爆破震動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布特征

石長巖 趙興柱 姜洪波 李元輝

(1.中國有色集團(tuán)撫順紅透山礦業(yè)有限公司,遼寧 撫順 113321;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

爆破震動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布特征

石長巖1趙興柱1姜洪波1李元輝2

(1.中國有色集團(tuán)撫順紅透山礦業(yè)有限公司,遼寧 撫順 113321;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

研究爆破地震波的傳播規(guī)律，對礦山爆破震動(dòng)控制十分重要。以紅透山銅礦為工程背景，在礦山巷道布置爆破震動(dòng)信號(hào)測點(diǎn)，利用爆破振動(dòng)監(jiān)測儀采集測點(diǎn)實(shí)際生產(chǎn)爆破震動(dòng)信號(hào)?；谛〔ㄐ盘?hào)分析技術(shù)，采用MATLAB編寫相關(guān)程序，對信號(hào)進(jìn)行小波分解與重構(gòu)，優(yōu)選適合測試信號(hào)的小波基，開展微差爆破震動(dòng)信號(hào)能量分布特征研究。分析爆心距、總藥量及傳播方向3個(gè)因素對爆破震動(dòng)信號(hào)能量分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明：隨著爆心距增加，爆破震動(dòng)信號(hào)低頻部分所占總能量的百分比變大；采用多分段微差爆破，雖然總藥量增大，但是能量分布較均勻；在背向及側(cè)向兩個(gè)傳播方向上，爆破震動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布有一定差異，傳播方向?qū)φ饎?dòng)信號(hào)的能量分布影響顯著。

爆破震動(dòng) 微差爆破 小波基 能量分布

爆破震動(dòng)分析是爆破危害控制的基礎(chǔ)和前提。隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論與其他學(xué)科的交叉發(fā)展，具有自適應(yīng)特征的小波和小波包技術(shù)被引入到了爆破地震效應(yīng)研究領(lǐng)域，而且在分析爆破地震波這種非平穩(wěn)信號(hào)方面得到了很好地運(yùn)用[1]。何軍等[2]的研究成果表明采用小波分析方法能準(zhǔn)確地描述爆破地震信號(hào)特征。凌同華等[3-4]研究了單段爆破和多段微差爆破豎向震動(dòng)信號(hào)的頻帶能量分布特征。張智宇等[5]利用小波包技術(shù)分析了爆破振動(dòng)信號(hào)的能量分布特征隨起爆方式改變的變化規(guī)律。賈虎等[6]研究了水下爆炸沖擊波壓力信號(hào)各頻帶能量分布情況。陳士海等[8]采用小波分析和快速傅立葉變換相結(jié)合的方法研究了地震波沿各分區(qū)信號(hào)的頻譜及能量分布特征。

本研究對紅透山銅礦中深孔微差爆破進(jìn)行監(jiān)測，用小波分析技術(shù)對采集的爆破震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，開展爆破震動(dòng)信號(hào)能量分布特征研究，分析爆心距、總藥量及地震波傳播方向?qū)Ρ普饎?dòng)信號(hào)能量分布規(guī)律的影響，得到有效信息以便對礦山爆破震動(dòng)危害控制提供依據(jù)。

1 監(jiān)測方案

1.1 爆破震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測儀器選擇四川托普測控科技有限公司生產(chǎn)的UBOX5016爆破震動(dòng)智能監(jiān)測儀，該設(shè)備是針對現(xiàn)場爆破、震動(dòng)、沖擊、噪聲等測試專門優(yōu)化設(shè)計(jì)的，具有數(shù)據(jù)保護(hù)功能，能滿足此次監(jiān)測要求。性能參數(shù)如表1所示。

表1 UBOX5016 性能參數(shù)

