质点上的波，其传播速度最快。与瑞利波相比，纵波的作用时间较短，因此其对建筑物的作用效应，类似于初始速度的瞬时冲量。

研究弹性波通常选用Lame-Navier方程，即：

式中：i=1，2，3（或 x，y，z）；L为位移；ρ为介质密度；θ 为体积应变；G为切变模量； λ为一阶拉梅常数，没有确切的物理含义，表示材料的压缩性 体波波速主要受介质的密度，杨氏弹性模量和泊松比等的影响。并且根据公式可以发现波速和密度成反比例关系，但通过试验观察得到介质的密度越大，波的传播速度越大，并不是像公式显示的反比例，而且是随着密度的增加，波速增大的越快。这是因为随着密度的增加，杨氏弹性模量E也随着增大，而且增大幅度更大。所以波在致密的岩石中的传播速度比在疏松的岩土中快。

3.2 面波的参数方程

研究面波主要在半无限空间内，通过将应力位移关系方程、控制方程等结合得到瑞利波的波速方程：

在 的爆破区域范围内，前苏联学者通过实验研究得到瑞利波的垂直位移幅值与比距离的关系表达式为：

表达式中：W—最小抵抗性； α（W/Rc）—与爆心距有关的影响函数。

根据振幅表达式，从而推导出瑞利波的最大垂直振动速度表达式：

从推导的各个波形的波速公式可以看出，波速主要受介质密度、杨氏弹性模量和泊松比的影响。但从实际情况出发，爆破区域的地质地形条件、岩土介质的种类和特性、岩石裂隙的破碎程度等因素对波速也会造成影响。由此可见，当岩石介质的种类、结构发生变化时，波速也会随之发生变化；而如果同一种岩石的构造、裂隙情况不同时，其波速也会不同，总的来说，岩土介质的物理力学性质对波速有较大影响。

四、爆破地震波的特性概述

4.1爆破地震波的强度特性

大量的现场试验和观测资料表明：爆破震动的强度与质点震速大小的相关性较好，且震速与岩土性质有较稳定的关系；而与质点震动位移及加速度都不具有这种相关性。此外，利用速度可以和地震波所携带的能量及所产生的地应力相联系，并和结构中产生的动能和内应力建立关系。而多数情况下，垂直方向的质点振速较切向和径向的大，因此，采用垂直质点峰值振速作为爆破震动强度大小的做法较为普遍。实际应用中往往是通过对大量实测数据进行回归分析，建立震动速度幅值与各影响因素之间的经验关系。

4.2爆破地震波的频谱特性

所谓爆破震动的频谱特性是指爆破震动对具有不同自振周期的结构的反应特性，通常可以用反应谱、功率谱和傅立叶谱来表示。反应谱是工程领域最常用的表示形式，现已成为工程结构抗震设计的基础。功率谱和傅立叶谱在数学上具有更明确的意义，在工程领域也具有一定的实用价值。

爆破震动信号的功率谱能从频域很好地刻画信号的频率成分，其中最大谱值对应的频率称为主频率。由于爆破地震波的瞬态振动特性为一频域较宽的随机信号，用频谱分析方法可以得出频谱来描述其频率特征。在较远距离上爆破震波的低频成分起主要作用，表现为爆破震动有主频随距离增加而降低的特性。

研究发现，虽然加速度时程曲线强度与频率都是时间的随机函数，但大体上有一定规律：随着爆源距离的增加，强度与频率都逐渐降低。根据实测不同药量与距离时振动加速度时程曲线所进行的频谱分析得到如下经验统计公式：

此外，从爆源传来的爆破地震波是由许多频率不同的分量组成，由于工程实践中测到的爆破震动信号是结构体对爆破震动响应的结果，而工程结构又常常包含有众多的子结构，具有多模态、多震型的特点，因此爆破震动信号中有可能会出现多个优势频率的现象。

4.3爆破地震波的能量特性

爆破地震波的能量一般定义为通过其辐射表面的地震波能量，即：

式中：ρ0 —密度；v―波速；A、T—地震波位移振幅和周期；

在岩土介质体内从爆源向四周的传播过程中，介质体的阻尼使地震波幅值衰减，但这种阻尼作用的大小因地震波的频率特性而异。在不同介质中的爆破地震波所包含的能量仅占爆炸释放能量的3%～20%，主要取决于传播介质。可用以下经验公式估算：

爆破地震波的震级与地震能量的关系为：

爆破地震波在岩土介质中传播的过程也是爆炸能量随距离衰减的过程，不同频率的能量衰减不同。有关研究发现，低爆速炸药爆轰压力上升的慢，爆破震动就小；坚固性大的岩石，振动烈度和振动频率就大，持续时间也短。地震波在传播过程中遇到断层、裂隙、河谷、采空区和距离相等时，其烈度也明显降低。

参考文献

[1] 东兆星， 邵鹏. 爆破工程[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2004.

[2] 宁建国， 王成， 马天宝. 爆炸与冲击动力学[M]. 北京： 国防工业出版社， 2010， 171-176.

[3] 沈立晋. 爆破地震波传播特性及其效应研究[D]， 河南焦作： 焦作工学院， 2001

[5] 许红涛， 卢文波， 周小恒. 爆破震动场动力有限元模拟中爆破荷载的等效施加方法[J]， 武汉大学学报（工学版）， 2008， 41（1）：67-71

推荐访问:爆破 地震波 机理 岩石 特性