CN100395509C - 电算精确延时干扰减震***方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电算精确延时干扰减震***方法，它是以相邻双炮孔为组、组内短延时的主频半周起爆，孔间干扰减震；相邻组间长延时起爆时间，以避开强随机振波，并按炮孔地质和波传播路径分区，以实测的***合成波和组成波为基本数据，用计算机分析法提取各区内的单孔平均等子波、提取各区的单孔异子波，从而电算下次***的精确延时，由此***—测震—子波提取—电算延时，不断循环实施。本发明达到了将群孔***减至单孔***振动水平以下的目标，实现了在***作业中电算精确延时干扰减震，解决了在目前技术条件下的现场应用问题。

Description

电算精确延时干扰减震***方法

技术领域

本发明涉及一种***方法，特别是涉及一种能将群孔***减震至单孔***振动以下的电算精确延时干扰减震***方法。

背景技术

现有的延时干扰减震***技术中，有中国专利ZL97199355.6提及的富氏反变换法，在土岩台阶***的中、高频地震波中，为了干扰减震提取短延时单孔子波，要求精确确定孔间延时，当***实际起爆时差超过名义值1ms后，计算误差将完全覆盖真值，而无法求得子波真解。另外上述专利提及的反迭积法，在土岩台阶***时，由于地震波主频较高，在短延时起爆时虽然对实际起爆误差要求宽松点，但当起爆***实际起爆时差误差超过1ms后，除主震相首波外，以后时程波动也已发散。由此可见，计算机当从干扰减震的合成波中提取单孔子波时，其算法的准确，是依赖土岩地质决定的波频、相关性、起爆网路和器材、测试***的时程精度以及延时的长短等，离开了这些既或是有关专利的逐次分解推算法和上述算法提取子波的计算都可能会失败。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种能将群孔***减震至单孔***振动以下的电算精确延时干扰减震***方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明的一种电算精确延时干扰减震***方法，它是以相邻双炮孔为组、组内短延时的主频半周起爆，孔间干扰减震；相邻组间长延时起爆时间，以避开强随机振波，并按炮孔地质和波传播路径分区，以实测的***合成波和组成波为基本数据，用计算机分析法提取各区内的单孔平均等子波、提取各区的单孔异子波，从而电算下次***的精确延时，由此***——测震——子波提取——电算延时，不断循环实施；所述的计算机分析法是采用“迭后减前”数值分解提取单孔子波，即由单孔波与超前单孔波合成的实测波区间中，减去相邻前区间的超前单孔波，以作为该区间的单孔等子波，由此迭减，直至将合成波分区间从前向后减完一遍，若将每迭减的单孔子波按子波比例系数缩小，即为单孔异子波。

所述的孔间干扰减震，是指将各炮孔产生的子波相位时移，使峰谷叠加，相互干扰抵消。

上述的计算机分析法是采用“迭后减前”数值分解提取单孔子波的数学表达式为：实测合成波F(t)在[0，t₀]区间，是单炮孔真实子波f(t)的[0，t₀]区间波，而当延迟起爆炮孔j＝2时，第j个延迟起爆炮孔起爆时差为Δt_j＝t₀，迭减区间为[t_i，t_i+1]，迭减区间号i＝1，2，...n，f_j，i为第j个延迟起爆炮孔在i区间的子波，f_1，i为首先起爆炮孔在i区间的子波。

$f_{1,i}\left(t\right)=F\left(t\right)-\underset{j=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{j,i}(t-\mathrm{\Δ}{t}_j)$

f_j，i(t)＝f_1，i-1(t)·k_t

其中当i＝1时，t_i＝0；t_i+1＝t₀；迭后减前总次数n为T/Δt_j的整数部分，T为

观测总时间，s；L是炮孔数；k_t为子波间比例系数，k_t＝f_j，i(t)/f_1，i-1(t)，等子

波提取时为k_t＝1，等子波f(t)＝f_1，i-1(t)＝f_j，i(t)；异子波提取k_t为0.7≤k_t＜1。

所述的电算，是在起爆的时差误差范围内，经计算机多次计算，取其计算波形与实测合成波之差的平方和之最小者为真实起爆时差，及对应单孔子波。

所述的起爆是采用高精度导爆管***为主的起爆网路或采用电子***起爆网路或微差***起爆网路。

本发明的电算精确延时干扰减震***方法，它具体包括以下步骤：

(1)单孔子波预测；

(2)波叠加电算出组内孔间延时和组间延时；

(3)延时***并监测震波；

(4)从监测波中提取单孔子波；

(5)实施“电算延时——延时***——震动监测”循环程序。

所述的步骤1，是运用萨式公式来计算***时的安全药量，并以小于和等于该安全药量的药量进行至少两次试爆，并实测各次试爆的振波峰值，由此拟合出主频与药量的关系和振幅与给药量的关系，增大单孔药量并调整相应的主频和峰值振速，以减震***计算药量并预测单孔子波波形。

所述的步骤2，是以时差叠加合成波，并取绝对值的峰值，再以不同时差，取绝对值的峰值的最小值，作为减震效果，同时计算对应起爆延时的时差，该时差为组内孔间延时；然后选择最前的最优起爆时差为起爆延时时差，并叠加出一组预测的双孔合成波；然后再以上述程序，计算两组合成波叠加成组合波，算出其组合波峰值与组间起爆时差的关系，并适当延长组间起爆时差，选择随机振波较弱可靠性好的组间起爆时差，叠加成组合波，以此类推叠加成合成波，形成新的组合，由此选取组间延时。

