董斌斌，程新鋒，閆 雷，易文華，劉 偉，楊 硯，劉連生,2

(1. 江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 3410003；3.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

爆破地震波在不同充填介質(zhì)中傳播的衰減效應(yīng)一直是工程爆破領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-7]。眾多學(xué)者圍繞爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面做了大量的研究。Zhao J 等[8]采用非線性模型—雙曲彈性模型分析了節(jié)理數(shù)目不同對(duì)節(jié)理透、反射系數(shù)的影響；俞縉等[9-11]采用雙重非線性法研究了應(yīng)力波入射單個(gè)節(jié)理和多個(gè)節(jié)理的傳播特征；Hao H 等[12]對(duì)應(yīng)力波垂直入射節(jié)理面與平行入射節(jié)理面進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)兩種不同的入射方式對(duì)應(yīng)力波衰減快慢有顯著區(qū)別；Li J C 等[13-14]提出了“虛擬波源(VWS)”的概念，運(yùn)用粘彈性模型與非連續(xù)位移法分析了結(jié)構(gòu)面厚度、入射角等因素對(duì)應(yīng)力波的影響；范留明等[15]提出薄彈性?shī)A層模型，發(fā)現(xiàn)入射角、波阻抗及厚度是影響應(yīng)力波傳播的主要因素，該模型在夾層透射解析方面分析較完善，夾層反射情況分析未作深入討論；錢七虎等[16]對(duì)應(yīng)力波在裂隙中的傳播特性展開了研究，發(fā)現(xiàn)裂隙的完整性、泊松比和入射角對(duì)應(yīng)力波衰減均有影響；孫金山等[17]對(duì)比了爆破地震波在順層和反傾夾層中的傳播差異；余永強(qiáng)等[18]對(duì)爆破地震波在斷裂地層高應(yīng)力作用下的振動(dòng)特性展開了研究；張奇[19]對(duì)應(yīng)力波從垂直方向穿越節(jié)理面展開了研究，結(jié)果表明，充填介質(zhì)的縱波波速與應(yīng)力波衰減顯著相關(guān)，而應(yīng)力波從其他方向穿越節(jié)理面時(shí)未探討；劉希靈等[20]對(duì)彈性波在不同種類的巖石中傳播進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，巖石顆粒之間緊密度越高，彈性波衰減越慢，而彈性波在氣態(tài)、液態(tài)介質(zhì)條件中傳播未作描述；劉婷婷等[21]提出三單元模型對(duì)充填結(jié)構(gòu)面進(jìn)行描述，從已有的理論對(duì)比分析了充填厚度、剛度以及充填介質(zhì)波速與應(yīng)力波傳播的關(guān)系，尚未結(jié)合實(shí)際工程分析。上述研究普遍集中在結(jié)構(gòu)面數(shù)目、入射角、厚度、剛度等方面對(duì)爆破地震波的影響，在理論研究上對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了理想化、簡(jiǎn)單化的假設(shè)，與實(shí)際工程依然有差距。

筆者基于混凝土邊坡相似模型，結(jié)合試驗(yàn)采集的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，探討爆破地震波穿越不同充填介質(zhì)結(jié)構(gòu)面的振動(dòng)傳播規(guī)律，為降低爆破振動(dòng)效應(yīng)提供相關(guān)依據(jù)。

1 爆破振動(dòng)試驗(yàn)

