一种岩体爆破损伤区范围的定量化测定方法及系统

本发明属于岩土力学，更具体地，涉及一种岩体爆破损伤区范围的定量化测定方法及系统。

背景技术：

1、钻孔爆破是最经济、最有效的岩石开挖方法，广泛应用于各类基础设施建设和矿山开采。典型的爆破孔周围的裂纹模式如图7所示。粉碎区是与炮孔相邻的区域。通常情况下，这一区域与炸药直接接触。这个区域的直径是许多变量的函数，如耦合比、爆炸类型、岩石和岩石性质等，它的确定并不容易。在裂隙区存在高密度裂隙，在大多数情况下，它的边界与粉碎区边界结合在一起。在裂隙区之外，有碎块形成区。该区域存在裂隙，但密度低于裂隙区。通常，碎块形成区裂缝在隧道围岩或坡面的残余岩体中较为明显。这一区域的深度将影响到所需的地面控制，以确保挖掘、高墙和斜坡的稳定性。因此，了解爆破产生的裂缝范围大小，对于工程建设来说十分重要。

2、目前，预测爆破损伤的方法有holmberg-persson法、ash法、johnson法、csm法、niosh修正法和粉末因子法等。大多数方法计算由钻孔中的炸药产生的粒子速度值(ppv)，然后将该值与已知或采用的ppv值(大多数时间基于现场特定的现场测试)进行比较，该ppv值将在岩石或岩体中产生一些损害。当ppv被用作参数时，损伤区被计算为钻孔与ppv值不会对完整的岩石/岩体造成任何破裂或损伤的岩体中的位置之间的距离。使用该方法对爆破损伤区范围进行确定将严重依赖对临界ppv值的确定。常用的临界ppv值计算公式如式(1)所示：

3、

4、其中，ppvmax为岩石在拉力作用下发生破坏的临界峰值粒子速度(mm/s)，σb为单轴抗拉强度(mpa)，vp为p波波速(m/s)，e为杨氏模量(gpa)。其中，单轴抗拉强度具有应变率效应，这意味着在使用式(1)进行临界粒子速度计算时需要将应变率效应考虑在内，才能得到比较准确的结果。而不同岩石的应变率效应是不同的，这就需要根据现场的具体情况选用不同的应变率效应计算公式。另外，爆破过程中应变率是在不断变化的，这意味着爆破过程中岩石的动态抗拉强度也在不断变化。基于以上的原因，使用粒子速度作为爆破损伤区范围的界定参数难以得到准确的爆破损伤区范围，且具有较强的主观性。

5、爆破产生的各种裂纹将会对波在岩石中的传播造成阻碍，从而导致波走时差异。基于该原理，对爆破区域进行波速场反演可得到比较准确的损伤区范围，且与ppv所得爆损伤区相比，波速场反演所得图像更为直观。目前，波速场反演的方法有代数重建技术(algebraic reconstruction technique,art)，同时迭代重建技术(simultaneousiterative reconstruction technique,sirt)，最小二程qr分解(least-square qrdecomposition,lsqr)，快速迭代收缩阈值算法(fast iterative shrinkage-thresholding algorithm,fista)等。

6、由于岩石材料为非均质材料，且存在由爆破导致的损伤区，波在岩石内部并非直线传播，而是沿最短走时路径进行传播，一般而言，波会绕开波速较低的区域，而倾向于在波速较高的区域内进行传播。这意味着在波速场重建过程中进行射线追踪时，波的传播路径是在不断调整的。根据当下的波速场对波的传播路径及传播时间进行计算的方法称为走时正演计算。快速行进法(fast marching method,fmm)及其改进方法，如高精度快速行进法(high accuracy fast marching method,hafmm)，多模板快速行进法(multistencilsfast marching,msfm)等均被用于非均匀波场中的波走时及传播路径计算。

7、综上，本领域亟需提出一种联合使用多模板快速行进法(msfm)以及同时迭代重建技术(sirt)的爆破损伤区波速场反演法，用以定量化确定由于爆破所导致的岩体损伤区范围大小。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种岩体爆破损伤区范围的定量化测定方法及系统，其在爆破前后，使用布设在爆破孔周围一定范围内的声波发收装置测量各发射-接收对之间的声波走时，使用采集所得声波走时进行波速场反演，得到爆破前后的波速场。对比爆破前后的波速场，得到爆破前后波速场的变化场。将其中大于某波速降低幅度的区域作为爆破的损伤区域，即可实现岩体爆破损伤区定量化测定。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种岩体爆破损伤区范围的定量化测定方法，包括以下步骤：

3、s1爆破之前在待检测区域进行声波的发射与接收试验，得到m个发射-接收对之间的声波走时矩阵；

4、s2对步骤s1获取的声波走时数据进行平直射线波速场反演，得到波速场矩阵，并计算得到初始慢度矩阵s1；

5、s3将步骤s2中获取的波速场矩阵作为波速场初始值矩阵，采用msfm方法得到m个发射-接收对之间的射线路径矩阵l1及射线走时矩阵t1；

6、s4判断真实声波走时矩阵与射线走时矩阵t1之间的到时差矩阵δt1是否满足迭代收敛要求，若是，所述波速场矩阵即为波速场，若否，根据该到时差矩阵δt1校正慢度矩阵s1，并根据校正后的慢度矩阵得到新波速场矩阵，将该新波速场矩阵作为波速场初始值矩阵，返回至步骤s3；