所述的步骤3，是以电算的组内孔间延时和组间延时，在土岩台阶工作面联结成起爆网路，实施***，并在指定减震地点监测震波。

所述的步骤4，是从***监测的实测波中读取分段合成波或分段组合波，选取包含名义起爆时差的区间，以各可能起爆时差实行数值迭后减前，并求出相应子波数值，由此再叠加成相应合成波或组合波，并在人机对话中判断子波数值解是否真解，若不理想则再输入确认的起爆时差，再看波形图，若波形还不理想，则截短前段子波波形审查，反复上述操作，直到选出满意真解后，输出需要时段的单孔子波真解，将各组分解提取子波按炮孔地质状况和波传播路径分区平均，并计算出平均子波峰值和主频，将该波峰值、主频和波形确定为提取的单孔子波。

所述的步骤5，是从实测合成波和组合波中分解提取单孔子波，当同台阶对应炮孔位置下次***时，因炮孔地质条件最为接近，***参数又相同，将提取的单孔子波按炮孔地质和波传播路径分区平均后，参照即将***区测点监测地震波幅值、波形，调整孔间干扰减震组合，再与延时起爆单孔子波叠加，预测减震最佳效果，并调整起爆时差，由此再次***并监测、电算分解提取单孔子波。

本发明的电算精确延时千扰减震***方法与现有技术相比具有以下优点：(1)以双炮孔为组，组内孔间精确短延时干扰减震，组间适当长延时起爆，以避开强随机振波的***技术达到了将群孔***减至单孔***振动水平以下的目标。(2)所开发的按炮孔地质状况和波传播分区，以实测地震波为基本数据，用“迭后减前”的计算机分析方法求取真子波，实现了在***作业中电算精确延时干扰减震。(3)使用高精度导爆管***与微差***相结合的起爆网路，实现减震准确延时起爆，解决了在目前技术条件下的现场应用问题。(4)本方法可以在有严格减震要求的***场地，国家级文物、城市地铁、核电站等重要保护对象附近***开挖时推广使用。该方法极大地减轻了群孔***震动对城镇复杂环境的影响，它解放了城镇石方***的生产能力，又保护了周围环境，具有重大而深远的意义。

本专利的“迭后减前”法正是在土岩台阶***下，测震采样率在4k以上，使用我国现有高精度导爆管***和微差***相结合的起爆网路或高精度电子***起爆时，当采用“迭后减前”法的相应减小误差措施后，从“双孔为组，组间短延时”干扰减震波中，计算提取单孔子波才会成功。

附图说明

图1是铁炉港试验台阶工作面平面图；

图2是具有前震相衰减正弦速度波形；

图3是实测震波图；

图4是子波叠加合成波框图；

图5是双孔不同延迟时间的合成波最大峰值(计算机合成数据)；

图6是双孔延时17ms的合成波图；

图7是子波及合成波叠加合成组合波框图；

图8是两组延期***振动最大值与时差的关系(组延迟105ms为最可靠)；

图9是三组延期***振动最大值与时差的关系(组延迟105ms、296ms为最可靠)；

图10是四组延期***振动最大值与延迟时间的关系(组延迟105ms、296ms、462ms为最可靠)；

图11是四组八孔***最小峰值震波(计算机合成的组合波)；

图12是子波提取框图；

图13是序14～17号***合成波组合波实测图；

图14是由第一组波形提取的单孔子波；

图15是由第二组波形提取的单孔子波；

图16是由第三组波形提取的单孔子波；

图17是由第四组波形提取的单孔子波；

图18是平均单孔子波；

图19是合成波(双延时18ms)；

图20是单孔***与8孔***实测波形比较(时差为0.5秒)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

以在铁炉港采石场进行的孔间干扰减震***试验为例，试验分三期进行。

首期进行探索性试验，共4个单孔***和14个孔的群孔***，以制定试验方案，选择试验区、测震点和减震措施以及计算机电算起爆时差并确定起爆网路、高精度***、微差***等器材，和预测单孔子波波形，试验区和测震点见图1。

第二期进行单、双孔减震措施和起爆时差减震初步***实验，共试验15个孔，试验中发现径向不耦合装药和2.5m孔底空段柔性垫层减震效果显著，可将107kg***，单孔***250m处振动速度和加速度峰值降至0.1131cm/s和37.6mg，换算到核电站***条件350m处，单孔药量30kg，振动峰值为0.0362cm/s和12.03mg；而相似条件的双孔在电算精确延时起爆后，其总***131kg在280m处爆震峰值再可降达0.0459cm/s和18mg，5组双孔***试验结果的爆震，换算到核电站***条件振动峰值都在0.0222～0.0356cm/s和7.89～9.75mg，比单孔振动小且均小于10mg以下，充分显示了计算机电算精确延时的减震效果。

第三期进行工业性试验，共进行6组8～9孔***试验，台阶工作面长达54m，每次***方量2376～3368m³，孔间没有发现岩坎。由于此时进入雨季，大雨后试验孔充水3～9m，单孔爆震峰值也相应加大，与第二期试验结果无可比性，但8孔540kg***在304m处爆震峰值仍维持在0.0896cm/s和20.41mg均小于电算提取单孔子波振动；而在9孔***时，其中4孔280kg***爆震峰值降至0.1099cm/s以下，而相邻单孔峰值却达0.117cm/s，由此完全证明了群孔***震动，经计算机电算精确延时起爆后，已小于单孔。由此工业性生产试验证明，该电算精确延时减震***技术已获成功，是一种群孔***减震至单孔以下的新型实用技术，完全可以在工业化大规模生产中推广应用。

