文摘
揭示地震波场的特征和法律幅频兴奋通过爆炸源,计算地震波频谱兴奋的方法研究了炸药。模型计算地震波频谱兴奋通过爆炸源收购以球形空腔的震源模型为基础。使用这个模型的结果表明,地震波的主要频率和带宽引起的爆炸影响最初的爆炸压力,爆炸的绝热膨胀,岩土参数,增加与减少最初的爆炸压力和绝热膨胀的增加。地震波的频率和带宽主要由炸药的爆轰的淤泥土相比增加23.2%和13.6%在淤泥里爆炸了。研究表明,本研究建立的理论模型可以描述地震波的特征光谱兴奋爆炸在一个相对准确的方法。
1。介绍
炸药是一种常见的震源用于刺激地震波人工地震勘探。它提供高频和宽的频率域实现地震分辨率更高,旨在满足更小、更薄,和更深层次的地震勘探的要求。考虑到爆炸源和激发介质的物理性质对地震波特性有显著影响,爆炸源和激发介质之间的理论关系参数和建立地震波的幅频特性,从而获得地震波满足地震勘探的需求,通过设计合适的炸药激发计划(1- - - - - -6]。
研究地震波形成过程引起的爆炸源,杰弗里斯等人建立了一个洞在一维空间振动模型,基于这一计算方法下球形空腔大小影响给出了(7- - - - - -9]。夏普获得了弹性波解析解的压力在墙上的球形爆炸空腔10]。针对点源爆炸的理论模型和研究的基础上,夏普,布雷克等人得到的解析解杜瓦尔的粘弹性介质中的弹性波模型和堆垛机11- - - - - -13]。同时,夏普也影响了炸药的爆轰压力源和地震波衰减随传播距离的增加使模型时考虑。模型的计算结果与真实的地震波形相似。然而,为模型,直接加载腔壁的爆轰压力实际上缺乏考虑动态爆炸过程。江(14)建立了模型的计算结果进行了比较与布雷克的11)模型。对于所有这些模型,塑料的影响区域对地震波在爆炸过程中简化。史蒂文斯等人提出的非线性模型,给出了爆炸塑料解决方案区域(15- - - - - -17]。这些模型可以建立炸药参数和地震波字段之间的关系。然而,由于他们都简化过程,炸药震源激发地震波,是不可能建立炸药震源参数之间的直接关系和地震波场特征。玉等人改善这个问题的源模型腔,并建立了理论模型的过程,炸药震源激发地震波场(18]。这种方法可以用于建立爆炸源的空腔,从而描述爆炸源的行动过程,初始参数之间的关系的爆炸源和弹性波场,和整个领域地震波特征导致球形炸药。然而,这些研究没有进一步研究了地震波的频率和带宽。
Schenk和Červeny研究密度之间的关系和比例的沙质土壤,和地震波的频率带宽成立在炸药爆轰过程中,基于装配关系模型相应的收购(19]。吴通过大规模的现场测试的测试结果,研究了粒子振动速度和其主要地下爆炸形成的地震波的频率在不同的位置。吴等人发现,基于上述研究,高频振动急剧变弱的能量随着距离的增加(20.]。林和白进行小波变换时频分析爆破振动的方法,它提供了一种新方法对地震波的频谱分析(21]。凌和李分析爆炸振动频带之间的关系和爆炸源参数的小波方法22]。Stroujkova采用现场测试分析地震波频谱由不同类型的炸药和获得之间的关系的低频能量爆炸地震波和爆炸性扩张指数(23]。可以看出,地震波的幅频特性密切相关的爆炸源参数和岩土介质参数。然而,这些研究没有考虑到地震波频率特性之间的定量关系和爆炸源和地球物理参数。
如果爆炸特性之间的关系,建立了地震波的幅频,地震波的振幅和频率可以控制通过选择不同类型的炸药。实现目标的精细勘探和地震波特性的控制通过改变爆炸源激励计划,模型,炸药震源激发地震波的幅频特征字段必须建立。
在这篇文章中,整个过程中,分析了炸药震源激发地震波的第一,然后,球形的理论描述了炸药震源激发地震波场,基于该计算方法形成的地震波场的幅频特性相应的爆炸源提出了。验证了该计算模型的适用性,通过现场实验。
2。建立地震波
爆炸地震波的振动是由弹性腔介质爆破后形成。在这个阶段,地震波特性不与介质的非弹性性质有关。被创建后,地震波与距离的增加逐渐变弱geomaterial在传播过程中。因此,研究地震波场的频率和振幅的规则应该从两个角度进行:地震波的创建及其传播媒介。