監(jiān)測使用采樣率為5 kHz，采樣時(shí)間為1 s，負(fù)延時(shí)512 ms。震動(dòng)監(jiān)測中傳感器的安裝關(guān)系著監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，采用石膏剛性連接，將傳感器布置在基巖上，確保水平傳感器氣泡水平，3支傳感器相互垂直，并指向爆源方向，用以采集水平徑向、水平橫向以及垂直方向的爆破震動(dòng)信號(hào)(分別用1，2及3表示)。采集箱外觀和傳感器現(xiàn)場安裝如圖1所示。

(a)采集箱

(b)傳感器安裝

1.2 測點(diǎn)布置

監(jiān)測采場選在該礦山-707 m中段的29采場和35采場。該區(qū)域礦巖質(zhì)地堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)致密、孔隙率小、含水性微弱，礦石堅(jiān)固性系數(shù)為8～10，圍巖為10～14。圍巖主要為角閃斜長片麻巖、黑云母斜長片麻巖和輝綠巖，單軸抗壓強(qiáng)度基本都在70 MPa以上，巖石堅(jiān)硬致密，礦巖完整性系數(shù)為0.88。

在29，35監(jiān)測采場背向和側(cè)向分別布置傳感器。共布置7個(gè)測點(diǎn)，6個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)有效。圖2中，S1～S6表示測點(diǎn)位置，其中：S1～S4為背向測點(diǎn)，S5、S6為側(cè)向測點(diǎn)(背向：與巖石拋擲方向近似相反；側(cè)向：與巖石拋擲方向近似垂直)。

(a)29采場測點(diǎn)布置

(a)35采場測點(diǎn)布置

2 小波理論及小波基的選擇

2.1 爆破震動(dòng)信號(hào)頻帶能量表征

在小波多分辨分析條件下，爆破震動(dòng)信號(hào)s(t)滿足如下分層分解關(guān)系：

(1)

式中，f(t)為爆破震動(dòng)信號(hào)s(t)小波分解的低頻部分，g(t)為爆破震動(dòng)信號(hào)s(t)小波分解的高頻部分，下標(biāo)表示所對應(yīng)的分解層次。

令g0(t)=fN(t)，則

(2)

如果將爆破震動(dòng)信號(hào)s(t)進(jìn)行層次為N的小波分解和重構(gòu)，可得信號(hào)的總能量E為

(3)

由小波函數(shù)的正交性可知，上式的第二部分為零。因此，可以簡化為

(4)

式中，Ei為爆破震動(dòng)分量的小波頻帶能量，即

(5)

由此可得，不同頻帶爆破震動(dòng)分量的相對能量分布為

(6)

2.2 小波基的選擇

針對某一實(shí)測信號(hào)，分別用db3、db5、db7、db9對信號(hào)進(jìn)行小波分解與重構(gòu)，并得出誤差圖形，如圖3所示。從重構(gòu)誤差曲線中可以得出：db3、db5、db9均達(dá)到10-10數(shù)量級，而db7達(dá)到10-11數(shù)量級。因此小波基選擇為db7。

(a)db3誤差

(b)db5誤差

(c)db7誤差

(e)db9誤差

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)采樣定理，信號(hào)的采樣頻率設(shè)為5 kHz，則其奈奎斯特頻率為2.5 kHz。對信號(hào)進(jìn)行尺度為9的小波分解與重構(gòu)，所對應(yīng)的10個(gè)頻帶取值分別為0～4.883 Hz，4.883～9.766 Hz，9.766～19.531 Hz，19.531～39.062 Hz，39.062～78.125 Hz，78.125～156.25 Hz，156.25～312.5 Hz，312.5～625 Hz，625～1 250 Hz，1.25～2.5 kHz。

根據(jù)式(1)～式(6)，在MATLAB 7.0.1軟件下編寫程序，用db7小波基對信號(hào)進(jìn)行小波分析，得出爆破震動(dòng)信號(hào)頻帶能量百分比的分布特征。

3.1 爆心距對頻帶能量分布的影響

分析爆心距對頻帶能量的影響時(shí)，應(yīng)排除地質(zhì)因素、總藥量、高程等因素的影響。為此選取29采場監(jiān)測點(diǎn)S1和S2所測信號(hào)。29采場爆破條件如表2所示。