爆破振動(dòng)試驗(yàn)在混凝土邊坡相似模型中進(jìn)行，對(duì)比永平銅礦露天邊坡巖體力學(xué)參數(shù)[22]，確定以水、425#硅酸鹽水泥和篩選后的細(xì)沙按0.44∶1∶1.5的調(diào)配比例進(jìn)行澆筑[23]，混凝土邊坡相似模型力學(xué)參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)的模型長(zhǎng)2 700 mm，寬2 700 mm，高1 100 mm，一共有7層，包含6個(gè)臺(tái)階面，分別設(shè)置為0～6號(hào)測(cè)點(diǎn)，其中以0號(hào)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)面，定義0號(hào)測(cè)點(diǎn)高程為0 mm，每個(gè)臺(tái)階的高度是120 mm，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均設(shè)有預(yù)制螺桿，用于安裝拾振器，邊坡臺(tái)階坡面角均為67°，最終邊坡角42°。模型的中心采用直徑為8 mm的鋼筋預(yù)制了25個(gè)炮孔，孔距、排距125 mm，孔深135 mm。模型分成8個(gè)區(qū)域，其中一個(gè)沒有預(yù)制結(jié)構(gòu)面定義為均質(zhì)區(qū)域，其余7個(gè)區(qū)域的3號(hào)臺(tái)階分別預(yù)制傾角為15°、25°、35°、45°、55°、65°和75°的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)180 mm、寬450 mm、厚5 mm，模型澆筑成型后用泥、細(xì)沙、水和空氣對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行充填，充填介質(zhì)物理參數(shù)如表2所示，混凝土邊坡相似模型的尺寸大小和測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

表1 混凝土邊坡相似模型力學(xué)參數(shù)

表2 不同充填介質(zhì)物理參數(shù)

注：0～6為測(cè)點(diǎn)編號(hào)
圖1 模型尺寸及測(cè)點(diǎn)布置
Fig.1 Model size and points layout

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同充填介質(zhì)的振動(dòng)速度分析

爆破振動(dòng)試驗(yàn)中以起爆電子雷管的方式模擬炸藥爆炸的過(guò)程，通過(guò)BlastmateⅢ型爆破測(cè)振儀采集爆破振動(dòng)信號(hào)，該儀器的拾振器能夠采集切向、垂向和徑向的不同振動(dòng)信號(hào)，不同振動(dòng)方向的區(qū)分如圖2所示。爆破振動(dòng)測(cè)振儀配有相應(yīng)的Blastware數(shù)據(jù)導(dǎo)出軟件，在爆破測(cè)振完成后將數(shù)據(jù)線一端連接爆破振動(dòng)測(cè)振儀，另一端連接電腦，操控Blastware軟件即可將儀器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，作為后期爆破振動(dòng)信號(hào)處理分析的原始數(shù)據(jù)。試驗(yàn)按照充填介質(zhì)的不同，分為4組試驗(yàn)。在每組工況下，分別將介質(zhì)充填到不同傾角的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行試驗(yàn)，故每組工況共做8次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)時(shí)以模型的中心炮孔作為第1個(gè)炮孔，依次布置其他相鄰2個(gè)炮孔(3個(gè)炮孔的連線指向爆破結(jié)構(gòu)面)，3個(gè)炮孔同時(shí)起爆。每做完一組試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)面內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行清理，然后重新充填另一種介質(zhì)進(jìn)行下一組試驗(yàn)，由于試驗(yàn)時(shí)使用電子雷管，藥量小，各個(gè)炮孔可以循環(huán)使用。3號(hào)臺(tái)階是縱向空的不同傾角的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面內(nèi)依次充填泥、細(xì)沙、水和空氣，為了探究爆破地震波穿越不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)面的振動(dòng)傳播規(guī)律，對(duì)4號(hào)測(cè)點(diǎn)切向、垂向和徑向的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，原始信號(hào)經(jīng)過(guò)EEMD消噪后[24]的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程如圖3所示，不同充填介質(zhì)的峰值振動(dòng)速度如圖4所示。

圖2 不同振動(dòng)方向
Fig.2 Different vibration directions

圖3 質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度時(shí)程
Fig.3 Time history of particle vibration velocity

圖4 不同充填介質(zhì)的峰值振動(dòng)速度
Fig.4 Peak vibration velocity of different filling media