从炸药的爆轰过程形成的地震波是伴随着一系列的化学和物理变化。目前geomaterial爆破的炸药产生丰富的气体具有高速度和压力由于化学反应,进一步形成波(图的影响1(我)),在geomaterial直接应用。由于气体压力远远大于geomaterial-confined变形模量、爆炸附近的geomaterial成为液化承受巨大的能源影响爆破腔可以视为不可压缩流体介质的扩张。波的发展影响,峰值应力迅速向外传播过程中变弱。在这种情况下,波转化为应力波(图的影响1(2)和(3)),传播速度大幅降低,弹性前体和更高的速度比失败的波可以分离,从塑料获得波。塑性波的峰值和波速降低随着传播距离的增加,但弹性波速度保持不变。在这种情况下,当应力波的峰值压力降低到一定值,geomaterial将从塑料状态变换到弹性状态。一旦塑料波完全消失,爆轰波完全变成一个弹性波(图1(IV))此时此刻,这是一般的地震波。整个爆破波的衰减过程如图1,在这y方向是指爆破波压力和变化x方向是指一维爆轰过程。
geomaterial的应力-应变曲线如图2。geomaterial状态的压力下爆破波可以分为四个部分。在该地区靠近爆炸,爆破荷载应力远远大于geomaterial承压变形模量 。这个时候,geomaterial显示水动力特性与冲击波的传播媒介,与峰值应力逐渐下降。当geomaterial压力超过极限geomaterial力量 ,geomaterial将存在于一个破碎的形式,geomaterial变形模量 仍然增大随着压力的增加,影响波显示了弹性波和波转向不稳定的影响。条件下,应力值进一步降低但仍大于屈服点 ,加载状态发展到塑性状态,弹塑性波。然而,geomaterial变形模量 当时随压力的增加而减小。当压力低于极限弹性值 是一个常数,而应力波在弹性波的形式存在。因此,在能量转换方向,爆炸源形式爆破腔区域,非弹性区和弹性区序列的时候爆炸。
3所示。分析爆炸源的过程令人兴奋的地震波
球形腔震源模型可以用来描述之间的关系爆炸源和地震波场。对于这个模型,认为当爆炸发生时,爆炸冲击波压力激动的一瞬间会破坏源附近地区的媒介。在该地区附近爆炸加载区域,由爆炸释放的能量远远大于土壤介质压力和岩土强度。在这样的高压geomaterial显示流体属性。土壤介质粒子与爆炸冲击波将取代,而土壤中的水和气体介质将挤压出来,形成爆炸空腔。的传播和衰减的介质发生,冲击波压力将衰减直到低于强度中等的位置一定距离的令人震惊的来源。然而,兴奋中仍有弹性性质。于建立了球形炸药包地震波场模型假设下土壤中不是可压缩,爆炸过程和空腔形成的瞬间,和改变土壤中被忽视。基于上述模型,球形炸药爆破腔半径和塑性区半径可以获得相应的行动。
爆腔半径 在哪里
塑性区半径是 在哪里是爆炸半径,是初始炸药的爆破压力,绝热膨胀,是土壤介质的凝聚力,是土的内摩擦角中,是土壤介质的抗压强度,土壤的抗拉强度中等,拉梅系数。
介绍了线性径向应变和箍应变,简单的运动方程如下:
这个方程的解可以描述粒子的强迫振动下粘滞阻尼,和它的一般形式 在哪里
地震勘探分析地震波的频谱特性的角度主要频率和带宽。Schenk提出使用的频率的平均值0.7倍振动振幅值是位于振动信号的主要频率,也就是说, ,带宽 ,在哪里和分别是0.7倍的频率振动最大振幅所在的位置。分析地震信号的频谱特性,可以用来快速傅里叶变换过程时域信号转换为频域信号。
粒子的运动速度场的球形爆炸地震波兴奋的来源是简化为 在哪里
进行傅里叶变换公式(7):
也就是说,
速度谱是
4所示。讨论
根据公式(12),它可以被视为和是主要的参数影响的振动光谱特性的弹性波半径。为了分析带宽和参数之间的关系和 ,规范化进行了振动振幅,基于它可以看到,当保持不变,从50增加到150,主要频率没有变化,尽管25赫兹的带宽增加到35赫兹;当增加从50到100年,地震波的主要频率增加到50赫兹到165赫兹,而带宽保持不变。法律的变化如图3。这意味着影响带宽越大 ,更广泛的带宽;影响的主要频率越大 ,主要的频率就越高。自和爆炸参数和岩土介质参数密切相关,有必要分析每个爆炸参数的影响和岩土介质对地震波频谱参数。
(一)
(b)
4.1。爆炸源参数对幅频特性的影响
从公式可以算出(1),(5)和(12炸药爆轰速度的参数)D,最初的爆轰压力 ,绝热膨胀和爆炸会影响地震波的幅频特征。为了分析爆炸速度的影响D绝热膨胀和爆炸在地震波的幅频特征细节,geomaterial炸药震源的激发是作为基本数据来验证参数。1公斤TNT炸药来源,geomaterial介质粉砂粘土。TNT和粉砂粘土的详细参数,请参考表1和2。
