爆破地震波穿越不同介質結構面的衰減效應

董斌斌，程新鋒，閆 雷，易文華，劉 偉，楊 硯，劉連生,2

(1. 江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 3410003；3.江西應用技術職業學院，江西 贛州 341000)

爆破地震波在不同充填介質中傳播的衰減效應一直是工程爆破領域研究的熱點問題[1-7]。眾多學者圍繞爆破地震波穿越結構面做了大量的研究。Zhao J 等[8]采用非線性模型—雙曲彈性模型分析了節理數目不同對節理透、反射系數的影響；俞縉等[9-11]采用雙重非線性法研究了應力波入射單個節理和多個節理的傳播特征；Hao H 等[12]對應力波垂直入射節理面與平行入射節理面進行了探討，發現兩種不同的入射方式對應力波衰減快慢有顯著區別；Li J C 等[13-14]提出了“虛擬波源(VWS)”的概念，運用粘彈性模型與非連續位移法分析了結構面厚度、入射角等因素對應力波的影響；范留明等[15]提出薄彈性夾層模型，發現入射角、波阻抗及厚度是影響應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]對應力波在裂隙中的傳播特性展開了研究，發現裂隙的完整性、泊松比和入射角對應力波衰減均有影響；孫金山等[17]對比了爆破地震波在順層和反傾夾層中的傳播差異；余永強等[18]對爆破地震波在斷裂地層高應力作用下的振動特性展開了研究；張奇[19]對應力波從垂直方向穿越節理面展開了研究，結果表明，充填介質的縱波波速與應力波衰減顯著相關，而應力波從其他方向穿越節理面時未探討；劉希靈等[20]對彈性波在不同種類的巖石中傳播進行了探討，結果表明，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、液態介質條件中傳播未作描述；劉婷婷等[21]提出三單元模型對充填結構面進行描述，從已有的理論對比分析了充填厚度、剛度以及充填介質波速與應力波傳播的關系，尚未結合實際工程分析。上述研究普遍集中在結構面數目、入射角、厚度、剛度等方面對爆破地震波的影響，在理論研究上對結構面進行了理想化、簡單化的假設，與實際工程依然有差距。

筆者基于混凝土邊坡相似模型，結合試驗采集的爆破振動數據，探討爆破地震波穿越不同充填介質結構面的振動傳播規律，為降低爆破振動效應提供相關依據。

1 爆破振動試驗

爆破振動試驗在混凝土邊坡相似模型中進行，對比永平銅礦露天邊坡巖體力學參數[22]，確定以水、425#硅酸鹽水泥和篩選后的細沙按0.44∶1∶1.5的調配比例進行澆筑[23]，混凝土邊坡相似模型力學參數如表1所示。設計的模型長2 700 mm，寬2 700 mm，高1 100 mm，一共有7層，包含6個臺階面，分別設置為0～6號測點，其中以0號測點為基準面，定義0號測點高程為0 mm，每個臺階的高度是120 mm，每個測點均設有預制螺桿，用于安裝拾振器，邊坡臺階坡面角均為67°，最終邊坡角42°。模型的中心采用直徑為8 mm的鋼筋預制了25個炮孔，孔距、排距125 mm，孔深135 mm。模型分成8個區域，其中一個沒有預制結構面定義為均質區域，其余7個區域的3號臺階分別預制傾角為15°、25°、35°、45°、55°、65°和75°的結構面，結構面長180 mm、寬450 mm、厚5 mm，模型澆筑成型后用泥、細沙、水和空氣對結構面進行充填，充填介質物理參數如表2所示，混凝土邊坡相似模型的尺寸大小和測點分布如圖1所示。