现将研究试验情况，分述如下：

1减震原理

1.1震波图

在距爆源100m范围内的近区，经铁炉港石场台阶***多次实测，***地震波，可近似地认为是具有前震相的衰减正弦波，峰值在震中相的首波，如图2；而100～400m范围的中区，则因爆震波传播距离增大，横波滞后初至纵波相对显著，随着纵波衰减，接踵而来的横波，波形变化成了主震相为有前震相的组合近似衰减正弦波，如图3。400m以外为远区，已不是本次工业性试验的范围。

由于波震面面积与传播半径的平方成正比，波前单位面积上的爆震能量就近似与波传播距离的平方成反比，而能量又与振速振幅平方成正比，从而地震波前震相的振幅将因球面扩展

而近似与波的传播距离成反比减小，形成波前扩散。由此，前震相的幅值小于震中相的首波峰值。

由于实际岩层是非完全弹性的，使地震波的弹性能量一小部分不可逆地转化为热能而消耗，因而使地震波的振幅衰减，这种吸收现象可描述为，地震波传播到r处(或时间t＝r/v_p时)的振幅

A＝A₀e^-ar    (1.1)

式中：A₀为振源发出的地震波的初始振幅；a为介质的距离吸收系数。v_p为地震波的传播速度，m/s；而振幅衰减吸收因子

$D_a=A/A_0=e^{-\mathrm{ar}}=e^{-a{v}_{p}t}=e^{-\mathrm{\βt}}---\left(1.2\right)$

式中β＝v_pa为介质的(时间)吸收系数，s^-1；因此，在近区和中区，***地震波可以分别用具有前震相的衰减正弦波和其组合来近似描述。速度衰减正弦波为

v_t＝v₀e^-βtsinωt    (1.3)

式中ω＝2πf，f为振动波频率，Hz；v₀为t＝π/ω时

v₀＝v_t·e^βt         (1.4)

式中β为波衰减系数。

从铁炉港采场单孔***实测看，前震相为1/2～1+1/2个波，其振幅V_b多为震中相首波(多为峰值V_p)的0.43～0.8倍，平均为0.59倍，而相位相反。滞后的横波首波多为次峰，其幅值v_a约为纵波首波峰值V_p的0.75～1.0倍，平均0.68倍，其前方相邻的衰减波幅值V_ab约为该次峰幅值的0.1～0.95倍，平均0.8倍。振波各相区幅值见表1。

1.2叠加干扰减震

从震波图看，只要将各孔产生的子波的相位时移，使峰谷叠加，相互干扰抵消，其合成波振幅必将减小，从而实现减震。即对单孔子波V_b、V_p、V_a相位，同时时移前震相波的半周，合成波对应单孔子波的相位振幅分别依次为，v_c，1＝v_b、v_c，2＝v_p-v_b、v_c，3≈v_a-v_ab，而其中v_ci(i＝1，2，3)的最大者，即为合成波的峰值。由铁炉港石场实测波可算得，v_c，1＝(0.43～0.8)v_p，平均0.59v_p；v_c，2＝(0.57～0.20)v_p，平均为0.41v_p，v_c，3≈(0.03～0.9)v_p，平均0.24v_p；而其中之最大值Max(v_c，i)，是合成波的峰值。由此可见，v_ci＜v_p，可达到减震目的；合成波最大峰值在前震相约为0.8V_p，或次峰区0.9v_p；而其他有可能成为峰值的相位，将分布在v_c，i的另外区；从v_ci平均值看合成波多在前震相减震，平均为0.59v_p。从表1可见，铁炉港石场合成波再叠加，大多已不能减震，即只能双孔叠加干扰减震。

在单孔子波的其他波区，设振动函数为f(t)，频谱g(jω)，而n个相同子波分别滞后t₀，与原单孔子波叠加，其合成波

F(t)＝f(t)+f(t-t₀)+f(t-2t₀)+...+f(t-(n-1)t₀)    (1.5)

而合成波频谱 $G\left(\mathrm{j\ω}\right)=g\left(\mathrm{j\ω}\right)(1+e^{-\mathrm{j\ω}{t}_0}+...+e^{-\mathrm{j\ω}(n-1)t_0})---\left(1.6\right)$

今 $k\left(\mathrm{j\ω}\right)=1+e^{-\mathrm{j\ω}{t}_0}+...+e^{-\mathrm{j\ω}(n-1)t_0}---\left(1.7\right)$

则(1.7)式可写G(jω)＝k(jω)g(jω)              (1.8)

由(1.8)式可见，叠加后相当于一个线性滤波器。k(jω)就是这个滤波器的特性，多次叠加对波形的改造作用可以由k(jω)反映出来。K(jω)与原单孔子波的类型无关，它只是叠加次数(n-1)、频率ω和时差t₀的函数。K(jω)是一个复数。K(ω)反映了振幅特性，

即 $k\left(\mathrm{\ω}\right)={({(1+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(\mathrm{\ωi}{t}_0\right))}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left(\mathrm{\ωi}{t}_0\right)\right)}^2)}^{0.5}---\left(1.9\right)$

而k(jω)的相位 $\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\tan }^{-1}(-\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left(\mathrm{\ωi}{t}_0\right)}{1+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(\left(\mathrm{\ωi}{t}_0\right)\right)})---\left(1.10\right)$

从(1.9)式可见对某正弦波频率ω的波，只要ωt₀时移π，即半个周期，则k(ω)＝0，即主频ω且在频谱上突显的单孔子波，其合成波F(t)的振幅减震至零，但是其他谐波频率ωt₀不可能都时移π，它们在频谱上幅值较小，因此总的k(ω)也将最小，即减震最佳。而相位则后移φ(ω)。

同理，若衰减正弦型单孔子波

f(t)＝V₀e^-βt(cos(ωt)-jsin(ωt))，t≥0    (1.11)

