CN105223274A - 利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法。该方法包括钻孔，布设振动测试***，设置落锤，启动***进行采样，释放落锤产生激励信号，关闭测试***，起振时间拾取，纵波波速计算，等效弹性模量计算。本发明通过测试及计算得到爆区周边岩体的等效弹性模量，借助该物理量，可准确评价***对周边岩体损伤破裂程度的影响，进而为露天矿***开采的优化设计及***震害的科学防护提供依据。与传统的测试分析方法相比，本发明具有震源生成简单、测试周期短、测试范围广、测试成本低等特点。
Description
技术领域
本发明属于露天矿开采的技术领域，特别是涉及一种利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法。
背景技术
***开采是露天矿开采的主要形式，***产生的强烈冲击效应将对爆区后方的岩体造成损伤破裂，进而诱发滑坡、滚石等灾害的发生。岩体的等效弹性模量是反映其损伤破裂程度的有效指标。现有的探测岩体等效弹性模量的方法，如钻孔取芯法、***激震法等，一般需要的投入比较高，操作周期也较长。
钻孔取芯法是通过钻孔获取岩样，再把岩样制作成试件，通过试验设备测试试件的弹性模量。由于地层分布的复杂性，通过单个钻孔获取的岩芯，难以确切判断一定区域岩体的综合性质。为了获得一个区域岩体的等效损伤破裂特性，需要从多个钻孔中获取岩芯并测试各试件的弹性模量。因此该方法的成本较高、测试周期较长。
***激震法是在钻孔中埋入***，***使岩体中产生应力波，同时监测岩体的振动。通过分析岩体的振动信息，获得岩体的等效弹性模量。该方法的测试成本较高，***的获取困难、运输过程繁杂，野外适应性不强，且存在***安全和防护方面的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
本发明的利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在待测岩体中垂直打钻形成落锤孔，落锤孔深度范围为5m～20m，落锤孔直径不小于90mm。
（2）在落锤孔周围沿着径向，在地面直线方向布置一组振动速度传感器或振动加速度传感器，此一组振动速度传感器或振动加速度传感器分别通过数据线与数据采集仪相连接，形成一套完整的振动测试***；
（3）在钻孔孔口放置悬绳架，将绳子的一端固定于悬绳架上，另一端与落锤相连接，并将落锤放置在位于钻孔上端边缘处；
（4）开启振动测试***，使其处于采样的状态；
（5）放下落锤，使落锤沿着钻孔中心自由下落到孔底，产生激励信号；
（6）关闭振动测试***；
（7）利用数据分析仪，对地面各传感器拾取到的振动信号进行分离，提取出落锤击打孔底的信号，根据波形图拾取不同传感器的起振时间；
（8）计算测试区域岩体的纵波波速，计算公式为，
为测试区域场地的平均波速，是钻孔底部到第i个传感器的距离，是钻孔底部到第i+1个传感器的距离，是第i个传感器拾取到的振动信号起振时间，是第i+1个传感器拾取到的起振时间，N为传感器的总数；
（9）计算测试区域岩体的等效弹性模量，计算公式为，表示岩体等效弹性模量，表示泊松比，，表示岩体的密度。
本发明所述的落锤是在钻孔孔口设置悬绳架，其悬绳架由一组支杆和与此一组支杆上端相连接的顶环所组成，所述的顶环与一根绳索的一端部相连接，此绳索的另一端与一个落锤相连接。
本发明所述的一组振动速度传感器或振动加速度传感器的数量为4-8个，每相邻传感器之间的间距为5m～15m。
本发明的优点是：
本发明利用钻孔落锤产生震源，利用地面振动传感器感知震源信号，利用弹性动力学的相关公式计算出岩体的等效弹性模量。借助本发明获得的岩体等效弹性模量，可准确评价***对周边岩体损伤破裂程度的影响，进而为露天矿***开采的优化设计及***震害的科学防护提供依据。与传统的测试方法相比，本发明具有震源生成简单、测试周期短，测试范围广，测试成本低等特点。
附图说明
图1为本发明的钻孔和测试传感器及采集仪器布置示意图。
图２为本发明实施例1的钻孔和传感器及数据采集仪布置俯视图。
图3为本发明实施例2的钻孔和测试传感器及数据采集仪布置俯视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在待测岩体4中垂直打钻形成落锤孔1，落锤孔1深度范围为5m～20m，落锤孔1直径不小于90mm。
（2）在落锤孔1周围沿着径向，在地面直线方向布置一组振动速度传感器或振动加速度传感器7，此一组振动速度传感器或振动加速度传感器7分别通过数据线8与数据采集仪相9连接，形成一套完整的振动测试***；
（3）在钻孔1孔口放置悬绳架5，将绳子3的一端固定于悬绳架5上，另一端与落锤2相连接，并将落锤2放置在位于钻孔上端边缘处；
（4）开启振动测试***，使其处于采样的状态；
（5）放下落锤2，使落锤2沿着钻孔中心自由下落到孔底，产生激励信号；
（6）关闭振动测试***；
（7）利用数据分析仪，对地面各传感器拾取到的振动信号进行分离，提取出落锤击打孔底的信号，根据波形图拾取不同传感器的起振时间；
（8）计算测试区域岩体的纵波波速，计算公式为，
为测试区域场地的平均波速，是钻孔底部到第i个传感器的距离，是钻孔底部到第i+1个传感器的距离，是第i个传感器拾取到的振动信号起振时间，是第i+1个传感器拾取到的起振时间，N为传感器的总数；