表1 混凝土邊坡相似模型力學參數

表2 不同充填介質物理參數

注：0～6為測點編號
圖1 模型尺寸及測點布置
Fig.1 Model size and points layout

2 試驗結果及分析

2.1 不同充填介質的振動速度分析

爆破振動試驗中以起爆電子雷管的方式模擬炸藥爆炸的過程，通過BlastmateⅢ型爆破測振儀采集爆破振動信號，該儀器的拾振器能夠采集切向、垂向和徑向的不同振動信號，不同振動方向的區分如圖2所示。爆破振動測振儀配有相應的Blastware數據導出軟件，在爆破測振完成后將數據線一端連接爆破振動測振儀，另一端連接電腦，操控Blastware軟件即可將儀器監測的數據導入電腦，作為后期爆破振動信號處理分析的原始數據。試驗按照充填介質的不同，分為4組試驗。在每組工況下，分別將介質充填到不同傾角的結構面進行試驗，故每組工況共做8次試驗。每次試驗時以模型的中心炮孔作為第1個炮孔，依次布置其他相鄰2個炮孔(3個炮孔的連線指向爆破結構面)，3個炮孔同時起爆。每做完一組試驗對結構面內的介質進行清理，然后重新充填另一種介質進行下一組試驗，由于試驗時使用電子雷管，藥量小，各個炮孔可以循環使用。3號臺階是縱向空的不同傾角的結構面，結構面內依次充填泥、細沙、水和空氣，為了探究爆破地震波穿越不同介質結構面的振動傳播規律，對4號測點切向、垂向和徑向的爆破振動信號進行采集，原始信號經過EEMD消噪后[24]的質點振動速度時程如圖3所示，不同充填介質的峰值振動速度如圖4所示。

圖2 不同振動方向
Fig.2 Different vibration directions

圖3 質點峰值振動速度時程
Fig.3 Time history of particle vibration velocity

圖4 不同充填介質的峰值振動速度
Fig.4 Peak vibration velocity of different filling media

結合圖3和圖4的峰值振動速度來看，無結構面的均質區域的峰值振動速度最大，其他不同充填介質的峰值振動速度要小于均質區域的峰值振動速度，由此可知爆破地震波穿越結構面后振動速度下降；對比不同充填介質的峰值振動速度，發現充填介質為水時峰值振動速度最大，泥、細沙次之，空氣最小。一方面結構面內不同充填介質的波阻抗存在差異，均質區域是無結構面的均質臺階面，其波阻抗等于整個混凝土邊坡相似模型的波阻抗。由表2可知，均質區域的波阻抗最大，泥的波阻抗大于水的波阻抗，水的波阻抗大于細沙的波阻抗，空氣的波阻抗最小。當爆破地震波穿越同一個結構面時，結構面內充填介質的波阻抗越小，爆破地震波衰減越快，因此充填介質為泥的峰值振動速度大于充填介質為細沙的峰值振動速度，充填介質為細沙的峰值振動速度大于充填介質為空氣的峰值振動速度；另一方面爆破地震波在氣體、液體、固體介質中傳播時也有所區別，當充填介質為空氣時，結構面連續性最差，造成爆破地震波被阻隔無法穿越結構面，透射能量大幅度減小，因而峰值振動速度衰減最快。當充填介質為固體時，從微觀結構分析，爆破地震波穿越結構面時，本質上是巖體內部一個個能量微單元由近到遠振動傳遞的過程。固體微顆粒之間在自然狀態下存在細微的空隙，當爆破地震波穿越結構面時，部分能量壓縮固體顆粒之間的空隙，持續壓縮空隙做功的過程消耗爆破地震波能量，其振動強度也相應減小。水由微壓縮的流體質點構成，流體質點之間緊密相連，在空間上連續均勻分布，其空隙遠遠小于固體顆粒之間的空隙[25]，當爆破地震波穿越結構面時，能量微單元能在水介質中穩定傳遞，爆破地震波的透射性能大幅度提升，因此在不同充填介質的情況下，水的峰值振動速度最大。

2.2 不同傾角的振動速度分析

為了進一步探究爆破地震波穿越不同傾角結構面的峰值振動速度衰減趨勢，在相同充填介質條件下，隨著結構面傾角增大，各傳播方向上的峰值振動速度均減小(見圖5)。爆破地震波穿越結構面時會發生透射與反射現象，甚至有繞射現象，爆破地震波的透射能量隨著結構面傾角增大而減小[26]，因此峰值振動速度也相應減小。隨著結構面傾角增大，充填介質不同，不同傳播方向上的峰值振動速度衰減程度也不同，表明爆破地震波速度衰減趨勢是在巖體波阻特性、結構面內充填介質特征以及爆破地震波的透、反射現象等眾多復雜因素影響下的綜合體現。

圖5 不同傾角結構面的峰值振動速度擬合
Fig.5 Fitting of peak vibration velocity of different inclination structure surfaces

2.3 振動信號能量與頻帶分析

HHT(Hilbert-Huang Transform)是一種目前廣泛運用于爆破振動信號處理的技術，與小波和傅里葉傳統的分析技術相比，在處理信號的局部性和非平穩性等方面具有更大的優勢，主要由經驗模態分解(empirical mode decomposition，EMD)與Hilbert變換構成，Hilbert譜表達式為[27]