而第1个叠加单孔子波f(t-t₀)＝V₀e^-β(t-t ₀ ⁾(cos(ω(t-t₀))-jsin(ω(t-t₀)))，t≥t₀

则n个叠加子波的合成波 $F\left(t\right)=f\left(t\right)+f(t-t_0)+...+f(t-n{t}_0)=V_0{e}^{-\mathrm{\βt}}\·e^{-\mathrm{j\ωt}}(1+e^{\mathrm{\β}{t}_0}\·e^{-\mathrm{j\ω}{t}_0}+...+e^{\mathrm{n\β}{t}_0}\·e^{-\mathrm{j\ωn}{t}_0})---\left(1.12\right)$

令减震率

$k=F\left(t\right)/f(t-n{t}_0)=e^{-\mathrm{n\β}{t}_0}\·e^{\mathrm{j\ωn}{t}_0}+e^{-(n-1)\mathrm{\β}{t}_0}{e}^{\mathrm{j\ω}(n-1)t_0}+...1$

当n→∞时， $k=1/(1-e^{-\mathrm{\β}{t}_0}\·e^{\mathrm{j\ω}{t}_0})$

而ωt₀＝nπ时， $e^{\mathrm{j\ω}{t}_0}=-1,$ +1，-1，+1，...；

而n》1，又为奇数时，即偶数孔波叠加

$k=1/(1-e^{-\mathrm{\β}{t}_0})---\left(1.13\right)$

当n＝1时， $k=e^{-\mathrm{\β}{t}_0}{\left({\cos }^2\left(\mathrm{\ω}{t}_0\right)\right)+{\sin }^2\left(\mathrm{\ω}{t}_0\right))}^{0.5}$

当ωt₀＝π时， $k=|e^{-\mathrm{\β}{t}_0}-1|---\left(1.14\right)$

衰减正弦型子波，当ωt₀时移约半周期，减震最佳，叠加单孔子波的减震率k为合成波与最后子波对应时刻幅值之比，叠加单孔子波减震最好，叠加子波越多，其k将从

上下偏离于1，偏离量逐渐缩小，而趋近1减震变差。增大起爆时差t₀，k也将增大，减震渐少，而最终k趋近于1，即无从减震。

综上所述，***子波的前震相，震中相首波峰值区、次峰区、以近似正弦波区、衰减正弦波区，只要叠加相同单孔子波，时移相应区域的半个周期，即可达到比单孔子波减震，且减震效果最佳。衰减正弦波，偶数子波叠加减震效果比奇数子波好。等间隔延时起爆，对衰减正弦子波区，叠加子波越多减震效果越差，间隔延时越长，即使在减震的半周期+2n₁π(n₁为任意自然数)，减震也越不明显。各区减震后的最大峰值与叠加段子波峰值之比，作为合成波减震效果。由此，铁炉港石场最优延时减震***的方案应为，双孔为组，组内时移半周期起爆，孔间干扰减震，组间时差适当延长震波干扰。

1.3子波预测

从上节可知，延时减震起爆必须预测单孔子波波形，频率及峰值等属性。对指定需减震区域，应实测单孔***子波。***时的安全药量Q_s(kg)，根据萨氏公式应为Q_s＝((v_s/k_s)^1/α·r)³    (1.15)

式中v_s为减震区允许安全振速，cm/s；为α、k_s为与爆源及波传播路经有关传播系数和衰减指数；r为波的传播距离，m。

当已知减震区允许安全振动加速度A_s，g；则衰减正弦波对应的安全振速

$v_s=981A_s/(\mathrm{\ω}\sqrt{1+{(\mathrm{\β}/\mathrm{\ω})}^2}\·e^{(\mathrm{\β}/\mathrm{\ω})\·\tan -1(\mathrm{\ω}/\mathrm{\β})})---\left(1.16\right)$

式中，ω＝2πf，f为频率，可近似认为主频f_p，中深孔台阶***取25～40，Hz；β为衰减系数8～15。以Q_s试爆，实际药量Q_p＝Q_s，实测振波的V_p、f_p，并计算出减震***的单孔药量

Q_c＝Q_s(v_s/(v_p·k(ω)))^3/α    (1.17)

式中k(ω)为延迟起爆减震方案对应的减震系数。

根据2次以上Q_p药量***(Q_p＜Q_s)，并测出的f_p、V_p，拟合出主频与药量Q关系，和振幅V_p与Q的关系，并以Q_c查出调整后的主频f_ps和峰值振速v_ps，并相应调整实测Q_p的振波波形，作为Q_c药量预测的子波波形，再进行叠加减震计算。

根据专业刊物《石油地球物理勘探》2000年第4期中刊登的《高分辨率地震勘探中最佳药量及耦合条件的选取》一文：

v_p＝c_pQ^α/3；f_b＝c_bQ^-1/3    (1.18)

式中，c_b、c_p为系数，从(1.18)式可见，中孔药量在15kg以上，f_b和f变化不大，铁炉港采石场实测可见，当Q_c与Q_p在20～120kg时，可以不进行波形周期调整，而只调整幅值。

1.4减震地质

单孔爆源沿类似岩层路径，传播到指定的减震区域，多数地震波在透射过岩土介面后，以更接近竖直方向传播到地表。单孔***子波的属性，取决于爆源，传播路径的岩、土介质。当岩层为线性粘弹性介质时，到达岩面的地震波f(r，t)的频谱F(ω、r)，根据专业刊物《工程***》2002年第4期中的《浅眼***地震波传播规律》一文，

$F(\mathrm{\ω},r)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f(r,t)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt}=s\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-a{\mathrm{\ω}}^{2}r}/r---\left(1.19\right)$

