一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法
【专利摘要】本发明公开了一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，所述方法利用测试炮孔底部的炸药爆炸作为震源，用设置在不同水平台阶坡面中下部的测振仪器，获取测振仪器对应测振点的围岩振动信号，根据两个相应测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号到达测振点的相对时间差，计算出相应区域岩体的声速，从而实现多台阶水平岩体声速的同时测量。本发明方法适用于现场同时测量多台阶水平的岩体声速，推算探测岩体的破裂度，为边坡稳定性分析、边坡加固方案设计和边坡成型爆破设计提供依据，也可以用于露天矿山爆破工程或者沟堑开挖工程中，获得施工过程中炸药与岩石的波阻抗匹配情况，从而为优选炸药品种、设计炸药性能、调整装药参数提供依据。
【专利说明】
一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种声速的测量方法，尤其是一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，属于边坡工程的岩体整体性预测和沟堑开挖爆破、露天矿山开采爆破时的岩性预报等技术领域。【背景技术】
[0002]边坡工程和矿山工程等大型土石方工程中，经常需要测量岩石的声速，通常用声波探测仪测试标准岩样的声速，或者用埋置于岩体内的药包爆炸作为震源测试振动波在周围岩体中的传播速度，即岩体声速，尽管两种方法均是常用的岩石声速测定方法，但其意义有较大区别。岩石的声速和其破裂程度有关，破裂越严重，声速越低。前者是通过声波的反射测试打磨岩样相对自由面的传输时间差，再用打磨岩样相对自由面的距离除以声波时差，所测声速是经打磨的完整岩样的声速，即整体岩块声速;后者测量的是实际工况下的有节理裂隙的岩体的声速，一般比前者小。
[0003]岩石边坡的稳定性分析、边坡岩体加固、矿山台阶爆破施工等工程的研究对象均是有一定破裂程度的岩体，其与完整无裂隙的岩块有较大区别。在边坡工程中，通过超前探测不同台阶水平的岩体声速，将之与对应位置岩块试样的声速进行比较，用两者差值与岩块试样声速的比判别岩体的破裂程度，为边坡稳定分析、边坡加固设计、边坡预裂爆破或光面爆破设计提供依据;在露天矿山工程或者沟堑开挖工程中，也可以通过测试不同台阶水平的岩体声速，获得施工过程中炸药与岩石的波阻抗匹配情况，从而为优选炸药品种、设计炸药性能、调整装药参数提供依据，实现精细爆破和环保爆破。由此可见，高效地测量多台阶水平岩体的声速是边坡工程、矿山工程等工程的迫切需求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，该方法可以通过爆破施工炮孔或独立测试炮孔的底部装药爆炸作为震源，用设置在不同水平台阶坡面中下部的测振仪器，获取对应测振点的围岩振动信号，根据两个相应测振点距离初始震源位置的距离差除以获得振动信号的到达时间差计算出相应区域岩体的声速，实现多台阶水平岩体声速的同时测量。
[0005]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0006]—种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，所述方法利用测试炮孔底部的炸药爆炸作为震源，用设置在不同水平台阶坡面中下部的测振仪器，获取测振仪器对应测振点的围岩振动信号，根据两个相应测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号到达测振点的相对时间差，计算出相应区域岩体的声速，从而实现多台阶水平岩体声速的同时测量。
[0007]作为一种优选方案，所述方法包括以下步骤:
[0008]1)若利用正常爆破施工的炮孔，选定爆区的先爆炮孔作为测试炮孔，否则，选择靠近边坡的位置钻一个炮孔，作为测试炮孔；
[0009]2)测量测试炮孔的深度，确定起爆点的埋置深度；