(1)

式中：Re表示取實部；αi，wi均為常數。

邊際能量譜則是Hilbert譜進一步對時間(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過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結構面的能量和頻率之間的規律，對4號測點均質區域和結構面區域的邊際能量譜進行了分析，相應的邊際能量譜如圖6所示。

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

結合圖6分析，均質區域切向，垂向和徑向上的峰值能量分別為30.76、26.88、33.65 J。當充填介質為水時，峰值能量分別為21.41、21.26、31.04 J；當充填介質為泥時，峰值能量分別為22.27、18.54、26.85 J；當充填介質為細沙時，峰值能量分別為12.58、15.36、21.75 J；當充填介質為空氣時，峰值能量分別為6.67、12.23、6.75 J。由此可知，與有充填介質的結構面相比，均質區域的峰值能量明顯更大，表明當爆破地震波穿越結構面后能量衰減，峰值能量相應減小；由于結構面內充填介質波阻抗不同，峰值能量衰減快慢也不同，可以發現充填介質的波阻抗差異是影響爆破地震波能量衰減的重要因素，結構面內充填介質的波阻抗減小，峰值能量也相應減小；值得注意的是，水的波阻抗小于泥的波阻抗，充填介質為水的峰值能量卻高于充填介質為泥的峰值能量，由此可見爆破地震波在水介質中傳播時，不僅水的波阻抗會影響地震波的衰減，而且水的連續性也會影響地震波的衰減，水能連續充滿其所占據的結構面空間，使結構面連續性比泥、細沙充填的結構面都要密實，同時水的壓縮性小，質點間緊密相連，分布均勻，爆破地震波在其傳遞過程中能量消耗相對也就越小。

進一步對比了不同充填介質在不同頻帶間的能量百分比(見圖7)，可以發現爆破地震波能量集中在0～200 Hz，在此頻率范圍內分為若干個頻帶，主頻帶則是在各頻帶中能量占比最大的頻帶。在均質區域的能量分布廣泛，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%。由于結構面的影響，不同充填介質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，由此可見，結構面存在“低通”特性[22,28-31]，即結構面對爆破地震波具有高頻濾波作用，低頻波能夠更容易透射結構面。當充填介質為泥時，在0～100 Hz的能量百分比在93.34%～97.22%，充填介質為細沙時，在0～100 Hz的能量百分比在96.25%～99.62%，可知充填介質為細沙時，能量在0～100 Hz的頻帶分布更多，當充填介質為空氣時，能量多分布在0～60 Hz，百分比在88.6%～97.68%之間，由此可以發現，結構面內充填介質的波阻抗越小，高頻波衰減越快。當充填介質為水時，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，當充填介質為水時，能量主要分布在0～160 Hz，與其他充填介質比較而言，頻帶分布更廣；水在結構面內是無固定形狀的液態，當爆破地震波傳遞至結構面時，液體中的粒子因振動傳播無法保持原來的位置而產生移動，但粒子間存在相互作用力，使彼此不分散遠離，形成了連續流動的狀態，連續流動的液體在各傳播方向上過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 不同充填介質的各頻帶能量百分比
Fig.7 Percentage of energy per band of different filling media

3 結論

1)通過分析對比均質區域(無結構面)與結構面充填水、泥、細沙和空氣的不同介質，得到各傳播方向上的峰值振動速度由大到小排序依次為均質、水、泥、細沙、空氣。這是由于爆破地震波在氣體、液體，固體介質中的傳播特性不同和結構面內充填介質波阻抗不同的響應結果。

2)在相同充填介質條件下，隨著結構面傾角增大，各傳播方向上的峰值振動速度均減小；充填介質不同，不同傳播方向上的峰值振動速度衰減程度也不同，表明爆破地震波速度衰減趨勢是在巖體波阻特性、結構面內充填介質特征以及爆破地震波的透、反射現象等眾多復雜因素影響下的綜合體現。

3)爆破地震波在穿越不同充填介質結構面后，充填介質的波阻抗越小，峰值能量越小，高頻濾波作用越強，表現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；值得注意的是，當水作為充填介質時，不僅水的波阻抗會影響地震波的衰減，而且水的微壓縮連續性也會影響地震波的衰減，與其他充填介質比較，水的連續性使峰值能量和峰值振動速度衰減更慢，能量在頻帶間分布更廣，水的流動性則會造成爆破地震波的主頻帶在各傳播方向上分布不一。