爆破地震波特性研究3张义平,吴桂义(贵州大学矿业学院,　贵州贵阳　550003)摘　要:结合现场爆破震动信号,从爆破地震波的传播形式、传播方式、波的特征、波的衰减吸收及传播介质的力学模型等方面分析了爆破地震波特性。

结果表明:爆破地震波是一种与自然地震波相似但又相区别的非常复杂的随机过程,它是不同幅值、不同频率与不同相位的各种波型叠加而成的复合波。

爆破地震波在传播过程中会发生多次反射、折射、绕射、衍射、波型转换甚至波导、层间波等复杂现象,传播过程中波的有关参数和时频特征常与爆源条件、传播介质的物理性质、场地特征及地形等因素紧密相关。

地震波在发生几何衰减的同时,还因粘弹性介质的内摩擦和热传导导致能量耗散,使得波能不断衰减。

关键词:爆破地震波;波特性;衰减与吸收中图分类号:T D235.1 文献标识码:A文章编号:1005-2763(2007)06-0068-05Study on Character isti cs of Bl a sti n g-Caused Se is m i c W aveZhang Y iping,W u Guiyi(College ofM ining,Guizhou University,Guiyang,Guizhou550003,China)Abstract:Combined with the data collected fr om the in-site monit oring of blasting vibrati on,the characteristics of blasting-caused seis m ic wave are analyzed comp rehensively fr om its p r op2 agati on for m,p r opagati on mode,p r operties,attenuati on,ab2 s or p ti on and the mechanics model of p r opagati on mediu m s.The results show that blasting-caused seis m ic wave,which is a very comp lex random p r ocess rese mbling t o be diffence fr om seis m ic wave,is a composite wave composed of kinds of waves with dif2 ferent ranges,frequencies and phases.I n the p r opagati on p r ocesses of blasting-caused seis m ic wave,comp lex phenome2 na such as many ti m es of wave reflecti on,refracti on,diffracti on and wave type diversi on even wave-guide and layer wave will happen,and relati onal para meters and ti m e-frequency charac2 teristics of waves are cl osely related t o the conditi ons of exp l osi on s ource,physical p r operties of p r opagati on mediu m,field charac2teristics and terrain.The dissi pati on of wave energy caused by the inner fricti on and heat exchange of viscous-elastic mediu m s accompanied with its geometry attenuati on induces the gradual attenuati on of wave energy.Key W ords:B lasting-caused seis m ic wave,Characteristics of wave,A ttenuati on and abs or p ti on爆破是矿山开采中的一个重要环节。

当炸药在岩体中爆炸时,一部分能量使炸药周围的介质引起扰动,并以波的形式向外传播。

在爆破近区、中区传播的依次是冲击波、应力波,地震波由应力波在传播远区到达界面产生反射和折射叠加而形成[1],它是一种由爆源附近的应力波转换而来在岩土介质中传播的一种能量逐渐衰减的扰动,尽管只占爆炸所释放能量中的一小部分[2],但爆破地震波的特性对研究爆破地震波的传播机理、衰减规律及危害控制都具有重要意义。

为此,人们从不同侧面对爆破地震波特性进行了大量研究[3～10]。

本文结合现场爆破震动监测信号,在查阅大量文献基础上,从爆破地震波的传播形式、传播方式、波的特征、波的衰减吸收及传播介质的力学模型等方面进行分析,探讨爆破地震波的特性。

1　爆破地震波的分类爆破地震波包括在地层内部传播的体波和在地层表面或介质体表面传播的面波。

体波可分为纵波(P波)、横波(S波);面波主要有Rayleigh波(R波)和Love波(L波)。

体波中的纵波指质点的振动方向与波的前进方向一致,使介质产生压缩和膨胀,因此又称为压缩波、疏密波、无旋转波或P(p re m ier)波。

体波中的横波指质点振动方向与波的前进方向垂直,使介质被I SS N1005-2763 CN43-1215/T D 矿业研究与开发第27卷第6期M I N I N G　R&D,Vol.27,No.6 2007年12月Dec.20073收稿日期:2007-04-16基金项目:国家自然科学基金(50764001);贵州省科技攻关项目(黔科合GY字(2007)3015);教育部“春晖计划”资助项目;贵州省优秀青年科技人才资助项目.作者简介:张义平(1970-),男,湖南邵东人,博士,副教授,主要从事岩体力学、矿山开采及安全技术教学与科研工作,Email:c me.ypzhang@。