其中爆源震谱s(ω)由爆源性质和***与岩石匹配性质的综合影响决定；吸收系数a，因传播路径上岩石对不同频率地震波能量的吸收不同而异。从(1.19)式中可见频谱的幅值将随e指数ω的平方衰减，r值越大，高频ω对应幅值衰减也越快，致使r从近到远，波形的主频f_b和f从大到小。因此，不同指定岩面减震的起爆延迟时差也就有异。不同结构的表土层，其场地土的性质也不同，固有的卓越基频和各次频也不同，土层将基底的岩面波形，分基频、次频(有多个次频)放大振幅，而非卓越频率的振幅则缩小或过滤掉。因此，不同场地土，减震的起爆延迟也应不同，在指定岩土区域减震，而在另外的岩面及场地上可能就放大了振波，减震具有区域特性。

同理，台阶工作面各钻孔的爆震波，传播到减震指定地点，其波传播路径不同，引起大地滤波作用差异，因此各钻孔子波到达指定点的波形，将有所差别。此外，各炮孔***的岩石不同，其***与围岩的相互作用差异，也引起波的差别。从控制减震需要出发，主要是讨论各孔子波的频率差别。而随着台阶工作面的开采推进，与前次炮孔处于同一传播路径上的钻孔，特别是中区和远区钻孔，大地滤波作用基本相同，其次，处于相同地质体的炮孔也因爆源函数s(ω)相同而单孔***子波波形和主频就基本相同，这是等子波数值叠加减震和分解提取等子波的依据之一，并以此依据平均子波，可消除各子波的随机振动。但是有的相邻钻孔由于波传播路径上的不同，大地滤波发生变化，工作面推进到另类岩石的炮孔，引起子波波形差异，主频阶跃变化，这就需要异子波数值叠加和异子波分解提取。因此，对台阶工作面钻孔应按主频分区，区内单孔子波在考虑(1.19)式后，平均消除随机振动，区内及边界钻孔子波应分别采用上述等子波或异子波的减震数值方法，并正确地认识不同分区造成叠加干扰减震的差异。这样，就可以将计算机控制减震数值计算更加切合实际。

1.5减震计算的可靠性

单孔爆源振波f(t)，因各种我们无法认知的偶然的因素而变化，生成而叠加上随机震波f_s(t)。子波的这种随机变化至使以真实子波f(t)计算干扰减震与实际减震效果发生误差。f_s(t)在没有***振动能量时不会随机振动，f(t)的可供振动总能量，即振动动能和弹性势能之和越大，其随机振动f_s(t)也越大。设偏离均值f(t)的随机振动幅值与可供振动总能的平方根成正比，则f_s(t)可用分离式非平稳随机模型来描述，即

f_s(t)＝g(t)F_s(t)    (1.20)

式中g(t)是随机干扰非平稳特性的确定函数，为|f(t)|的包络线，对衰减正弦波为V₀e^-βt；F_s(t)是均值m为f(t)的平稳随机过程，其单孔F_s在[-x_α，x_α]的概率分布函数

$P_{x_a}\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}{\∫}_{{-x}_a}^{x_a}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{z-m}{\mathrm{\σ}}\right)}^2]\mathrm{dz}---\left(1.21\right)$

式中σ为均方差；z为积分变量，从(1.20)可知f_s(t)的区间是[-x_ag(t) x_ag(t)]。当双孔振波叠加时，在[-x_g x_g]区间，前孔F_s(t)的区间为[-x_g/g(t) x_g/g(t)]，而叠加的后孔的起爆时差Δt₁，F_s(t)的区间为[-x_g/g(t-Δt₁) xg/g(t-Δt₁)]，以(1.21)式分别计算出前炮孔的概率P_x1和后炮孔的概率P_x2，因此两炮孔波叠加区随机变化在[-x_g x_g]的总概率 $P_x=\frac{P_{x_1}+P_{x_2}}{2}-\frac{P_{x_1}\·P_{x_2}}{4}---\left(1.22\right)$

从(1.20)、(1.21)和(1.22)式中分析可见，双孔干扰减震，当起爆时差大于半周后，双孔、特别是二组波在[-x_g，x_g]的概率迅速降低，可靠性也降低，到组间起爆时差大于130ms后，概率又逐渐增高，即减震的可靠性增加。从表2实测可见，序号13、14号***组间延时38ms、66ms，实测震波在叠加处峰值比计算突然增大，是四组合成波中最大的。由此可见减震计算可靠性较差，而序号16号***，组间延时105ms时，实测叠加处峰值较小，其他序号11～16号***中，组间延时166ms，190ms，250ms，合成波都没有峰值比其他组合成波突然增大现象，由此可见减震计算的可靠性均较好。因此，孔间延时在峰值首波半周，组间延时在130ms～250ms减震计算的可靠性是较好的。因此，本试验采用的起爆方案，即双孔为组，组内时移半周起爆，孔间干扰减震，组间适当延长，干扰减震的起爆方案，其减震可靠性也较好。

从试验中可见，为了更好地提高减震的可靠性，应对采石场进行地质调查，按不同地质体和波传播路径分区，寻求单孔子波变化的必然规律，减少偶然因素产生的随机变化概率。

2减震数值方法

2.1波叠加

设多孔***波，因孔间相邻，各孔***状况相同，但波的传播路径及地质条件等不同，以及偶然因素产生的随机振动，生成的实测或预测的两钻孔子波ch₁、ch₂。按上节所述的多孔起爆延时方案，首先按图4所示框图，叠加合成波，并取绝对值的峰值mch，再以不同时差dt取mch的最小值mich，作为减震效果，并计算对应起爆延时t₀。分解提取单孔子波叠加合成波峰值与起爆时差dt关系见图5，选择最前的最优起爆时差t₀≈17ms叠加出一组双孔合成波，见图6。

