一种监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置及方法

技术领域

本发明涉及边坡岩体稳定性监测技术领域，尤其涉及一种监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置及方法。

背景技术

我国每年爆破开挖的土石方量近80亿立方，其中70％以上采用台阶爆破,而爆破产生的有害效应不断影响着周围居民的正常生活,因爆破振动引发的事故和纠纷屡见不鲜。在人们环保意识不断增强和对生活环境要求不断提高的今天,控制爆破有害效应和保护周边环境安全是爆破作业的一项重要环节。为此,在爆破工程领域,预防和控制爆破有害效应已成为爆破工作者研究的热点，爆破有害效应包括爆破振动、飞石、有毒有害气体、爆破粉尘、爆破冲击波与爆破噪声等,其中爆破振动居爆破有害效应之首。

爆破地震效应是一个比较复杂的问题，它受到各种因素，如爆源的位置，炸药的药量大小，爆破方式，传播途径中的不同介质和局部场地条件等的影响。炸药在岩(土)体中爆炸时，一部分能量对炸药周围的介质引起扰动，并以波动形式向外传播。通常认为：在爆炸近区(药包半径的10～15倍)，传播的是冲击波。在中区(药包半径的15～400倍)为应力波。当应力波继续向外传播，波的强度进一步衰减，其作用只能引起质点做弹性振动，而不能引起岩石破坏，这种波称为弹性波。地震波是一种弹性波，它包含在介质内部传播的体波和沿地面传播的面波。

面波仅限沿地面传播，它是体波在自由面多次反射叠加而成，主要包含瑞利波和勒夫波。其特点是周期长、振幅大，传播速度较体波慢，但携带的能量较大。

爆破过程中造成岩石破裂的主要原因是体波的作用。而造成爆破地震破坏的主要原因是面波的作用。

目前，国内外学者主要是通过监测矿山生产爆破振动表面波的方式研究振动波的传播特性，研究方法多采用现场试验或数值模拟的方式，当进行现场试验时，采用的试验设备是以石膏、基岩和测振仪一体固定安放的方式来监测在振动波。虽然相关学者的研究取得了非常丰硕的成果，但是并未充分考虑这种方式只是监测的表面波而造成岩体破坏的主要是体波即内部传播振动波。

现有技术几乎未达到边坡岩体内部爆破的监测要求即较准确地将振动传感器X轴对准爆源中心或是较准确计量爆源中心与振动传感器X轴所夹角度，角度的误差会使数据与工程实际有一定偏差；现有技术将振动传感器下放岩体内部深处的方式较为费力繁琐，且难以达到保证振动传感器底部水平放置于岩体内部且和周围介质完全耦合的监测要求；由于边坡岩体工程环境复杂及供电不稳定，很难保证长期稳定地在线监测现场反复爆破振动情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置及方法，充分考虑岩体内部节理裂隙，岩层倾向不同深度岩性等对体波传播的影响，不仅可以监测爆破振动波的在边坡内部传播引起内部反复损伤和变形规律、也可以对降雨后岩石强度浸水弱化、干湿交替条件下的振动波传播影响程度进行研究，对水利水电工程以及矿山工程的浸水边坡稳定性、变形预测和防控问题的研究具有很好的借鉴意义。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置，包括测振仪、套管、测振仪电源线、天线、下放受力线、无线Ap网络组路由器、配电箱；

主体支撑框架为测振仪和套管；测振仪为圆柱形，用于监测岩体内部爆破振动波的相关参数和传播过程中的应力变化规律；测振仪包括测振设备及其密封保护外壳，测振设备的天线、电源线出线方向转换为顶端出线；套管为圆管型框架，包括若干段需要固定连接在一起的塑料pvc管，用于支撑上下加载方向的受力；主体基座为测振仪上部水平，即测振仪上部和套管底部连接处，下面为测振仪，上面为需要长度的套管；套管管口外直径为下面圆柱形测振仪上表面直径的0.6～0.8倍；测振仪上部设有一个圆截面的凸起，该凸起中固定有一根天线和一根测振仪电源线，天线和测振仪电源线下端均连接测振仪的相应端口，天线和测振仪电源线的上端伸出套管上端口连接配电箱上的对应端口；天线为测振仪提供信号，电源线为测振仪供电；下放受力线下端固定于测振仪上部凸起上，上端伸出套管上端口，用于施工人员牵拉；下放受力线的长度要大于下放的钻孔孔深和套管深，并且下放受力线长度要大于测振仪电源线和天线的长度，且受力程度要满足施工受力要求；无线AP网络组路由器为带4G软天线和2.4G天线的工业级路由器COMFRST，为测振仪实时采集数据上传云端提供可靠的WiFi信号；所述配电箱固定安装于钻孔口外周围安全处，里面存放无线AP网络组的路由器和电源插排，外表面设置测振仪标识，并作为保护装置。