表2 29采場測點(diǎn)爆破條件

圖4表示測點(diǎn)S1及S2 3個(gè)方向上信號(hào)頻帶能量分布特征。從圖4可以看出，隨爆心距增加，信號(hào)中低頻能量比重增加，爆破震動(dòng)信號(hào)的主震頻率有向低頻發(fā)展的趨勢，而工程建筑物本身自震頻率往往較低。因此在爆破地震波傳播過程中，雖然強(qiáng)度不斷降低，但是其破壞作用有可能增強(qiáng)。在爆破危害調(diào)查中顯示，遠(yuǎn)處破壞比較嚴(yán)重，驗(yàn)證了這種規(guī)律。爆破震動(dòng)信號(hào)垂直方向的能量分布較廣，且低頻部分占有一定比重，對結(jié)構(gòu)物的破壞存在不利影響。

(a)S1-1和S2-1頻帶能量百分比分布

(b)S1-1和S2-2頻帶能量百分比分布

(c) S1-3和S2-3頻帶能量百分比分布

3.2 總藥量對頻帶能量分布的影響

分析總藥量對爆破震動(dòng)頻帶能量的影響時(shí)，應(yīng)排除爆心距、最大段藥量及場地因素等條件的干擾。為此選擇S1和S4進(jìn)行分析。爆破條件如表3所示。

表3 測試點(diǎn)爆破條件

從圖5中可以看出，總藥量較大的測點(diǎn)S4在3個(gè)方向上的信號(hào)能量均較分散，其主要原因在于S4點(diǎn)所測爆破分12段進(jìn)行，不同段的信號(hào)進(jìn)行疊加，起到降低爆破震動(dòng)效果的作用。

(a)S1-1和S4-1頻帶能量百分比分布

(b)S1-2和S4-2頻帶能量百分比分布

(c)S1-3和S4-3頻帶能量百分比分布

3.3 傳播方向?qū)︻l帶能量分布的影響

分析傳播方向?qū)Ρ普饎?dòng)信號(hào)頻帶能量分布的影響時(shí)，必須排除其他因素的影響。因此選擇同一次爆破不同方向測得的信號(hào)，取理想的3個(gè)測點(diǎn)S4，S5和S6進(jìn)行分析，其爆破條件如表4所示。

表4 測點(diǎn)爆破條件

根據(jù)上文分析，隨著爆心距的增加，爆破震動(dòng)信號(hào)能量向低頻轉(zhuǎn)移，但是測點(diǎn)S4、S5及S6并不符合這種規(guī)律。這是由于測點(diǎn)S6和S5測點(diǎn)在方向上與S4存在很大差異，S4在背向方向上，S6和S5在側(cè)面方向上。由圖6可以看出，背向爆破震動(dòng)信號(hào)能量主要分布在高頻帶，而在側(cè)向，較低的頻帶所占的能量百分比較大。

(a)S4-1、S5-1和S6-1頻帶能量百分比分布

(b)S4-2、S5-2和S6-2頻帶能量百分比分布

(c)S4-3、S5-3和S6-3頻帶能量百分比分布

4 結(jié) 論

(1)小波基的使用應(yīng)根據(jù)實(shí)際信號(hào)進(jìn)行選擇，本研究根據(jù)重構(gòu)誤差最小原則選取db7作為信號(hào)分析的小波基。

(2)隨著爆心距的增加，較低頻帶所占信號(hào)能量百分比增加，由于構(gòu)建物的自振頻率主要為低頻，因此在一定范圍內(nèi)，爆心距的增加不利于構(gòu)建物的安全?，F(xiàn)場危害調(diào)查顯示，爆源近區(qū)的破壞較少，主要以小塊墜石為主，而遠(yuǎn)區(qū)有大石塊脫落。