[0010]3)在本台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点，在下一台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点，在下下一台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点……依次类推，各个基准测振点均位于经过测试炮孔且垂直于台阶坡面的垂直面上，即各个基准测振点与测试炮孔共面;其中，各个基准测振点布置在台阶坡面中下部的裸露原岩上；[〇〇11]4)在同一台阶水平的各个基准测振点的一侧或两侧布置其他测振点，其他测振点与基准测振点在同一高程，且布置在台阶坡面中下部的裸露原岩上，每个测振点都有一个测振仪器；[0012 ]5)测量起爆点及各个测振点的三维坐标；[0〇13]6)对测试炮孔进行装药；
[0014]7)将各个测振仪器与同步信号采集器连接，并启动同步信号采集器，进入待测状态；[〇〇15]8)按照爆破安全规程要求，进行爆破警戒，再下达起爆命令；
[0016]9)起爆后，根据起爆点及各个测振点的三维坐标，计算围岩振动信号的传播路径； 分别从同步信号采集器中读取振动信号到达各个测振点的时间；
[0017]10)根据相关两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号到达的时间差获得相应区域岩体的声速。
[0018]作为一种优选方案，所述方法还包括:
[0019]11)在边坡工程中，通过测量不同台阶水平的岩体声速，将测量的声速与对应位置岩块试样的声速进行比较，用两者差值与岩块试样声速的比判别岩体的破裂程度，为边坡稳定分析、边坡加固设计、边坡预裂爆破或光面爆破设计提供依据。
[0020]作为一种优选方案，所述方法还包括:[〇〇21]11)在露天矿山爆破工程或者沟堑开挖工程中，通过测量不同台阶水平的岩体声速，获得施工过程中炸药与岩石的波阻抗匹配情况，从而为优选炸药品种、设计炸药性能、 调整装药参数提供依据。[〇〇22]作为一种优选方案，步骤2)中，所述测试炮孔的深度大于或等于一个台阶高度。
[0023]作为一种优选方案，步骤2)中，所述确定起爆点的埋置深度，具体为:
[0024]当采用正常爆破施工的炮孔作为测试炮孔时，起爆点的埋置深度为该测试炮孔的深度；当选择靠近边坡的位置钻一个炮孔作为测试炮孔时，起爆点的埋置深度为测试炮孔的深度减去1/2装药段深度。
[0025]作为一种优选方案，步骤5)中，所述测量起爆点及各个测振点的三维坐标，具体为:[0026 ]起爆点的三维坐标间接测量获得，S卩起爆点的方位坐标与炮孔孔口方位坐标相同，起爆点的高程坐标为炮孔孔口高程减去起爆点的埋置深度;各个测振点的三维坐标直接测量获得。
[0027]作为一种优选方案，步骤5)中，所述起爆点及各个测振点的三维坐标利用全站仪或GPS测量。
[0028]作为一种优选方案，所述测振仪器为振动传感器。
[0029]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0030]1、本发明方法利用设置在不同水平台阶坡面中下部的测振仪器，获取测振仪器对应测振点的围岩振动信号，根据两个相应测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号到达测振点的相对时间差，计算出相应区域岩体的声速，从而实现多台阶水平岩体声速的同时测量。
[0031]2、本发明方法对同一个爆炸震源同时进行多个测振点的布设，合理组合使用两个测振点的数据，即用两个测振点距离初始震源位置的距离差除以获得振动信号的到达时间差，获得相应区域岩体的声速，如可以通过布置在测试炮孔同一台阶水平坡面上的两个测振点获得本台阶岩体的声速，通过布置在测试炮孔下一台阶水平坡面上的两个测振点获得下一台阶岩体的声速，通过同一竖直面上的位于下一台阶和下下台阶坡面上的两个基准测振点获得下下台阶岩体的声速。
[0032]3、本发明方法将测振点布置在台阶坡面中下部的裸露原岩上，不需要进行矿山工作平台清理露出原岩后再布置测振点，也没有矿山工作面虚渣层对测量信号的干扰。
[0033]4、本发明方法中，测振点布置要求在每一个台阶的坡面上设置基准测振点，各个基准测振点在同一平面上，该平面为过测试炮孔的台阶坡面的垂直面，其他测振点与同一台阶水平的基准测振点的高程基本一致，有利于实验数据的处理和分析，确保计算获得的岩体声速与岩体区域划分匹配。
[0034]5、本发明方法需要确保各个测振点与起爆位置的连线均为岩石，不得有悬空段， 所以测试炮孔的深度以略大于或等于一个台阶高度为宜，起爆点位于炮孔底部较佳。