結(jié)合圖3和圖4的峰值振動(dòng)速度來(lái)看，無(wú)結(jié)構(gòu)面的均質(zhì)區(qū)域的峰值振動(dòng)速度最大，其他不同充填介質(zhì)的峰值振動(dòng)速度要小于均質(zhì)區(qū)域的峰值振動(dòng)速度，由此可知爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面后振動(dòng)速度下降；對(duì)比不同充填介質(zhì)的峰值振動(dòng)速度，發(fā)現(xiàn)充填介質(zhì)為水時(shí)峰值振動(dòng)速度最大，泥、細(xì)沙次之，空氣最小。一方面結(jié)構(gòu)面內(nèi)不同充填介質(zhì)的波阻抗存在差異，均質(zhì)區(qū)域是無(wú)結(jié)構(gòu)面的均質(zhì)臺(tái)階面，其波阻抗等于整個(gè)混凝土邊坡相似模型的波阻抗。由表2可知，均質(zhì)區(qū)域的波阻抗最大，泥的波阻抗大于水的波阻抗，水的波阻抗大于細(xì)沙的波阻抗，空氣的波阻抗最小。當(dāng)爆破地震波穿越同一個(gè)結(jié)構(gòu)面時(shí)，結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)的波阻抗越小，爆破地震波衰減越快，因此充填介質(zhì)為泥的峰值振動(dòng)速度大于充填介質(zhì)為細(xì)沙的峰值振動(dòng)速度，充填介質(zhì)為細(xì)沙的峰值振動(dòng)速度大于充填介質(zhì)為空氣的峰值振動(dòng)速度；另一方面爆破地震波在氣體、液體、固體介質(zhì)中傳播時(shí)也有所區(qū)別，當(dāng)充填介質(zhì)為空氣時(shí)，結(jié)構(gòu)面連續(xù)性最差，造成爆破地震波被阻隔無(wú)法穿越結(jié)構(gòu)面，透射能量大幅度減小，因而峰值振動(dòng)速度衰減最快。當(dāng)充填介質(zhì)為固體時(shí)，從微觀結(jié)構(gòu)分析，爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時(shí)，本質(zhì)上是巖體內(nèi)部一個(gè)個(gè)能量微單元由近到遠(yuǎn)振動(dòng)傳遞的過(guò)程。固體微顆粒之間在自然狀態(tài)下存在細(xì)微的空隙，當(dāng)爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時(shí)，部分能量壓縮固體顆粒之間的空隙，持續(xù)壓縮空隙做功的過(guò)程消耗爆破地震波能量，其振動(dòng)強(qiáng)度也相應(yīng)減小。水由微壓縮的流體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成，流體質(zhì)點(diǎn)之間緊密相連，在空間上連續(xù)均勻分布，其空隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固體顆粒之間的空隙[25]，當(dāng)爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時(shí)，能量微單元能在水介質(zhì)中穩(wěn)定傳遞，爆破地震波的透射性能大幅度提升，因此在不同充填介質(zhì)的情況下，水的峰值振動(dòng)速度最大。

2.2 不同傾角的振動(dòng)速度分析

為了進(jìn)一步探究爆破地震波穿越不同傾角結(jié)構(gòu)面的峰值振動(dòng)速度衰減趨勢(shì)，在相同充填介質(zhì)條件下，隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，各傳播方向上的峰值振動(dòng)速度均減小(見圖5)。爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時(shí)會(huì)發(fā)生透射與反射現(xiàn)象，甚至有繞射現(xiàn)象，爆破地震波的透射能量隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大而減小[26]，因此峰值振動(dòng)速度也相應(yīng)減小。隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，充填介質(zhì)不同，不同傳播方向上的峰值振動(dòng)速度衰減程度也不同，表明爆破地震波速度衰減趨勢(shì)是在巖體波阻特性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)特征以及爆破地震波的透、反射現(xiàn)象等眾多復(fù)雜因素影響下的綜合體現(xiàn)。

圖5 不同傾角結(jié)構(gòu)面的峰值振動(dòng)速度擬合
Fig.5 Fitting of peak vibration velocity of different inclination structure surfaces