再以图4所示相同程序，按图7所示框图计算两组合成波叠加为组合波，其组合波峰值与组间起爆时差t_s关系，如图8～图10。从图中应适当延长组间起爆时差，选择可靠性好的组间起爆时差t_s，叠加成组合波，以此类推再叠加合成波形成新的组合，其中由4组合成波组成的组合波见图11。从图中可见，组间再进行干扰已无任何减震意义，其仅比单组双孔合成波略有减少。多次计算结果验证1.2节所述双孔起爆延时孔间干扰减震方案是正确的。根据1.4节的推证，组内孔间延时前震相(即约半周)，组间延时选择在130ms～200ms时段，由于避开了20ms～130ms时段，叠加成的组合波，其电算叠加干扰减震可靠性也最好。200ms～250ms组间震波已没有干扰。

起爆时差除考虑减震外，还要兼顾孔间***应力叠加协合破岩，以提高岩石破碎效率。根据四川科学出版社1999年6月出版的《裂隙岩体***技术》一书以及《国外现代***技术文集》1996(4)，65～79页中的记载，孔间时差应大于15ms。而组间时差也不要过大以免破碎不良和出现瞎炮。铁炉港采石场，需要生产块石，当组间延时到250ms时，可增加规格块石，未见组间岩坎和瞎炮。因此组间延时100～250ms还在合理范围。

叠加波是否尽可能接近实际，除了起爆时差要选择在随机变化小，计算可靠性好的时间段外，最关键的是子波应符合实际。即在开始***时，预测的子波要既在安全范围又尽可能准确。而***之后，要从监测的***合成波和组合波中准确地分解提取单孔子波，以调整起爆时差之用。

2.2单孔子波提取

2.2.1提取原理

从1.2节(1.8)式可见，当实测合成波的谱G(jω)和起爆时差的叠加系数谱K(j ω)已知，就可求出子波的谱，即

g(jω)＝G(jω)/K(jω)    (2.1)

再对g(jω)作付氏反变换，就可得到***地震子波波形ch₁，即

ch₁＝ifft(g(f))          (2.2)

式中ifft为付氏反变换计算。

而本次试验，子波的分解提取，要求在震中相峰值区要尽可能准确，因此创新提出了“迭后减前”法，当提取等子波时，其原理如下：

实测合成波F(t)在[0，t₀]区间，是单炮孔真实子波f(t)的[0，t₀]区间波，而当j＝2时，第j个延迟起爆炮孔起爆时差为Δt_j＝t₀，则在i区间[t_i-1，t_i]，迭减区间号i＝1，2，…n

$f_1\left(t\right)=F\left(t\right)\·\underset{j=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{f}_2(t-\mathrm{\Δ}{t}_j)---\left(2.3\right)$

f₂(t)＝f₁(t)·k_t

其中t_1-1＝0；t₁＝t₀；迭后减前总次数n为T/Δt_j的整数部份，T为观测总时间，S；L是炮孔数；f₁(t)与f₂(t)为一对单孔子波；k_t为子波间比例系数，k_t＝f₂(t)/f₁(t)，等子波提取时为k_t＝1，等子波f(t)＝f₁(t)＝f₂(t)；异子波提取k_t为0.7≤k_t＜1。

从计算过程可见f(t)是否准确，取决于两个因素，即计算依据的起爆时差是否精确，起爆***的真实起爆时间，因偶然因素，是随机的，由此带来误差；其二是等子波迭后减前法的前提，是假设各孔***波相同，但各孔***波是随机变化的，若各孔子波差异明显，则分解的子波与真解的差异也大。单孔子波提取作为波叠加的逆运算是多解而不适定的，由于随机振动和记录存在干扰背景，解(2.3)式具有不稳定性和实用的非唯一性，而且从迭减原理可知，前次迭减的时程误差和随机误差，将累加到以后的迭减之中。

由此f(t)的数学解是否为真解，还应采取以下方法判断：

1)子波波形应与1.1节分析相符，没有畸变：设计算起爆延时与实际的误差为dt₀，F(t)的时程为nt₀，需迭减(n-1)次，则由dt₀引起的时程误差

ε_t≤(n-1)dt₀    (2.4)

当t₀＝20ms，若|dt₀|≤1ms，n＝4时，ε≤3ms，由此可见，n＞5，由此引起的时程误差将不可容忍。从(2.4)式可见，减小时程误差ε_t，可以用提高实测波的采样率并减小dt₀来达到。另外由波的随机变化累加的误差也随n越来越大。事实上迭减5次多数由分解提取的子波将畸变分义，而不符1.1节所述的震波图。因此，可将迭减次数n减小，选择前区段正常的子波。然而，波叠加减震主要要求，震中相次锋以前区段要分解准确，尤其是震中相首波峰值区，因此减小n，还是可以基本满足波叠加减震提取子波的要求。

2)计算合成波与实测波之差平方和最小：计算起爆时差Δt_j，在其计算时间区间[t_i-1，t_i]，可计算出多个子波数学解f_c(t)，并将叠加合成F_c(t)波，若与实测波F_p(t)之差的平方和

最小，则f_c(t)接近真实解f(t)。

3)子波与合成波相关：从1.2节(1.6)、(1.12)式可见，近似正弦波的合成波是同频率的正弦波，衰减正弦波的合成波也是同频率的衰减正弦波，若随迭减次数i增加子波峰值越来越大，当其峰值超过迭减i段合成波的2倍时，则可判断f(t)不是真解。而且合成波的自相关函数可作为地震子波的自相关函数，从而判断f(t)的真解，并计算出f(t)。