[0035]6、本发明方法适用于现场同时测量多台阶水平的岩体声速，推算探测岩体的破裂度，为边坡稳定性分析、边坡加固方案设计和边坡成型爆破设计提供依据，也可以用于研究沟堑开挖爆破、露天矿山开采爆破时炸药与岩石的波阻抗匹配关系及不同性能参数的炸药爆炸后做功破碎特定岩体的能量综合利用率，从而优化爆破设计、提高爆破效率、降低爆破成本。【附图说明】
[0036]图1为本发明实施例1的同时测量多台阶水平岩体声速的方法原理图。[〇〇37]其中，卜炮孔，2-装药段，3-堵塞段，4-起爆装置，5-本台阶水平的台阶坡面，6-下一台阶水平的台阶坡面，7-下下台阶水平的台阶坡面，8-同步信号采集器。【具体实施方式】[〇〇38]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。[〇〇39] 实施例1:
[0040]如图1所示，首先需要在上部台阶工作面上钻炮孔1，炮孔1的深度以略大于或等于一个台阶高度为宜，炮孔底部作为装药段2装填炸药，上部为堵塞段3;当设计装药量较多时，起爆装置4位于炮孔底部0点；当装药量较少，可以看成点药包时，起爆装置4位于药包中间；炮孔1位置确定以后，再于下方数个台阶坡面上设置基准测振点；在本台阶水平的台阶坡面5上设置基准测振点A，在下一台阶水平的台阶坡面6上设置基准测振点B，在下下台阶水平的台阶坡面7上设置基准测振点C;基准测振点A、B和C均位于经过炮孔1且垂直于台阶坡面的垂直面上，即基准测振点A、B和C与竖直炮孔共面，且与台阶坡面垂直，其他测振点 (测振点D和E)布置在同一台阶水平的各个基准测振点的一侧或两侧，其高程与该台阶水平的基准测振点基本一致。
[0041]测振点布置完以后，复测炮孔1的深度和孔口坐标，从而计算出孔内起爆点0的位置;复测各个测振点的坐标，分别计算各个测振点与起爆点〇的距离，在炮孔1装药前，在所设测振点位置布置测试仪器，并利用同步信号采集器8采集振动信号；[〇〇42]测试仪器准备就绪后，先在炮孔1的底部装起爆装置4,再装药、堵塞、联网、警戒， 接着启动同步信号采集器8,开始同时记录各个测振点的振动信号，最后下达起爆命令;起爆点〇起爆以后，爆炸产生的应力波向周边围岩传播并衰减为振动波，并最终沿起爆点〇与各个测振点的连线传播到各个测振点，距离越近的测振点越早采集到振动信号。[〇〇43]现场测试以后，进行数据处理和分析，根据起爆点0和各测振点的三维坐标计算振动波的传播路径(^、(》、〇(:、〇〇、(^的长度，同时分别读取测振仪器开始记录数据至爆破振动波到达基准测振点A、B、C和其他测振点D、E的时间‘如、化、加和加;根据相关两个测振点距离初始震源位置的距离差除以获得振动信号的到达时间差获得相关区域岩体的声速，通过布置在测试炮孔同一台阶水平坡面上的A和D两个测振点获得本台阶岩体的声速，通过布置在测试炮孔下一台阶水平坡面上的B和E两个测振点获得下一台阶岩体的声速，通过同一竖直面上的位于下一台阶和下下台阶坡面上的两个基准测振点B和C获得下下台阶岩体的声速。因此，本台阶岩体的声速C上=(0D-0A)/(tD-tA)，下一台阶岩体的声速C中=(0E-0B)/(tE-tB)，下下台阶岩体的声速C下=(0C-0B)/(tc-tB)。
[0044]通过测得相邻三个台阶岩体声速以后，可以与各台阶岩块试样的声速进行对比， 判断各台阶岩体的破裂程度；当岩体完整无裂隙时，两个声速的差值为〇,破裂程度系数也为〇;随着岩体破裂程度的增加，所测岩体的破裂程度系数将逐渐增大;所以，本发明可以作为边坡稳定性分析、边坡加固方案设计和后续边坡成型控制爆破设计(如预裂爆破、光面爆破)的重要依据。
[0045]本发明也可以用于研究沟堑爆破、露天矿山台阶爆破时炸药与岩石的匹配关系及不同性能参数的炸药爆炸后做功破碎特定岩体的能量综合利用率，从而优化爆破设计、提高爆破效率、降低爆破成本；因为岩石爆破时，通常认为炸药与岩石的波阻抗相匹配时，炸药传递给岩石的能量最多，在岩石中引起的应变值最大，可获得较好的爆破效果;为了获得炸药与岩石波阻抗的匹配情况，需要分别测量炸药密度、炸药爆速、岩石密度和岩石声速四个物理量;本发明可以测量采场不同台阶水平岩体的声速，从而为爆破施工过程中优选炸药品种、设计炸药性能、调整装药参数提供依据，充分发挥炸药爆炸时释放的能量来破碎岩体，实现精细爆破和环保爆破。[〇〇46] 实施例2:
[0047]本实施例的同时测量多台阶水平岩体声速的方法，以一个测试炮孔爆炸作为震源，同时布置多个测振点采集振动信号，合理组合使用两个测振点的振动信号到达时间，即用两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获振动信号的到达时间差获得相关区域岩体的声速，其主要施工步骤如下:[〇〇48]1)测试炮孔准备:若利用正常爆破施工的炮孔，选定爆区的先爆炮孔作为测试炮孔，该测试炮孔内炸药的爆炸作为震源，确保到达各个测振点的振动信号从爆区的先爆炮孔(首先起爆炮孔)的起爆点发出，避免后续起爆炮孔对测试信号的干扰，甚至误判初始震源位置;否则，选择靠近边坡的位置钻一个炮孔，作为测试炮孔，钻孔深度要求超过台阶高度1?2米为宜；
[0049]2)测量炮孔深度:测量测试炮孔的深度，确定起爆点0的埋置深度；当采用正常爆破施工的炮孔作为测试炮孔时，需采用炮孔底部起爆的方式，起爆点〇的埋置深度为该测试炮孔的深度；当选择靠近边坡的位置钻一个炮孔作为测试炮孔时，即采用独立测试炮孔进行测试时，其炮孔底部装药近似点药包，起爆点0的埋置深度为测试炮孔的深度减去1/2装药段深度；
[0050]3)基准测振点布置:在本台阶及下面相邻两个台阶坡面上布设基准测试点，在本台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点A，在下一台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点 B，在下下一台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点C，基准测振点A、B和C均位于经过测试炮孔(该测试炮孔为竖直设置的炮孔)且垂直于台阶坡面的垂直面上，即基准测振点A、B和C 与测试炮孔共面;其中，基准测振点A、B和C布置在台阶坡面中下部的裸露原岩上；
[0051]4)其他测振点布置:在同一台阶水平的各个基准测振点的一侧或两侧布置其他测振点，其他测振点与基准测振点基本在同一高程，且布置在台阶坡面中下部的裸露原岩上， 每个测振点都有一个测振仪器；[0〇52]5)测量起爆点及各个测振点的三维坐标:利用全站仪或GPS测量起爆点0及各个测振点的的三维坐标，起爆点0的三维坐标间接测量获得，即起爆点0的方位坐标与炮孔孔口方位坐标相同，起爆点0的高程坐标为炮孔孔口高程减去起爆点的埋置深度;各个测振点的三维坐标直接测量获得；
[0053]6)装药:按照测试实验方案，进行装药、堵塞和联网，特别注意的是测试孔的起爆点埋置深度要根据测试方案确定，尽量减小误差；
[0054]7)同步信号采集器连接:将各个测振仪器与同步信号采集器连接，并启动同步信号采集器，进入待测状态；
[0055]8)按照爆破安全规程要求，进行爆破警戒，再下达起爆命令，起爆后进行安全检查，确认无安全隐患后方可解除警戒；[〇〇56]9)测试数据收集整理:起爆后，根据起爆点及各个测振点的三维坐标，计算围岩振动信号的传播路径(^、(》、〇(:、〇〇、(^的长度;分别从同步信号采集器中读取测振仪器开始记录数据至振动信号到达基准测振点A、B、C和其他测振点D、E的时间，记为tA、tB、tc、tD和tE; [〇〇57] 10)不同台阶岩石声速计算:根据相关两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号到达的时间差获得相应区域岩体的声速，通过布置在测试炮孔同一台阶水平坡面上的A和D两个测振点获得本台阶岩体的声速，通过布置在测试炮孔下一台阶水平坡面上的B和E两个测振点获得下一台阶岩体的声速，通过同一竖直面上的位于下一台阶和下下台阶坡面上的两个基准测振点B和C获得下下台阶岩体的声速。因此，本台阶岩体的声速C上=(0D-0A)/(tD-tA)，下一台阶岩体的声速C中=(0E-0B)/(tE-tB)，下下台阶岩体的声速 C下=(0C-0B)/(tc_tB);[〇〇58] 11)在边坡工程中，通过测量不同台阶水平的岩体声速，将测量的声速与对应位置岩块试样的声速进行比较，用两者差值与岩块试样声速的比判别岩体的破裂程度，为边坡稳定分析、边坡加固设计、边坡预裂爆破或光面爆破设计提供依据;在露天矿山爆破工程或者沟堑开挖工程中，可以通过测量不同台阶水平的岩体声速，获得施工过程中炸药与岩石的波阻抗匹配情况，从而为优选炸药品种、设计炸药性能、调整装药参数提供依据，实现精细爆破和环保爆破。