(3)微差爆破使爆破震動(dòng)能量分布更為均勻，大爆破多分段微差爆破，對生產(chǎn)安全能夠起到一定的保障作用。

(4)傳播方向?qū)Ρ普饎?dòng)信號(hào)的能量分布影響顯著，分析結(jié)果表明：在背向，能量主要分布在高頻帶；而在側(cè)向，較低的頻帶所占的能量百分比較大。

[1] 晏俊偉， 龍 源， 方 向，等．基于小波包變換的爆破地震波時(shí)頻特征提取及分析[J]．振動(dòng)與沖擊，2007，26(4)：25-29． Yan Junwei，Long Yuan，F(xiàn)ang Xiang，et al.Time-frequency characteristics extracting and analysis of blasting seismic wave based on wavelet packet transformation[J].Journal of Vibration and Shock，2007，26(4)：25-29.

[2] 何 軍，于亞倫，梁文基．爆破震動(dòng)信號(hào)的小波分析[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(1)：47-50． He Jun，Yu Yalun，Liang Wenji.Wavelet analysis for blasting seismic signals[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20(1)：47-50.

[3] 凌同華，李夕兵．單段爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布特征的小波包分析[J]．振動(dòng)與沖擊，2007，26(5)：41-43． Ling Tonghua，Li Xibing.Features of energy distribution of single deck blast vibration signals with wavelet packet analysis[J].Journal of Vibration and Shock，2007，26(5)：41-43.

[4] 凌同華，李夕兵．多段微差爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布特征的小波包分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(7)：1117-1122． Ling Tonghua，Li Xibing.Analysis of energy distributions of millisecond blast vibration signals using the wavelet packet method[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(7)：1117-1122.

[5] 張智宇，欒龍發(fā)，殷志強(qiáng),等．起爆方式對臺(tái)階爆破振頻能量分布的影響[J]．爆破，2008，25(2)：21-25． Zhang Zhiyu，Luan Longfa，Yin Zhiqiang，et al.Effects of detonation ways on energy distribution for different frequency bands of bench blasting[J].Blasting，2008，25(2)：21-25.

[6] 賈 虎，沈兆武．纖維爆炸索水下爆炸聲信號(hào)特征的小波分析[J]．振動(dòng)與沖擊，2011，30(9)：243-247． Jia Hu，Shen Zhaowu.Characteristics of underwater detonation acoustic signals of fiber-based detonating cord based on wavelet analysis and power spectrum[J].Journal of Vibration and Shock，2011，30(9)：243-247.

[7] 陳士海，魏海霞，杜榮強(qiáng)．爆破震動(dòng)信號(hào)的多分辨小波分析[J]．巖土力學(xué)，2009(S)：135-139． Chen Shihai，Wei Haixia，Du Rongqiang.Multi-resolution wavelet analysis of blasting vibration signals[J].Rock and Soil Mechanics，2009(S)：135-139.

(責(zé)任編輯 石海林)

·信 息·

新書推薦：露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖穩(wěn)定與安全防災(zāi)

作者介紹 南世卿(1958—)，東北大學(xué)兼職教授，河北聯(lián)合大學(xué)客座教授，現(xiàn)就職于河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司，副總工程師兼礦山設(shè)計(jì)研究院院長，博士。郵箱:nanshiqing@126.com

定價(jià)：36元；出版社：冶金工業(yè)出版社;出版日期：2013年11月。

內(nèi)容提要 石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采是我國由露天轉(zhuǎn)入地下開采較早的礦山。該礦的露天轉(zhuǎn)地下開采遇到的技術(shù)問題多、問題復(fù)雜及難度大，且有些問題其他類似礦山同樣會(huì)遇到，具有代表性、典型性，因此針對石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采關(guān)鍵問題的研究對類似礦山具有示范意義。本書即以石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下過渡開采過程面臨的現(xiàn)場實(shí)際安全問題為主要論題進(jìn)行分析研究，形成了一套露天轉(zhuǎn)地下安全開采的技術(shù)和思路，有效指導(dǎo)了石人溝鐵礦現(xiàn)場實(shí)踐。