2.3 振動(dòng)信號(hào)能量與頻帶分析

HHT(Hilbert-Huang Transform)是一種目前廣泛運(yùn)用于爆破振動(dòng)信號(hào)處理的技術(shù)，與小波和傅里葉傳統(tǒng)的分析技術(shù)相比，在處理信號(hào)的局部性和非平穩(wěn)性等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，主要由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)與Hilbert變換構(gòu)成，Hilbert譜表達(dá)式為[27]

(1)

式中：Re表示取實(shí)部；αi，wi均為常數(shù)。

邊際能量譜則是Hilbert譜進(jìn)一步對(duì)時(shí)間(t)積分：

(2)

則頻率i的能量占總能量的百分比為

(3)

邊際能量譜能夠反映爆破振動(dòng)過(guò)程中能量與頻率之間的分布特性，為了研究爆破地震波穿越不同充填介質(zhì)結(jié)構(gòu)面的能量和頻率之間的規(guī)律，對(duì)4號(hào)測(cè)點(diǎn)均質(zhì)區(qū)域和結(jié)構(gòu)面區(qū)域的邊際能量譜進(jìn)行了分析，相應(yīng)的邊際能量譜如圖6所示。

圖6 不同充填介質(zhì)的邊際能量譜
Fig.6 Marginal energy spectrum for different filling media

結(jié)合圖6分析，均質(zhì)區(qū)域切向，垂向和徑向上的峰值能量分別為30.76、26.88、33.65 J。當(dāng)充填介質(zhì)為水時(shí)，峰值能量分別為21.41、21.26、31.04 J；當(dāng)充填介質(zhì)為泥時(shí)，峰值能量分別為22.27、18.54、26.85 J；當(dāng)充填介質(zhì)為細(xì)沙時(shí)，峰值能量分別為12.58、15.36、21.75 J；當(dāng)充填介質(zhì)為空氣時(shí)，峰值能量分別為6.67、12.23、6.75 J。由此可知，與有充填介質(zhì)的結(jié)構(gòu)面相比，均質(zhì)區(qū)域的峰值能量明顯更大，表明當(dāng)爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面后能量衰減，峰值能量相應(yīng)減小；由于結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)波阻抗不同，峰值能量衰減快慢也不同，可以發(fā)現(xiàn)充填介質(zhì)的波阻抗差異是影響爆破地震波能量衰減的重要因素，結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)的波阻抗減小，峰值能量也相應(yīng)減?。恢档米⒁獾氖?，水的波阻抗小于泥的波阻抗，充填介質(zhì)為水的峰值能量卻高于充填介質(zhì)為泥的峰值能量，由此可見爆破地震波在水介質(zhì)中傳播時(shí)，不僅水的波阻抗會(huì)影響地震波的衰減，而且水的連續(xù)性也會(huì)影響地震波的衰減，水能連續(xù)充滿其所占據(jù)的結(jié)構(gòu)面空間，使結(jié)構(gòu)面連續(xù)性比泥、細(xì)沙充填的結(jié)構(gòu)面都要密實(shí)，同時(shí)水的壓縮性小，質(zhì)點(diǎn)間緊密相連，分布均勻，爆破地震波在其傳遞過(guò)程中能量消耗相對(duì)也就越小。