[0059]以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征在于:所述方法利用测试炮孔底 部的炸药爆炸作为震源，用设置在不同水平台阶坡面中下部的测振仪器，获取测振仪器对 应测振点的围岩振动信号，根据两个相应测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振 动信号到达测振点的相对时间差，计算出相应区域岩体的声速，从而实现多台阶水平岩体 声速的同时测量。2.根据权利要求1所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征在于:所述 方法包括以下步骤:1)若利用正常爆破施工的炮孔，选定爆区的先爆炮孔作为测试炮孔，否则，选择靠近边 坡的位置钻一个炮孔，作为测试炮孔；2)测量测试炮孔的深度，确定起爆点的埋置深度；3)在本台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点，在下一台阶水平的台阶坡面上布置基 准测振点，在下下一台阶水平的台阶坡面上布置基准测振点……依次类推，各个基准测振 点均位于经过测试炮孔且垂直于台阶坡面的垂直面上，即各个基准测振点与测试炮孔共 面;其中，各个基准测振点布置在台阶坡面中下部的裸露原岩上；4)在同一台阶水平的各个基准测振点的一侧或两侧布置其他测振点，其他测振点与基 准测振点在同一高程，且布置在台阶坡面中下部的裸露原岩上，每个测振点都有一个测振 仪器；5)测量起爆点及各个测振点的三维坐标；6)对测试炮孔进行装药；7)将各个测振仪器与同步信号采集器连接，并启动同步信号采集器，进入待测状态；8)按照爆破安全规程要求，进行爆破警戒，再下达起爆命令；9)起爆后，根据起爆点及各个测振点的三维坐标，计算围岩振动信号的传播路径;分别 从同步信号采集器中读取振动信号到达各个测振点的时间；10)根据相关两个测振点距离初始震源位置的距离差除以所获取振动信号到达的时间 差获得相应区域岩体的声速。3.根据权利要求2所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征在于:所述 方法还包括:11)在边坡工程中，通过测量不同台阶水平的岩体声速，将测量的声速与对应位置岩块 试样的声速进行比较，用两者差值与岩块试样声速的比判别岩体的破裂程度，为边坡稳定 分析、边坡加固设计、边坡预裂爆破或光面爆破设计提供依据。4.根据权利要求2所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征在于:所述 方法还包括:11)在露天矿山爆破工程或者沟堑开挖工程中，通过测量不同台阶水平的岩体声速，获 得施工过程中炸药与岩石的波阻抗匹配情况，从而为优选炸药品种、设计炸药性能、调整装 药参数提供依据。5.根据权利要求2-4任一项所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征 在于:步骤2)中，所述测试炮孔的深度大于或等于一个台阶高度。6.根据权利要求2-4任一项所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征 在于:步骤2)中，所述确定起爆点的埋置深度，具体为:当采用正常爆破施工的炮孔作为测试炮孔时，起爆点的埋置深度为该测试炮孔的深 度；当选择靠近边坡的位置钻一个炮孔作为测试炮孔时，起爆点的埋置深度为测试炮孔的 深度减去1/2装药段深度。7.根据权利要求6所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征在于:步骤 5)中，所述测量起爆点及各个测振点的三维坐标，具体为:起爆点的三维坐标间接测量获得，即起爆点的方位坐标与炮孔孔口方位坐标相同，起 爆点的高程坐标为炮孔孔口高程减去起爆点的埋置深度;各个测振点的三维坐标直接测量 获得。8.根据权利要求7所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其特征在于:步骤 5)中，所述起爆点及各个测振点的三维坐标利用全站仪或GPS测量。9.根据权利要求1-4、7-8任一项所述的一种同时测量多台阶水平岩体声速的方法，其 特征在于:所述测振仪器为振动传感器。
【文档编号】G01N29/07GK105954357SQ201610266128
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】崔晓荣, 郑炳旭, 李战军, 宋锦泉, 王尹军, 吴春平
【申请人】宏大矿业有限公司