石人溝鐵2004年結(jié)束露天開采并轉(zhuǎn)入地下，經(jīng)過30多年的開采，地表已形成2 900 m長、350～600 m寬、底面標(biāo)高為0 m的大型露天采礦場。石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下過渡中面臨著境界頂柱合理留設(shè)、防突涌突冒等技術(shù)問題，同時(shí)礦區(qū)內(nèi)存在著斷層、破碎帶給地下開采帶來的安全問題，，首采層形成采空區(qū)及非法采空區(qū)處理和礦柱回收等，都是露天轉(zhuǎn)地下開采礦山安全防災(zāi)技術(shù)研究的重要問題。本書研究采用物理實(shí)驗(yàn)測試、工程類比分析、極限平衡解析、數(shù)值模擬、CMS探測與實(shí)體建模、微震探測與預(yù)測預(yù)報(bào)等方法，建立了境界頂柱合理留設(shè)、防突涌突冒措施及斷層破碎帶下的采礦方案、采空區(qū)處理與礦柱回收方案和基于微震監(jiān)測技術(shù)的災(zāi)害防治與預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

該書研究、分析、總結(jié)出的成套露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖穩(wěn)定與安全防災(zāi)技術(shù)，為我國地下開采礦山提供了科學(xué)思路，形成的穩(wěn)定性分析及研究理論有利于補(bǔ)充巖體力學(xué)理論，對于該技術(shù)研究領(lǐng)域具有借鑒意義。提出的巖石破裂過程分析系統(tǒng)及分析方法，能夠分析得到露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖失穩(wěn)機(jī)理的漸進(jìn)動(dòng)態(tài)破壞過程，為露天轉(zhuǎn)地下圍巖失穩(wěn)機(jī)理研究提供了新的動(dòng)態(tài)可視化的分析手段。

該書介紹的研究成果應(yīng)用于石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的生產(chǎn)實(shí)踐，5 a多來的采礦生產(chǎn)實(shí)踐，有效地指導(dǎo)了礦山采礦安全生產(chǎn)，為礦山創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，礦山未發(fā)生境界頂柱失穩(wěn)及突涌突冒等安全事故，為礦山的安全生產(chǎn)、社會(huì)穩(wěn)定與和諧做出了突出貢獻(xiàn)。

Frequency Band Energy Distribution Characteristics of Blasting Vibration Signals

Shi Changyan1Zhao Xingzhu1Jiang Hongbo1Li Yuanhui2

(1.ChinaNonferrousMetalGroupFushunHongtoushanMiningCo.Ltd，F(xiàn)ushun113321,China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines,Shengyang110819,China)

Studying the propagation law of blasting seismic waves is very important for blasting vibration control.With Hongtoushan copper mine as the engineering background and setting measuring point of blasting vibration signal in the tunnel，blasting vibration signals in actual production were collected with vibration monitors.Based on wavelet analysis technology，and using MATLAB procedures，decomposition and reconstruction of the signal wavelet were made to select suitable wavelet for the gained signal.Then，energy distribution characteristics of millisecond blasting vibration signals were investigated.Effects of distance from blast center，total amount of explosives and propagation direction on the energy distribution law of blasting vibration signal were studied.The results showed that：With distance from blast center increasing，the low frequency portion of blasting vibration signal occupied larger percentage of total energy; When using multi-segmented millisecond blasting，the energy distributed evenly，although the total explosive increased; The energy distribution of blasting vibration signals in the back and lateral direction have some differences，and the propagation direction significantly impacts on the energy distribution of vibration signal.

Blasting vibration，Millisecond blasting，Wavelet basis，Energy distribution

2014-02-03

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013BAB02B01，2013BAB02B03),中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào)：N120701001，N120401007，N120801002)。

石長巖(1967—)，男，總經(jīng)理，教授級高級工程師。

TD235

A

1001-1250(2014)-08-006-05