替代数据的表1和2到公式(1),(3),(5)和(12),分别的数据爆炸压力,空腔,弹性区半径,和粒子振动速度频率和带宽的弹性部分半径,兴奋的球形炸药的爆炸源在粉砂粘土,可以获得相应的行动。为了研究爆炸源参数的影响规律变化的幅频特性,只有一个参数改变,而其他人都是在计算过程中保持不变。数据4- - - - - -9显示的变化形成的地震波的幅频特性与初始爆轰压力的变化,绝热膨胀和岩土参数的炸药。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
根据研究Henrych,常规炸药的爆轰压力范围5 - 10的GPa。在预测模型中,爆轰压力设置为4,8和12 GPa,保持其他参数如表所示1和2。图4显示了地震波的频谱与最初的爆炸压力变化:最初的爆轰压力增加时,地震波的频率降低,频带窄。爆炸空腔的大小和壁压爆轰后也是最初的爆轰压力密切相关。最初的爆轰压力的增加会导致压力的增加,爆炸源应用于geomaterial介质在爆炸的时候,从而形成较大的空腔。大爆炸空腔,空腔墙压力越低。腔的扩大规模降低了粒子振动频率。当最初的爆轰压力增加从4 GPa 12 GPa,主要从306.4 Hz频率减少到240.6赫兹,和440赫兹到350赫兹的带宽变弱。
炸药的绝热膨胀的衰减参数描述的最大应力状态引起的高压气体爆炸。指数越大,衰减越快。Opjiehko发现基于相对研究常规炸药的绝热膨胀是1.5 - -3.5。在预测模型中,绝热膨胀将是1.5,2.5,和3.5,分别,而保持其他参数如表所示1和2。图5显示了绝热膨胀的影响变化对地震波的幅频特性。增加的绝热膨胀,主要的地震波的频率增大,带宽拓宽。绝热膨胀增加时,爆破压力衰减的速度增加,爆炸空腔大小减少,地震波频率增加。绝热膨胀从1.5增加到3.5时,地震波的主要频率增加从185赫兹到350赫兹,而带宽增加从250赫兹到510赫兹。
增加爆炸地震波的频率和带宽,炸药在绝热膨胀增大,爆轰压力升高可以考虑增加频率,同时保证不减少的能量。同时,添加的炸药量的比例可以增加带宽和提高低频信号和减少的能量色散地震波传播时geomaterial媒介。这是导电深层地层的勘探。
4.2。Geomaterial参数对幅频特性的影响
通过引用的方法分析爆炸源参数对地震波频谱的影响,采用的方式改变一个参数来分析geomaterial参数对地震波的影响形成的爆炸性的来源。在geomaterial参数中,部分与地震波的幅频特征有密切的关系包括密度 ,抗压强度(图6),抗拉强度(图7),拉梅系数(图8),剪切模量(图9)。
当geomaterial的抗压强度增加时,地震波的频率增加,爆炸体积减少,地震波的频率增加。的抗压强度geomaterial从6 MPa提高到20 MPa,地震波的主要频率放大从147赫兹到252赫兹,而带宽增加从200赫兹到320赫兹。
据的分析部分2,球形炸药包将球形爆炸空腔后的均匀介质爆炸。在径向压力腔壁和geomaterial抗压强度处于平衡状态;压力在圆周方向和geomaterial抗拉强度处于平衡状态。这是贯通的结果抗拉强度和抗压强度。因此,抗拉强度的法律影响地震波的幅频特性类似于抗压强度。抗压强度越大,越小爆炸空腔(图8 (c))和地震波频率越大。当geomaterial的抗拉强度从0.4 MPa提高到8 MPa,地震波增强的主要频率175赫兹到190赫兹,而带宽增加从250赫兹到320赫兹。
拉梅系数越大,越大爆炸半径和地震波频率越低。当geomaterial蹩脚的系数从0.2的绩点增加到0.4的绩点,主要的地震波的频率减少了175赫兹到149赫兹和250赫兹到210赫兹的带宽降低。
尽管geomaterial的纵波速度影响的力学参数,它与geomaterial强度无关。所以,波速的变化不会改变爆腔和其内部的压力。在相同的应力条件下,geomaterial波速越大,弹性模量越大。在相同应力条件下,它导致较小的粒子,粒子所需短时间反弹,振动频率和振动周期短,但增加。因此,在geomaterial波速越大,地震波的频率就越高。当波速度从400米/秒增加到1200 m / s,地震波的主要频率增加从130赫兹到390赫兹,而带宽增加从190赫兹到560赫兹。
4.3。实验结果的比较