剪切,故又称为剪切波、等体积波、旋转波或S (sec 2ond )波。

S 波又分为S V 波与SH 波,其中S V 波是在入射平面内且与传播方向垂直振动的S 波,SH 波是在垂直于入射平面的方向上振动射线和平行的S 波。

与S 波相比,P 波具有传播速度快、周期短、振幅小的特点。

面波是体波经地层界面的多次反射形成的次生波,是在地表或结构体表面以及结构层面传播的波,已发现存在R 波和L 波两种形式。

半无限介质表面附近的R 波是P 、S 波由于边界作用产生的,其波速V R 通过Rayleigh 方程可以确定[11]。

R 波传播时,质点在波的传播方向和自由面法线组成的平面内作椭圆运动,而在与该平面垂直的水平方向没有振动,其振动随深度呈指数衰减。

半无限弹性介质中P 波、S 波和R 波的传播速度之比和μ的关系见图1。

可知V R <V S <V P ,其中V R 略小于V S ,当μ→0.5时,V R →V S 。

当μ=0.25时,V P =3V S ,且与频率无关,即R 波不存在频散现象。

图1　半无限介质中P 波,S 波及R 波的传播速度之比和泊松比μ的关系 只有在半无限空间上至少覆盖一低速地表层时,L 波才会出现。

L 波传播时,质点作与波的传播方向垂直的水平横向剪切振动,而无垂直分量运动,其传播速度介于最上层横波速度与最下层横波速度之间。

体波具有周期短、振幅小、衰减快的特点;面波其特点是周期长、振幅大、传播速度慢、衰减慢和携带的能量大。

体积波特别是其中的P 波能使岩石产生压缩和拉伸变形,它是爆破时造成岩石破裂的主要原因,体波在爆破近区起主要作用;表面波特别是其中的R 波,由于它的频率低、衰减慢、携带较多的能量,是造成地震破坏的主要原因,面波在爆破远区起主要作用。

地基土泊松比在1/4～1/2范围之内,其纵波波速V P ≥1.75V S ,R 波波速V R =(0.9194～0.9554)V S 。

所以从振源向外传播时,由于传播速度的差别,在远区体波与面波在时空上相互分开,P 波最先到达接收点,S 波次之,R 波最后到达。

在弹性波的总输入能量中,R 波约占67%,剪切波占26%,压缩波占7%,即总能量的2/3是以R 波的形式向外传播。

因此,在研究波的特性和抗震时,R 波的研究具有重要意义。

2　地震波传播速度由于地震波在传播过程中遇到不同的地质条件,它将影响地震波的传播速度。

波速指波在介质中的传播速度,是波在介质中的能量衰减过程。

质点振动速度指在外力作用下质点相对平衡位置作反复微幅运动时的速度,是质点运动能量的衰减过程。

波速通常是波作用下的质点振动速度的几个数量级。

在爆破地震效应分析中,通常关注质点振动速度而不太重视波的传播速度。

实际传播介质并非理想的弹性介质而是粘弹性介质,波速不但和介质的成分、弹性、密度有关;还和介质的孔隙度、孔隙中所含流体的种类、相态有关。

此外,它还和介质的埋藏深度、地质年代、经受地质构造运动的历史等因素有关[12]。

3　爆破地震波传播的特性3.1　地震波的特征由于爆源的复杂性(炸药、装药结构、爆破参数的多样性),传播介质的物理力学特性和地形地貌的多变性,使得爆破地震波具有随时间作复杂变化的随机不可重复的特性[13]。

不同条件下的现场实测爆破波形和频谱反映出,不同条件下的爆破所产生的震动波形是有明显区别的,不但在震动幅值上变化复杂,而且波的频率和持续时间也与爆源特性、爆心距、爆破规模及介质的不同显出明显的差异性。

爆破能量传播是一个衰减的过程,在各种不同介质中爆破地震波所包含的能量仅占爆炸总能量的3%～20%,其作用时间也较短,具有瞬态冲击振动的特性,其在爆破远区的危害性往往为人们所忽视。

爆破地震波含有各种频率成份,是一种宽频带波。

在传播过程中,由于介质的滤波作用,爆破地震波在离爆源较近时高频成份较丰富,随着波向远处的传播,高频逐渐吸收,而低频能传播到较远的距离。

爆破地震波包含一个或几个主要的频率成份,96　张义平,等:　爆破地震波特性研究不同的频率成份对结构、设备及人员的影响也明显不同。

大部分的爆破地震波频率主要集中在低频段,如果与结构的固有频率接近,就会产生共振现象,从而加大对结构体的破损影响,所以爆破地震波的频率特性不容忽视[14]。

3.2　地震波传播的方式地震波在传播过程中将发生反射、透射与绕射、衍射、波型转换、波导、层间波等复杂现象,使地震波传播方向与途径发生变化。