黑岱沟露天煤矿岩体波速测试

狐为民

(华北科技学院 计算机学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

岩体声波测试技术是工程地质勘察和岩石力学研究的主要手段之一，目前已被国内外广泛应用。黑岱沟露天煤矿覆岩层的岩石有砂砾岩、砂岩、石灰岩、白云岩等。研究黑岱沟露天煤矿抛掷爆破剥离技术，实现自动化生产，首先需要研究爆区岩石(体)的动态特性与可爆性，其中，黑岱沟露天煤矿岩体波速测试是主要研究内容之一。

1 岩体波速测试原理

1.1 测试原理

测点布置：在炮孔周围布置两个拾振器，由于场地限制，两个拾振器之间的距离尽量大，并且与炮孔在一直线上如图1所示。拾振器固定方法为在炮孔附近，用石膏固定在岩体上。

图1 炮孔与测试点的示意图

小药包爆破后，在岩体中产生体积波和表面波，体积波中又有横波和纵波。在各种振动波中，纵波传播的速度最快，最先到达测点1，触发测点1处的拾振器而记录纵波最先到达的时刻t1，然后又到达测点2，测点2处的拾振器记录纵波到达的时刻t2，这样就可以计算纵波在测点1和测点2传播的时间差，再根据这两点间的距离，就可得到纵波在岩体中的速度。

由于采样频率为200kHz，所以记录时间的误差为1/200ms，即5纳秒，一般满足野外测试要求。

小药包起爆后，两拾振器测到波形，如图2所示。纵波到达测点1的时刻为t1，到达测点2的时刻为t2，测点1距炮孔距离为s1，两测点之间距离为s2，炮孔深度为h，则纵波速度为：

图2 岩体波速波形

测试系统如图3所示，分析处理系统如图4所示。

图3 测试系统

图4 分析处理系统

1.2 测试仪器与性能

拾振器：采用北京测振仪器厂生产的CD-21型振动速度传感器，其各项技术指标如下：

频率范围：10Hz～1000Hz。

振幅测量范围：1mm(单振幅)幅线性，误差±5%；

灵敏度：频率为80Hz时，200mv/cm·s-1，误差<3%；

安装角度：垂直，水平。

爆破振动记录仪：采用成都中科动态仪器有限公司开发出来的EXP3850爆破振动仪，其主要用于对地震波、机械振动或各种冲击进行信号记录与分析、结果输出、显示打印、存盘而设计的便携式仪器,主要性能指标如下：

设置段：选择段、设置触发参数、设置采样参数；

采集模式：自动连续采集多段数据、手动单次采集；

采样频率：1～200kHz，选最高采样频率；

延时长度：-4k，-8k，-12k；

触发模式：上升沿或下降沿触发；

触发电平：±50；

量程：1～8V；

EXP3850爆破振动仪：使用EXP3850 Seimograph2软件分析计算。

2 现场测试

2.1 钻孔位置

在露天矿不同水平的典型地段，利用地质钻机，分别钻孔径127mm，孔深5～17m炮孔，然后，在孔底放少量炸药爆破来测量岩体波速。

试验地段为1140水平、1155水平、1170水平、1185水平，岩体类型为粘土类、砂岩类、泥岩类。

1140水平钻2个孔。1#孔在粘土地区，孔深11m；2#孔在断层地带孔深11.1m。

1155水平钻3个孔。1#孔地段主要为砂岩和泥岩，孔深5m；2#孔地段主要为泥岩，孔深5m；3#孔地段主要为泥岩，孔深5m。

1170水平有代表性地段，钻3个孔。1#孔地段主要为砂岩，裂隙发育，中间夹有少量泥岩和高岭土，孔深17.1m；2#孔地段，主要为砂岩，孔深5m；3#孔地段，主要为砂岩和泥岩，孔深5m。

1185水平钻2个孔。1#孔地段主要为砂岩，中间夹有少量泥岩和高岭土，孔深16.3m；2#孔地段主要为泥岩，中间夹有少量砂岩和高岭土，孔深17m。

钻每个孔时，通过钻出的岩石渣记录每个孔所经过的岩层，并从掌子面拍照岩石的具体情况。

2.2 爆破测试

对4个水平的10个炮孔进行爆破测试，有5个炮孔测试成功，其余5个炮孔由于大型运输汽车和附近大型电铲的运行作业的影响，测试没有抓到有效图形。5个测试成功的炮孔所在地点很有代表性，下面详细介绍。

1) 在1140水平1#孔进行的爆破测试

1#孔所在地点主要为粘土，掌子面的情况如图5所示

图5 1140-1#孔掌子面岩体照片

1#孔炮孔深度11m，

h=11m，s1=3.7m，s2=17m

测试得到的图6所示。

由测试波的图形可以得到t1=-0.55ms，

t2=23.5ms，则纵波速度为

=492(m/s)

2) 在1155水平3#孔进行的爆破测试

3#孔所在地点主要为泥岩，掌子面的情况如图7所示。

3#孔炮孔深度5m，

h=5m，s1=2.7m，s2=17m

测试得到的图8所示。

由测试波的图形可以得到t1=-7.8ms，t2=3.7ms，则纵波速度为

=1273(m/s)

3) 在1170水平1#孔进行的爆破测试

1#孔所在地点主要为砂岩，孔炮孔深度17.1m，h=17.1m，s1=2.9m，s2=10.9m,测试得到的图9所示。

图6 1140-1#孔波速测试图

图7 1155-3#孔掌子面岩体照片

图8 1155-3#波速测试图

图9 1170-1#孔波速测试图

由测试波的图形可以得到t1=-20ms，t2=-14.2ms，则纵波速度为

=796(m/s)

4) 在1185水平1#孔进行的爆破测试

1#孔所在地点主要为砂岩， 1#孔炮孔深度16.3m， h=16.3m，s1=7.1m，s2=16.7m，测试得到的图10所示。

图10 1185-1#孔岩体波速测试图

由测试波的图形可以得到t1=-23.65ms，t2=-13.75ms，则纵波速度为

=1118(m/s)

2#孔所在地点主要为砂岩、泥岩和粘土的交错岩体，

孔炮孔深度17m， h=17m，s1=5m，s2=13.7m。

测试得到的图11所示。

图11 1185-2#孔岩体波速测试图

由测试波的图形可以得到t1=-20.5ms，t2=-12.5ms，则纵波速度为

=944(m/s)

2.3 测试数据的应用

利用本次测试数据及其它研究结论，对黑岱沟露天煤矿抛掷爆破设计数据进行的爆区宽度调整效果较好(炮区增加约10m，炮孔增加一排，有原来的10排增加为11排)。对黑岱沟露天煤矿预裂爆破设计数据进行的调整(孔距由原来的4～4.5m修改为3.5～3.7m)，增加了坡面和边坡稳定度。

3 结论

黑岱沟露天矿的覆盖层主要为砂岩类、泥岩类和粘土类。通过对现场覆盖层各种类型的岩体波速测试结果的综合分析，得出如下初步结论，为研究黑岱沟露天煤矿岩体动态特性和可爆性提供了重要数据。粘土的波速为492m/s，泥岩岩体波速为1273 m/s，砂岩岩体波速为796～1118 m/s，砂岩、泥岩和粘土交错岩体为944 m/s。

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