进行了现场实验来验证模型计算爆炸地震波的频谱兴奋的来源。在实验中,AN-TNT AN-TNT-AL, AP-RDX-AL-G作为地震的来源。炸药是嵌入式12米在地面以下。对于所有炸药,4公斤的数量。传感器嵌入到0.3米深度5米水平间隔。部署的铁板,铁板,见图10。428 xl的地震波记录数字地震仪由法国根据公司生产。绝热膨胀指数和爆轰压力如表所示3。,geomaterial参数如表所示4。
它可以发现从图11地震波频率兴奋的炸药爆轰压力低于高地震波频率兴奋通过常规炸药,其中AP-RDX-AL-G形成最大地震波频率,其次是AN-TNT-AL炸药。此外,AN-TNT和AN-TNT-AL显示基本相同的初始爆炸压力,但是后来的绝热膨胀指数是25%高于前者,和后来的频率明显高于前者,显示增加的带宽主要频率增加11.1%和9.38%。实验结果证明了理论模型的正确性,和炸药爆轰压力较低和低绝热膨胀指数较高的激发地震波频率和更大的带宽。
(一)
(b)
(c)
(d)
根据图12的比较结果,显示了地震波的频谱在不同geomaterials兴奋,地震波的主要频率兴奋在淤泥土,分别为23.2%,8.7%,38.5%,和10.74%更高的4点15米的位置,20米,25米、30米相比地震波在淤泥兴奋。无论是否geomaterial力量或拉梅系数、粉砂粘土比淤泥,能更好地激发地震波。这是符合理论模型所获得的结果。因此,在实际工程中,可以在淤泥进行炸药震源激发粘土和粘土代替淤泥。
(一)
(b)
5。结论
为了明确爆炸源之间的关系和地震波的幅频特性,模型预测地震波频谱兴奋的爆炸源成立于本文,它克服了问题爆炸源模型不能描述爆炸源参数定量,和geomaterial参数对地震波频谱的影响不足兴奋了炸药,引导精细勘探和生产提供理论依据。
该模型应用于分析爆炸源的影响参数对地震波频谱。结果表明,当初始炸药的爆轰压力从4 GPa增加到12 GPa,地震波的主要频率降低了从64.1赫兹到52.3赫兹,而带宽从62赫兹至48赫兹减毒;绝热膨胀从1.5增加到4.5时,地震波的主要频率增加从65.7赫兹到124.7赫兹,而带宽增加到55赫兹到132赫兹。低初始爆轰压力和高绝热膨胀可以有效提高地震波频率和频率带宽,从而提高地震勘探分辨率和促进检测向更深的层。当geomaterial抗压强度从6 MPa提高到20 MPa,地震波的主要频率增加从147赫兹到252赫兹,和带宽增加从200赫兹到320赫兹。当geomaterial抗拉强度从0.4 MPa提高到8 MPa,地震波增强的主要频率在175赫兹到190赫兹,和带宽增加从250赫兹到320赫兹。当瘸子系数从0.2的绩点增加到0.4的绩点,地震波的主要频率增加到175赫兹到149赫兹的带宽增加250赫兹到210赫兹。当波速度从400米/秒增加到1200 m / s,地震波的主要频率增加从130赫兹到390赫兹,和带宽增加从190赫兹到560赫兹。结果表明,爆炸源可能激发更高更难geomaterial地震波频率和带宽。
此外,进行了现场实验验证预测模型。的爆轰压力降低和绝热膨胀增加炸药可能导致增加的幅度,频率和带宽。此外,它还从实验中发现,相比地震波兴奋在淤泥中,地震波的主要频率兴奋在粉砂粘土增加了23.2%,8.7%,38.5%,和10.74%的4点15米的位置,20米,25米、30米,而带宽增加了13.6%,10.7%,8.76%,和14.3%,分别。实验结果表明,频谱计算模型可以描述炸药爆破地震频谱特征兴奋,它提供了理论依据指导精细勘探和生产。
应该指出的是,本文简化了geomaterial参数的预测模型,以快速预测地震波频谱。然而,简化参数可能影响地震波频率的计算,例如,爆炸可能导致介质的密度变化的影响在震源附近。此外,地震波的衰减效应geomaterial也可能影响整个地震波场的幅频特性。这些因素在未来需要进一步研究。
数据可用性
使用的数据来支持这个研究的发现文章中是可用的。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢的爆炸科学与技术国家重点实验室北京理工学院。这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。51678050)和中国国家重点研发项目(没有。2017 yfc0804702)。