求出子波f(t)的真解后，应与前次和同次相邻钻孔分解子波平均求出相同传播路径和相同地质条件区域炮孔的平均单孔子波，以尽可能消除随机振动和计算中的误差。因此，只要单孔子波和单组合成波求准了，波叠加就能尽最大可能接近实际，从而实现计算机精确控制起爆延时减震。

2.2.2提取程序

从实测波中读取分段合成波或分段组合波，选取包含名义起爆时差的区间，以各可能起爆时差实行数值迭后减前，并求出相应子波数值解f_c(t)，由此再叠加成相应合成波或组合波，并在人机对话中要求计算者以据2.2.1节原则判断f_c(t)是否是真解，若不是真解计算者再输入确认的起爆时差，再看波形图，若波形不是真解，可截取前段子波波形审查反复以上操作，直到计算者满意而选出真解f(t)后，输出需要时段的单孔子波真解，将各组分解提取子波按分区平均，并计算出子波峰值和主频。子波提取程序见图12。以铁炉港实测合成波为例见图13，提取单孔子波，提取子波数值解见图14～图17，各组单孔子波平均见图18，平均单孔子波叠加合成波峰值与起爆时差dt关系见图5，选择孔间延时18ms的合成波见图19。

从上所述可见，上节提出的双孔间干扰，群孔减震至单孔以下的延迟***方案，必须按本节提出的减震数值方法并借助计算机电算才能实现。即从实测合成波和组合波中分解提取单孔子波，当同台阶对应炮孔位置下次***时，因地质条件最为接近，***参数又相同，可将提取的单孔子波按炮孔地质和传播路径分区平均后，再与延时起爆单孔子波数值叠加预测减震最佳效果，并调整起爆时差，由此监测、分解提取、平均的单孔子波就越符合实际，而所叠加的合成波和调整的起爆时差就越准确，叠加减震也更接近实际。这就是本试验的提出并验证的电算精确延时，孔间干扰，群孔减震至单孔以下的实用新技术。

3试验结果与分析

“电算精确延时减震***”是一项能将群孔***地震强度减至单孔***地震强度以下的实用新技术，在铁炉港采石场工业性试验中总计***19次，现将***振动峰值列入表2、表3，延时***的减震情况列入表4。从表中可见，自初步***阶段到工业性生产试验阶段以来，双孔延时及双孔成组延时***地震动均小于单孔***振动，其中序4～9号双孔***共6次，仅序5号的孔间起爆延时为10ms，振动加速度峰值PPA超过序号1～3单孔***外，其余5次***孔间延时17～19ms，振动加速度PPA均小于单孔，换算到相同条件：R＝350m，Q＝30kg，α＝1.5时，PPA均小于10mg；而速度PPV仅序5号大于序3号单孔外，其余5次***PPV也均在单孔以下。后来连续下了2天中至大雨，三亚雨季来临，炮孔充水2～9m，单孔***震动也相应加大，在序10～35号***中，实测波速度峰值均小于提取的单孔波振动速度PPV，详见表4。序31～35号***中，其序31号是单孔***，其附近28m的4孔***速度峰值小于该单孔PPV，仅序34号(第3组)***PPV略大，为序31号单孔PPV的1.06，可以视为相当，即实测后8孔***震动均在前单孔PPV以下。因此，本项起爆延时减震技术，是可以将群孔***减震到单孔以下的。从表3中，将序号14～17号四组合成波分别分解提取单孔等子波，经平均消除随机误差，电算孔间干扰延时为16ms，考虑到16ms后，合成波最大值增加较缓，见图5，因此选择孔间延时17ms，合成波见图6。但是由于***方向改变，***波传到测点应增加孔间距的传波时间约1ms，因此实际延时约18ms，爆后计算合成波PPV稍大于单孔(为单孔的1.04倍)，见图19，与实测序31～35号组合波中序34号比序31号单孔波大1.06相近，见图20。因此证明，从实测波中分解提解单孔子波，分区平均后，再把波形数值叠加，求取孔间干扰减震延时的技术，是准确、可行和成功的。同理，将序14～17号四组实测波，变化延时分别数值叠加，确定可靠性较好的组间延迟时间分别为105ms、191ms、166ms，在序32～35号***时，实测可见没有叠加增加随机振动，由此可见组间适当延长，波形叠加数值减震，既是减震最佳又在实际中可靠的延时方案，是正确的、成功的。

在多次的***网络试验中，使用的以高精度***为主的起爆网路，完全可以实施计算机确定的精确最优起爆延时。起爆网路的起爆误差在±2ms之内，***中没有出现过瞎炮。

4结论

“电算精确延时减震***”是一项群孔***减震至单孔以下的实用新技术，它综合了以下内容，即：

1)双孔为组，组内时移约半周，孔间干扰减震，组间适当延长是既最优减震又实施可靠的起爆方案；

2)实施单孔子波预测以及计算机测算提取单孔子波，确定精确延时的循环实施程序。即实测合成波、组合波后，以计算机等子波或异子波数值分解提取、储存单孔子波，按炮孔地质和波传播路径分区平均后，减震数值叠加，求取指定减震区域最佳减震效果的起爆延时，并循环实施。因此是精益求精、紧跟施工地质变化的好中更稳的循环实施程序。

3)使用以高精度导爆管***与微差***相结合的起爆网路或电子***起爆网路，以实现减震精确延时起爆。

单孔波与合成波峰值

序号	时间	实测合成波速度峰值PPV(cm/s)	单孔子波速度峰值PPV(cm/s)	减震率(k)	备注
						4	5.2	0.0459	0.0668	68.7％
5	5.3	0.0597	0.1201	49.7％
						6	5.3	0.0582	0.1091	53.3％
7	5.6	0.0629	0.1487	42.3％
						8	5.6	0.0575	0.1002	57.4％
9	5.13	0.0590	0.0804	73.4％
						10	5.13	0.0590	0.0796	74.12％
11	5.13	0.0592	0.1531	38.67％
						12	5.14	0.0732	0.0814	89.93％
13	5.14	0.0740	0.0762	97.11％
						14	5.14	0.0896	0.1184	75.65％
15	5.14	0.0854	0.1287	66.36％

