岩石爆炸加载破碎特性与其声学特性关系

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1、http://www.paper.edu.cn1岩石爆炸加载破碎特性与其声学特性关系121314季荣生，冉恒谦，陈庆寿，韩忠民，王文冰，唐春海1.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京（100083）2.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊（065000）3.中国地质工程集团公司,北京（100086）4.中国水利水电科学研究院岩土所,北京（100026）E-mail:jirs@cugb.edu.cn摘要：研究表明岩石声学特性能较好地反映岩石某些重要物理力学特性及结构特征。本文分析了作为岩石声学特性重要参数之一的纵波速度与岩石某些物理力学特性的关系，对大理石试样进行了超声波测试，并进行了爆炸

2、加载初步试验。试验初步显现出岩石声学特性与岩石爆破破碎关系密切的特点，在无约束单向爆炸加载条件下，沿试样纵波速较高的方向加载时岩样的破碎程度较高，同时其应变峰值也较大。关键词：爆破；岩石破碎；声学特性1引言岩石是矿物颗粒和这些颗粒间胶结物的聚合体，矿物颗粒具有不同的粒径、组合和排列，受成岩、构造运动等内部和外部因素的影响，岩石内部存在着尺寸不同、形式各异的不连续面，这些特点有利于岩石动态损伤的演化、发展，同时由于岩石中的颗粒界面、节理、层理[1]等不连续面的存在，使应力波衰减，对能量的传递起屏障作用，导致破坏范围减小，扩展[2]裂纹常终止于此，只有在提供更多能量给介质时，才可能产生新的裂纹。

3、另外，岩石内部[3]不连续面的自身特点，如闭合程度、胶结好坏等等对岩石的爆破破碎也会产生极大影响。研究表明在超声波穿过岩石后，由于在传播中与介质相互作用，使接收波中携带了与岩石中力学性质密切相关的各种信息，因此超声波在岩石中传播的特点能直观的反映岩石中微[4]裂隙的分布规律及岩石的力学特性。目前岩石声学特性的研究已能较好地将岩石某些重要的物理力学特性及结构特征反映出来，如波速的高低可反映出岩石是否完整、裂隙是否发育。[5]频谱特征值(主频与带宽)的大小则可以反映岩石结构、矿物成分、胶结好坏、风化程度等。此外，岩石的力学特性在不同方向上的差异也可通过超声波测试加以了解。因此岩石声学特性研究是一

4、种较理想的对岩石内部结构及力学特性进行描述与分类的方法，上述岩石特性或特征与爆破破碎效果密切相关。因此通过对岩石声学特性的研究可以得到岩石爆破破碎所需要的诸多信息，另外岩石的超声波测试技术便捷可靠并可于现场进行测试，尤其是纵波速度测试方便，易于测得较为准确的数据，对岩石某些特性进行量化分级难度相对减小，增加了其在实际应用中的可操作性。2试件的准备及基本参数测试超声波测试系统由发射部分、接收部分、显示和记录部分组成。发射部分由振荡器、放大器和激励器（换能器）组成，其作用为向岩石试件发射声波；接收部分由拾音器（换能器）和放大器组成。超声波测试根据不同的测量目的和介质情况有多种测试方式。按波的传播

5、形式不同可分为透射波法、反射波法、折射波法。本研究在试验中采用的方法为透射波法，透射波法可以研究沿任何路径进行的声波传播，具有换能器能量转换效率高，脉冲在岩石试件穿透能力强，1本论文相关研究得到中国地质大学（北京）科学钻探国家专业实验室开放课题和中国地质大学（北京）科学基金的资助。-1-http://www.paper.edu.cn[6]探测范围大的优点，此外还具有干扰因素少、波形单纯、清楚易辨的优点，所以是一种既简单，效果又好的测试方法，故本试验采用透射法进行声波测试。测量时，将发射探头（激励器）和接收探头（拾音器）紧挨岩石试件的两个平整端面，根据试件长度选择好测量时间档，为保证脉冲的有效

6、传递和接收，换能器和试件必须有良好的声阻抗匹配，试件表面附加耦合剂来实现换能器与试件的耦合，同时填补换能器与岩石表面未能接触的空间，测量中根据不同的测量要求选用适当的耦合剂，岩石试件声波测试中，常采用硅油和凡士林作耦合剂，本试验采用凡士林作为耦合剂。超声波穿过岩石试件后由接收器接收，并测量出超声波穿过岩石的时间，用发射器和接收器之间的距离除以时间便得出超声波通过岩石的速度。3试件为100×100×100mm的大理石，进行超声波测试时是对未切割的试件毛坯（图1a，3尺寸约为300×300×100mm）按（图1a）中箭头所示方向进行多组对测，测试结果显示图中m13m00322100mm31300

7、mmab图1试件及超声波测试方向箭头1所示方向（垂直方向）几个测点纵波速度在4600m/s～4900m/s左右，箭头2、3所示方向（水平方向）测点纵波速度在5700m/s～6000m/s左右，（其中第1组试件数据见表1）。3测试完毕将试件毛坯按图1b所示分割成单个尺寸为100×100×100mm的试件.3该岩样的密度为2.7×1000㎏/m，抽样进行单轴抗压强度试验显示该岩石试件沿波速高的方向加压时其弹模值的