進(jìn)一步對(duì)比了不同充填介質(zhì)在不同頻帶間的能量百分比(見圖7)，可以發(fā)現(xiàn)爆破地震波能量集中在0～200 Hz，在此頻率范圍內(nèi)分為若干個(gè)頻帶，主頻帶則是在各頻帶中能量占比最大的頻帶。在均質(zhì)區(qū)域的能量分布廣泛，在各頻帶間均有分布，切向、垂向和徑向上的主頻帶均集中在60～80 Hz，能量百分比分別為23.67%、22.22%和19.8%。由于結(jié)構(gòu)面的影響，不同充填介質(zhì)的能量在低頻帶更集中，主頻帶多集中在0～20 Hz，主頻帶有往低頻集中的趨勢(shì)，由此可見，結(jié)構(gòu)面存在“低通”特性[22,28-31]，即結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破地震波具有高頻濾波作用，低頻波能夠更容易透射結(jié)構(gòu)面。當(dāng)充填介質(zhì)為泥時(shí)，在0～100 Hz的能量百分比在93.34%～97.22%，充填介質(zhì)為細(xì)沙時(shí)，在0～100 Hz的能量百分比在96.25%～99.62%，可知充填介質(zhì)為細(xì)沙時(shí)，能量在0～100 Hz的頻帶分布更多，當(dāng)充填介質(zhì)為空氣時(shí)，能量多分布在0～60 Hz，百分比在88.6%～97.68%之間，由此可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)的波阻抗越小，高頻波衰減越快。當(dāng)充填介質(zhì)為水時(shí)，分布在0～160 Hz的能量占總能量的比例為96.68%～99.73%，其中主頻帶在各傳播方向上分布不一，切向主頻帶為60～80 Hz，能量百分比為43.24%，垂向主頻帶為0～20 Hz，能量百分比為37.61%，徑向主頻帶則分布在40～60 Hz之間，能量占比為43.71%。由此可知，當(dāng)充填介質(zhì)為水時(shí)，能量主要分布在0～160 Hz，與其他充填介質(zhì)比較而言，頻帶分布更廣；水在結(jié)構(gòu)面內(nèi)是無(wú)固定形狀的液態(tài)，當(dāng)爆破地震波傳遞至結(jié)構(gòu)面時(shí)，液體中的粒子因振動(dòng)傳播無(wú)法保持原來(lái)的位置而產(chǎn)生移動(dòng)，但粒子間存在相互作用力，使彼此不分散遠(yuǎn)離，形成了連續(xù)流動(dòng)的狀態(tài)，連續(xù)流動(dòng)的液體在各傳播方向上過(guò)濾高頻波的特性不一致，因而爆破地震波的主頻帶在各傳播方向上分布不一。

圖7 不同充填介質(zhì)的各頻帶能量百分比
Fig.7 Percentage of energy per band of different filling media

3 結(jié)論

1)通過(guò)分析對(duì)比均質(zhì)區(qū)域(無(wú)結(jié)構(gòu)面)與結(jié)構(gòu)面充填水、泥、細(xì)沙和空氣的不同介質(zhì)，得到各傳播方向上的峰值振動(dòng)速度由大到小排序依次為均質(zhì)、水、泥、細(xì)沙、空氣。這是由于爆破地震波在氣體、液體，固體介質(zhì)中的傳播特性不同和結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)波阻抗不同的響應(yīng)結(jié)果。

2)在相同充填介質(zhì)條件下，隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，各傳播方向上的峰值振動(dòng)速度均減??；充填介質(zhì)不同，不同傳播方向上的峰值振動(dòng)速度衰減程度也不同，表明爆破地震波速度衰減趨勢(shì)是在巖體波阻特性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)特征以及爆破地震波的透、反射現(xiàn)象等眾多復(fù)雜因素影響下的綜合體現(xiàn)。

3)爆破地震波在穿越不同充填介質(zhì)結(jié)構(gòu)面后，充填介質(zhì)的波阻抗越小，峰值能量越小，高頻濾波作用越強(qiáng)，表現(xiàn)出爆破地震波在頻帶間能量分布變窄，主頻帶有往低頻帶(0～20 Hz)集中的趨勢(shì)；值得注意的是，當(dāng)水作為充填介質(zhì)時(shí)，不僅水的波阻抗會(huì)影響地震波的衰減，而且水的微壓縮連續(xù)性也會(huì)影響地震波的衰減，與其他充填介質(zhì)比較，水的連續(xù)性使峰值能量和峰值振動(dòng)速度衰減更慢，能量在頻帶間分布更廣，水的流動(dòng)性則會(huì)造成爆破地震波的主頻帶在各傳播方向上分布不一。