Claims (11)

1.一种电算精确延时干扰减震***方法，它是以相邻双炮孔为组、组内短延时的主频半周起爆，孔间干扰减震；相邻组间长延时起爆时间，以避开强随机振波，并按炮孔地质和波传播路径分区，以实测的***合成波和组成波为基本数据，用计算机分析法提取各区内的单孔平均等子波、提取各区的单孔异子波，从而电算下次***的精确延时，由此***——测震——子波提取——电算延时，不断循环实施；所述的计算机分析法是采用“迭后减前”数值分解提取单孔子波，即由单孔波与超前单孔波合成的实测波区间中，减去相邻前区间的超前单孔波，以作为该区间的单孔等子波，由此迭减，直至将合成波分区间从前向后减完一遍，若将每迭减的单孔子波按子波比例系数缩小，即为单孔异子波。

2.根据权利要求1所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的孔间干扰减震，是指将各炮孔产生的子波相位时移，使峰谷叠加，相互干扰抵消。

3.根据权利要求1所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的计算机分析法是采用“迭后减前”数值分解提取单孔子波的数学表达式为：实测合成波F(t)在[0，t₀]区间，是单炮孔真实子波f(t)的[0，t₀]区间波，而当延迟起爆炮孔j＝2时，第j个延迟起爆炮孔起爆时差为Δt_j＝t₀，迭减区间为[t_i，t_i+1]，迭减区间号i＝1，2，...n，f_j，i为第j个延迟起爆炮孔在i区间的子波，f_1，i为首先起爆炮孔在i区间的子波。

$f_{1,i}\left(t\right)=F\left(t\right)-\underset{j=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{j,i}(t-\mathrm{\Δ}{t}_j)$

f_j，i(t)＝f_1，i-1(t)·k_t

其中当i＝1时，t_i＝0；t_i+1＝t₀；迭后减前总次数n为T/Δt_j的整数部分，T为观测总时间，s；L是炮孔数；k_t为子波间比例系数，k_t＝f_j，i(t)/f_1，i-1(t)，等子波提取时为k_t＝1，等子波f(t)＝f_1，i-1(t)＝f_j，i(t)；异子波提取k_t为0.7≤k_t＜1。

4.根据权利要求1所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的电算，是在起爆的时差误差范围内，经计算机多次计算，取其计算波形与实测合成波之差的平方和之最小者为真实起爆时差，及对应单孔子波。

5.根据权利要求1所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的起爆是采用高精度导爆管***为主的起爆网路或采用电子***起爆网路或微差***起爆网路。

6.根据权利要求1-5之一所述的电算精确延时干扰减震***方法，它具体包括以下步骤：

(1)单孔子波预测；

(2)波叠加电算出组内孔间延时和组间延时；

(3)延时***并监测震波；

(4)从监测波中提取单孔子波；

(5)实施“电算延时——延时***——震动监测”循环程序。

7.根据权利要求6所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的步骤1，是运用萨式公式来计算***时的安全药量，并以小于和等于该安全药量的药量进行至少两次试爆，并实测各次试爆的振波峰值，由此拟合出主频与药量的关系和振幅与给药量的关系，增大单孔药量并调整相应的主频和峰值振速，以减震***计算药量并预测单孔子波波形。

8.根据权利要求6所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的步骤2，是以时差叠加合成波，并取绝对值的峰值，再以不同时差，取绝对值的峰值的最小值，作为减震效果，同时计算对应起爆延时的时差，该时差为组内孔间延时；然后选择最前的最优起爆时差为起爆延时时差，并叠加出一组预测的双孔合成波；然后再以上述程序，计算两组合成波叠加成组合波，算出其组合波峰值与组间起爆时差的关系，并适当延长组间起爆时差，选择随机振波较弱可靠性好的组间起爆时差，叠加成组合波，以此类推叠加成合成波，形成新的组合，由此选取组间延时。

9.根据权利要求6所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的步骤3，是以电算的组内孔间延时和组间延时，在土岩台阶工作面联结成起爆网路，实施***，并在指定减震地点监测震波。

10.根据权利要求6所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的步骤4，是从***监测的实测波中读取分段合成波或分段组合波，选取包含名义起爆时差的区间，以各可能起爆时差实行数值迭后减前，并求出相应子波数值，由此再叠加成相应合成波或组合波，并在人机对话中判断子波数值解是否真解，若不理想则再输入确认的起爆时差，再看波形图，若波形还不理想，则截短前段子波波形审查，反复上述操作，直到选出满意真解后，输出需要时段的单孔子波真解，将各组分解提取子波按炮孔地质状况和波传播路径分区平均，并计算出平均子波峰值和主频，将该波峰值、主频和波形确定为提取的单孔子波。

11.根据权利要求6所述的电算精确延时干扰减震***方法，其特征在于，所述的步骤5，是从实测合成波和组合波中分解提取单孔子波，当同台阶对应炮孔位置下次***时，因炮孔地质条件最为接近，***参数又相同，将提取的单孔子波按炮孔地质和波传播路径分区平均后，参照即将***区测点监测地震波幅值、波形，调整孔间干扰减震组合，再与延时起爆单孔子波叠加，预测减震最佳效果，并调整起爆时差，由此再次***并监测、电算分解提取单孔子波。

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