弹性波理论及其在采矿中的应用

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1、采矿地球物理学概论作业弹性波理论及其在采矿中的应用院系：矿业工程学院班级：采矿07-4班姓名：施佳泉学号：01070111教师：窦林名年月：2010年4月摘要：弹性波传播过程的研究可采用采矿地球物理学中的微震法、声波法、声发射法等。采矿地球物理学是以弹性动力学为基础分析岩体震动、冲击矿压等动力灾害发生的机理。微震法是用于记录矿山开采应力随时间形成和重新分布、上覆岩层结构破坏、坚硬致密顶板岩层变形、顶板岩层下沉等动力现象。声波法主要用来解决开采方面的技术问题和地质问题的，30年代，声波法首次用来研究开采层的连续性及揭露其构造的非均匀性。其测量参数为地震波的传播速度，其后

2、用它们来确定矿压参数，特别是用来确定巷道周围的应力应变状态。声发射法主要用来确定正在掘进的巷道或正在开采的回采工作面的冲击矿压危险，即确定采矿巷道或煤层部分的冲击矿压危险状态；连续监测冲击矿压危险状态的变化；冲击矿压防治措施的评价及其效果的控制。弹性波理论及其在采矿种的应用一、地震地震学是地球物理学中发展最快、研究程度最高的一个分支学科。按照地震波源可将地震学分为两大类：天然地震学和爆炸地震学。前者是研究天然地震波，并利用它推断地球内部的物理性质和结构等。后者是研究人工激发的地震波，以获取区域构造和局部构造的信息，达到勘探和找矿的目的。按震源深度地震一般可分为三类：浅

3、源地震,中源地震和深源地震。破坏性巨大的浅源地震往往发生于板块内部,特别是发生在陆壳板块的内部,被认为是各种断层突发性活动的产物。岩石圈板块的运动有两种类型，一种是陆-陆碰撞，即碰撞发生于两个大陆板块之间；另一种是洋-陆俯冲，即在大陆板块和大洋板块之间进行。在陆-陆碰撞的情况下，地震主要沿着碰撞板块的结合带边缘分布，发生于碰撞形成的断层带内（图1）。由此引发的地震多数为浅源地震，也可有少量的中源地震发生。A.B.图1：岩石圈板块运动类型：A.陆-陆碰撞B.洋-陆碰撞（a）(b)（c）图2：有断层闭锁段的地震断裂示意图地震的弹性回跳假说(图2)：(a)地层受到剪切作用而

4、开始剪切变形；-8-弹性波理论及其在采矿种的应用(b)除闭锁段（由虚线椭圆围限部分）外，断层其他部分均以发生显著滑移；(c)断层闭锁段被彻底剪断而发生瞬时滑移，地震因断层闭锁段的弹性回跳而产生，闭锁段也随之消失。二、地震波在地球内部，由人工激发或天然原因产生的地震，其能量以波动形式向周围传播，这就是地震波。在讨论地震波的传播问题时，需要应用弹性力学的原理。弹性力学中，通常将介质视为均匀、各向同性及完全弹性的连续介质。尽管这些假设具有很大的近似性，但使许多基本理论问题的讨论简单化了。我们所讨论的地震波，其波长一般大于数百米甚至数千米。因此，从宏观上看，完全可以将地球视为

5、均匀和连续的介质。地震波理论中，将地球介质当作均匀、各向同性和完全弹性介质来处理，只是一种简化的假定。实践证明，这种假定可以简化分析过程，而且在多数情况下可以得到与观测数据近似的结果。严格地说，实际地层并不是完全弹性体，而是粘弹体。但这并不影响我们引用弹性力学的基本理论。地震波主要有两种类型：一类是能在整个地球介质内传播的体波；另一类是只能沿地球表面或分界面传播的面波。(1)体波弹性波的传播，实际上是弹性介质中质点间应变的传递。弹性介质中只有两种基本的应变——体应变和切应变。与体应变相对应的称纵波(P波)，与切应变相对应的称横波(S波)。纵波是在胀缩力的作用下，周围介

6、质只产生体积变化而无旋转运动，质点交替发生膨胀和压缩，质点的振动方向与波的传播方向一致，见图3（a）。横波是在旋转力的作用下，周围介质只产生转动而体积不发生任何变化，质点间依次发生横向位移，质点的振动方向与波的传播方向垂直，见图3(b)。只有在固体中才能传播横波。图3：地震纵波和横波引起的质点振动-8-弹性波理论及其在采矿种的应用在各向同性介质中，地震波的传播速度仅与本身的物性有关。(1-1)(1-2)式中vp、vs分别为纵、横波的传播速度，E为杨氏模量，σ为泊松比，ρ为介质密度。由式(1-1)与(1-2)可求纵、横波的速度比(1-3)对于大多数岩石来说，σ≈0.25

7、，vp≈1.73vs，可见P波比S波的传播速度要快得多。(2)面波面波是体波在地球表面或界面因干涉而产生的，常见的面波有瑞利(Rayleigh)波和拉夫(Love)波两种。瑞利波是一种沿空气与介质分界面(即地球表面或自由界面)传播的波。见图4，其质点振动有水平和垂直两个方向，运动轨迹为一个逆进椭圆，椭圆轨道的长轴垂直于地面，短轴与波的前进方向一致，长轴大致为短轴的一倍半。瑞利波的能量主要集中地表，瑞利波的传播速度vR较低，约为同一介质中横波速度vs的0.92倍。它的传播速度随频率升高而降低，即vR＝vR∞(1+a／f)(1-4)式中a为随频率而改变的