另一方面，本发明提供一种监测岩体内部爆破振动波传播规律的方法，该方法通过上述监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置实现，具体步骤如下：

步骤1、将下放受力线与测振仪电源线和天线捆绑处理；

步骤2、将捆绑后的天线、测振仪电源线和下放受力线穿过需要长度的套管，然后将套管(各段塑料pvc管)依次用螺钉在接头处固定连接好；

步骤3、用石膏粉和水制作膏体，将制作好的膏体放于测振仪上端面上，包裹测振仪上部的天线、测振仪电源线和下放受力线的裸漏处；将膏体外形做成圆柱形，且膏体外直径为套管口内径，确保套管能够套在膏体上与测振仪上端面接触；待膏体凝固之前，将套管套在膏体外部与测振仪上端面接触；

步骤4、将测振仪和套管沿着事先打好的钻孔壁缓慢下放，下放时用力提拉下放受力线，确保测振仪不能急坠；测振仪接触到孔底后，确保钻孔口处的套管端口水平；

步骤5、下放完成后，根据下放时测振仪的x方向进行角度修正，即旋转套管至目标方向；测振仪x轴正对监测爆源中心；

步骤6、将搅拌好的水泥砂浆沿着套管壁外围均匀缓慢灌入钻孔，使测振仪被缓慢淹没。

步骤7、进行现场测试实验，将配电箱中电源和无线Ap网络组路由器连接好，开始供电，设置采集阈值加速度、预警值和采集时间，设置完毕等待当天爆破；登录测振仪的云端账号，确认测振仪在线，并确认数据采集情况；

步骤8、导出测试数据，根据该数据分析振动波特性和衰减规律，进一步分析步骤7参数设置的合理性，根据实际情况进行采集阈值加速度、预警值和采集时间的调整，分析边坡内部岩体受爆破振动损伤情况，以及节理裂隙发育情况、岩性、爆心距对振动波传播衰减的影响。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的监测岩体内部爆破振动波传播规律的方法，通过将爆破测振仪下放岩体内部实现了监测内部岩体损伤影响和内部节理裂隙、层理构造等对波传播衰减的影响。充分考虑岩体内部节理裂隙、岩层倾向、深度及岩性等对体波传播的影响，该方法不仅可以监测爆破振动波的在边坡内部传播引起内部反复损伤和变形规律、也可以对降雨后岩石强度浸水弱化、干湿交替条件下的振动波传播影响程度进行研究，对水利水电工程以及矿山工程的浸水边坡稳定性、变形预测和防控问题的研究具有很好的借鉴意义。本发明通过套管和测振仪结合的方式，保证了测振仪下放水平且方向正对目标位置，以灌浆的方法实现了和周围岩体完全耦合这一难点，保证爆破时测振仪数据采集的准确性，提高后期试验数据的精准性，对实际工程有指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的边坡坡体内部振动测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的测振仪内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的边坡坡体内部振动测试装置的主体支撑框架部分正视图；

图4为本发明实施例提供的边坡坡体内部振动测试装置的主体支撑框架部分俯视图；

图5为本发明实施例提供的套管连接方式示意图。

图中，1、测振仪；2、套管；3、下放受力线；4、无线Ap网络组路由器；5、配电箱；6、密封保护外壳；7、螺栓固定；8、螺纹密封连接；9、测振仪电源线；10、天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供一种监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置，如图1所示，该装置包括测振仪1、套管2、测振仪电源线9、天线10、下放受力线3、无线Ap网络组路由器4、配电箱5。