7、s5获取爆破后待检测区域内m个发射-接收对之间的声波走时矩阵，并将该声波走时矩阵作为声波走时数据，重复步骤s2至步骤s4，得到爆破后的波速场；

8、s6根据爆破前的波速场与爆破后的波速场求出波速变化场δv，并确定爆破损伤区范围。

9、作为进一步优选的，步骤s1还包括：

10、在待检测区域中心设置用于爆破的爆孔，在爆孔周围一个矩形区域内布设声波发收装置，记录各探头坐标。

11、作为进一步优选的，步骤s2中，所述对步骤s1获取的声波走时数据进行平直射线波速场反演包括：

12、将待检测区域离散为若干个小正方形组成的区域，某个小正方形区域的波速定义为所有经过该小正方形的射线的波速的平均值，其中，某射线的波速定义为该射线传播路径与传播时间的比值，待所有射线经过的区域波速均已赋值，对于射线未经过区域的波速可使用插值法进行取值。

13、作为进一步优选的，步骤s2中，将步骤s1中获取的波速场矩阵作为波速场初始值矩阵，对波速场初始值矩阵中的元素求倒数计算得到初始慢度矩阵s1。

14、作为进一步优选的，步骤s4中具体包括以下步骤：

15、求解真实声波走时矩阵与计算获取的射线走时矩阵t1之间的到时差矩阵δt1：

16、δt1(＝t-t1)

17、判断到时差矩阵δt1是否满足迭代收敛要求，若是，则此时所得的波速场矩阵即为爆破前波速场，若否，根据该到时差矩阵δt1，采用sirt方法校正慢度矩阵s1，得到新慢度矩阵s2，并根据校正后的慢度矩阵s2得到新波速场矩阵v2，将该新波速场矩阵v2作为波速场初始值矩阵，返回至步骤s3。

18、作为进一步优选的，步骤s4中，采用sirt方法校正慢度矩阵的计算公式如下：

19、

20、式中，sj(k)表示第j个小正方形区域的第k次迭代所得慢度值，λ为松弛因子，lij表示第i个声波发射-接收对在第j个小正方形区域内的射线长度，δti(k)为第i个声波发射-接收对在第k次迭代中的到时差。

21、按照本发明的另一个方面，还提供了一种岩体爆破损伤区范围的定量化测定系统，包括：

22、声波发收装置，布设在爆破孔周围一定范围内，用于测量爆破前后各发射-接收对之间的声波走时数据；

23、主控模块装置，与所述声波发收装置通信连接，用于爆破之前在待检测区域进行声波的发射与接收试验，得到发射-接收对之间的得到m个发射-接收对之间的声波走时矩阵t；对声波走时数据进行平直射线波速场反演，得到波速场矩阵，并计算得到初始慢度矩阵s1；将波速场矩阵作为波速场初始值矩阵，采用msfm方法得到m个发射-接收对之间的射线路径矩阵l1及射线走时矩阵t1；判断真实声波走时矩阵t与计算的射线走时矩阵t1之间的到时差矩阵δt1是否满足迭代收敛要求，若是，所述波速场矩阵即为爆破前的波速场，若否，根据该到时差矩阵δt1校正慢度矩阵s1，并根据校正后的慢度矩阵得到新波速场矩阵，将该新波速场矩阵作为波速场初始值矩阵重新计算时差矩阵，直至时差矩阵满足迭代收敛要求；获取爆破后待检测区域内m个发射-接收对之间的声波走时矩阵，并将该声波走时矩阵作为波速场初始值矩阵，迭代计算得到爆破后的波速场；根据爆破前的波速场与爆破后的波速场求出波速变化场δv，并确定爆破损伤区范围。

24、作为进一步优选的，采用sirt方法校正慢度矩阵，计算公式如下：

25、

26、式中，sj(k)表示第j个小正方形区域的第k次迭代所得慢度值，λ为松弛因子，lij表示第i个声波发射-接收对在第j个小正方形区域内的射线长度，δti(k)为第i个声波发射-接收对在第k次迭代中的到时差。

27、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：

28、1.本发明在爆破前后，使用布设在爆破孔周围一定范围内的声波发收装置测量各发射-接收对之间的声波走时，使用采集所得声波走时进行波速场反演，得到爆破前后的波速场。对比爆破前后的波速场，得到爆破前后波速场的变化场。将其中大于某波速降低幅度的区域作为爆破的损伤区域，即可实现岩体爆破损伤区定量化测定。

29、2.本发明联合使用多模板快速行进法(msfm)以及同时迭代重建技术(sirt)的爆破损伤区波速场反演法，用以定量化确定由于爆破所导致的岩体损伤区范围大小。

30、3.本发明使用sirt方法修正慢度矩阵，其目的是根据到时差来修正慢度矩阵，从而达到减小到时差的目的，这一过程将使慢度矩阵逐渐接近真实值，从而得到更加接近真实的波速场。