（9）计算测试区域岩体的等效弹性模量，计算公式为，表示岩体等效弹性模量，表示泊松比，，表示岩体的密度。
如图1、２所示，所述的悬绳架由一组支杆5和与此一组支杆5上端相连接的顶环6所组成，所述的顶环6与一根绳索3的一端部相连接，此绳索3的另一端与一个落锤2相连接，此落锤2可为铅球，也可为圆柱体或其他形状的对称回转体。
所述的落锤的重量范围在4kg-40kg。
所述的一组振动速度传感器或振动加速度传感器的数量为4-8个，每相邻传感器之间的间距为5m-15m。在振动速度传感器或振动加速度传感器的选用上，一般而言，纵波波速较高的岩体用振动加速度传感器，较低的岩体用振动速度传感器；两个传感器间距较小时用振动加速度传感器，较大时用振动速度传感器。
实施例一：
如图1、２所示，在某磁铁矿的某采区的岩体4上实施钻孔1，钻孔1深度为16m，孔径为250mm；在地表面沿着钻孔1径向直线布置四个振动加速度传感器7，在四个振动加速度传感器7的一侧中部放置一个数据采集仪9，四个振动加速度传感器7分别通过数据线8与一个数据采集仪9相连接；振动加速度传感器7与钻孔1之间及各个振动加速度传感器之间的间距均为6m；以7.26kg铅球作为落锤进行落锤实验，并采用数据采集仪9记录铅球落入钻孔的振动过程；根据各个振动加速度传感器的起振时间及各个振动加速度传感器到钻孔底部的距离H1、H2、H3，H4。
再依据所述计算公式，可以得出：
距钻孔距离6m的第一个振动加速度传感器与距钻孔距离12m的第二个振动加速度传感器之间区域的纵波波速为3758m/s；
距钻孔距离12m的第二个振动加速度传感器与距钻孔距离18m的第三个振动加速度传感器之间区域的纵波波速为3820m/s；
距钻孔距离18m的第三个振动加速度传感器与距钻孔距离24m的第四个振动加速度传感器之间区域的纵波波速为4131m/s；
由此可以计算出测试区域纵波波速的平均值为3903m/s。
由所述公式可以得出此测试区域内岩体的弹性模量为36.2GPa。
实施例二：
如图1、3所示，在某露天煤矿实施本发明。该煤矿某采区的地表为1～2m的松散覆盖层，覆盖层下面是煤岩体。钻孔1深度为12m，孔径310mm，在地表面沿着钻孔1径向沿直线方向布置六个振动速度传感器7，在六个振动速度传感器7的一侧中部放置一个数据采集仪9，六个振动速度传感器7分别通过数据线8与一个数据采集仪9相连接；振动速度传感器7与钻孔1之间及各个振动速度传感器之间的间距均为10m；以30kg铁块作为落锤进行落锤实验，数据采集仪9记录了落锤落入钻孔的振动过程。通过分析振动波形及与实施例一相同的计算方法，得到煤岩体的纵波波速；
距钻孔距离10m的第一个振动速度传感器与距钻孔距离20m的第二个振动速度传感器之间区域的纵波波速为1876m/s；
距钻孔距离20m的第二个振动速度传感器与距钻孔距离30m的第三个振动速度传感器之间区域的纵波波速为1966m/s；
距钻孔距离30m的第三个振动速度传感器与距钻孔距离40m的第四个振动速度传感器之间区域的纵波波速为1989m/s；
距钻孔距离40m的第四个振动速度传感器与距钻孔距离50m的第五个振动速度传感器之间区域的纵波波速为2147m/s；
距钻孔距离50m的第五个振动速度传感器与距钻孔距离60m的第六个振动速度传感器之间区域的纵波波速为2059m/s；
由此，测试区域内纵波波速的平均值为2007m/s；
根据所述计算公式，得出此测试区域内煤岩体的弹性模量为7.49GPa。
Claims (3)
1.一种利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在待测岩体中垂直打钻形成落锤孔，落锤孔深度范围为5m～20m，落锤孔直径不小于90mm；
（2）在落锤孔周围沿着径向，在地面直线方向布置一组振动速度传感器或振动加速度传感器，此一组振动速度传感器或振动加速度传感器分别通过数据线与数据采集仪相连接，形成一套完整的振动测试***；
（3）在钻孔孔口放置悬绳架，将绳子的一端固定于悬绳架上，另一端与落锤相连接，并将落锤放置在位于钻孔上端边缘处；
（4）开启振动测试***，使其处于采样的状态；
（5）放下落锤，使落锤沿着钻孔中心自由下落到孔底，产生激励信号；
（6）关闭振动测试***；
（7）利用数据分析仪，对地面各传感器拾取到的振动信号进行分离，提取出落锤击打孔底的信号，根据波形图拾取不同传感器的起振时间；
（8）计算测试区域岩体的纵波波速，计算公式为，
为测试区域场地的平均波速，是钻孔底部到第i个传感器的距离，是钻孔底部到第i+1个传感器的距离，是第i个传感器拾取到的振动信号起振时间，是第i+1个传感器拾取到的起振时间，N为传感器的总数；
（9）计算测试区域岩体的等效弹性模量，计算公式为，表示岩体等效弹性模量，表示泊松比，，示岩体的密度。
2.根据权利要求1所述的利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法，其特征在于：所述的落锤是在钻孔孔口设置悬绳架，其悬绳架由一组支杆和与此一组支杆上端相连接的顶环所组成，所述的顶环与一根绳索的一端部相连接，此绳索的另一端与一个落锤相连接。
3.根据权利要求1所述的利用孔内落锤探测岩体等效弹性模量的方法，其特征在于：所述的一组振动速度传感器或振动加速度传感器的数量为4-8个，每相邻传感器之间的间距为5m-15m。
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