主体支撑框架为测振仪1和套管2。其中测振仪1为圆柱形，用于监测岩体内部爆破振动波的相关参数和传播过程中的应力变化规律。测振仪1包括测振设备及其密封保护外壳。本实施例中，测振设备采用四川拓普测控有限公司生产的iSV-316一体化智能振动传感器，传感器内置电磁感应线圈，当发生爆破振动时，切割磁场产生感应电动势，通过转换装置将产生的磁场型号转换为电信号，从而显示对应数值。本实施例对iSV-316一体化智能振动传感器进行加装密封保护外壳等基础准备工作，以适应现场工作环境，达到防尘防水目的。因此，本实施例设计了密封保护外壳6，其直径为65mm，通过螺栓固定7、螺纹密封连接8来保护iSV-316，转换天线、电源线出线方向为顶端出线，如图2所示。

套管2为圆管型框架，包括若干段需要固定连接在一起的塑料pvc管，用于支撑上下加载方向的受力。主体基座为测振仪1上部水平，即测振仪1上部和套管2底部连接处，下面为测振仪1，上面为需要长度的套管2，如图3所示。套管2管口外直径为下面圆柱形测振仪1上表面直径的0.6～0.8倍。

测振仪1上部设有一个圆截面的凸起，该凸起中固定有一根测振仪电源线9和一根天线10，测振仪电源线9和天线10下端均连接测振仪1的相应端口，测振仪电源线9和天线10的上端伸出套管2上端口连接配电箱5上的对应端口。电源线9为测振仪1供电，天线10为测振仪1提供信号，如图4所示。

下放受力线3下端固定于测振仪1上部凸起上，上端伸出套管2上端口，用于施工人员牵拉。下放受力线3的长度要大于下放的钻孔孔深和套管深，并且下放受力线3的长度要大于测振仪电源线9和天线10的长度，且受力程度要满足施工受力要求。

无线AP网络组路由器4为带4G软天线和2.4G天线的工业级路由器COMFRST，为测振仪1实时采集数据上传云端提供可靠的WiFi信号。

配电箱5固定安装于钻孔口外周围，里面存放无线AP网络组的路由器4和电源插排，外表面设置测振仪标识，并作为保护装置，防治不必要的人为损坏。

一种监测岩体内部爆破振动波传播规律的方法，通过上述监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置实现，具体步骤如下：

步骤1、将下放受力线3与测振仪电源线9和天线10捆绑处理。

步骤2、将捆绑后的下放受力线、测振仪电源线和天线穿过需要长度的套管2，然后将套管2的各段塑料pvc管依次用螺钉在接头处固定连接好，如图5所示。

步骤3、用石膏粉和水制作膏体，将制作好的膏体放于测振仪1上端面上，包裹测振仪1上部的下放受力线3、测振仪电源线9和天线10的裸漏处；将膏体外形做成圆柱形，且膏体外直径为套管口内径，确保套管2能够套在膏体上与测振仪1上端面接触。待膏体凝固之前，将套管2套在膏体外部与测振仪1上端面接触。

步骤4、将测振仪1和套管2沿着事先打好的钻孔壁缓慢下放，下放时用力提拉下放受力线3，确保测振仪1不能急坠；测振仪1接触到孔底后，确保钻孔口处的套管2端口水平，即能确保下放测振仪1也是水平的。

步骤5、下放完成后，根据下放时测振仪的x方向进行角度修正，即旋转套管至目标方向，这样测振仪方向且水平放置的目的就达到。测振仪x轴正对监测爆源中心。

步骤6、将搅拌好的水泥砂浆沿着套管壁外围均匀缓慢灌入钻孔，这样水泥砂浆会顺着套管外壁流下，不会出现飞溅情况，从而避免测振仪受到浇灌影响，而是被缓慢淹没。

步骤7、进行现场测试实验，将配电箱5中电源和无线Ap网络组路由器4连接好，开始供电，设置采集阈值加速度、预警值和采集时间，设置完毕等待当天爆破；登录测振仪的云端账号，确认测振仪在线，并确认数据采集情况。

步骤8、导出测试数据，根据该数据分析振动波特性和衰减规律，进一步分析步骤7参数设置的合理性，根据实际情况进行采集阈值加速度、预警值和采集时间的调整，分析边坡内部岩体受爆破振动损伤情况，以及节理裂隙发育情况、岩性、爆心距对振动波传播衰减的影响。

本实施例提供的监测岩体内部爆破振动波传播规律的装置及方法，操作简便，能够在边坡岩体内部不同深度长期在线监测爆破振动，能使爆破振动传感器水平放置且完全耦合，使得数据来源真实可靠。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。