基于小波包的某礦爆破震動信號分析

王柳， 邵亞建， 劉禮華， 劉劍， 尹麗冰

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西西華山鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341000）

震動是爆破的主要危害之一[1-3]，是一個涉及爆源、傳播介質(zhì)、受震物體，受爆破參數(shù)、地質(zhì)地層、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等因素影響的復(fù)雜過程[4-5].在地下礦山，頻繁爆破產(chǎn)生的震動對采空區(qū)、巷道、井筒、支護體、地表構(gòu)筑物和尾礦庫壩體的穩(wěn)定性造成了極大的危害，信號的獲取和分析研究是礦山爆破研究的重要內(nèi)容[6-7].小波包技術(shù)具有多分辨分析特性，適合處理爆破震動等非平穩(wěn)信號，針對小波技術(shù)只對低頻部分持續(xù)分解，造成高頻部分頻率分辨率差，小波包技術(shù)對信號高頻部分同樣細(xì)化分解，提高了信號高頻部分的分辨率，是一種更加精細(xì)的信號分析方法[8-10].為此，借助小波包技術(shù)對某礦爆破震動信號進行分析.

1 礦山與測試

1.1 礦山概況

該礦位于地表侵蝕面之上，是急傾斜中厚礦體，礦石、夾石和頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固性好；礦區(qū)含水層少，巖組富水性較弱，水文地質(zhì)情況較好.采用水平扇形深孔階段礦房法開采礦體（圖1），礦房沿走向布置，長度 56 m，寬度 12.7 m，階段高度50 m，頂柱 5 m，間柱6 m.炮孔由YT-28型鉆機鉆進，孔徑62～65 mm，孔深5～20 m，崩礦時采用導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)微差起爆，水平扇形炮孔由下往上逐排爆破，礦石靠自重下放到底部結(jié)構(gòu).

圖1 爆源、測點布置

1.2 儀器與測點

現(xiàn)場測試分 5 組（A、B、C、D、E）實驗，見圖 1，爆源集中在該礦79線的+372 m分段的采礦進路和切割巷道，測點（1、2、3、4、5）布置在+384 m 分段的放頂巷道.

測試儀器為BlastmateIII爆破測震儀[11]，當(dāng)質(zhì)點速度超過0.1 mm時，傳感器自動觸發(fā)，采樣持續(xù)時間6 s，D、E組采樣率 2 048，A、B、C組采樣率4 096， 為方便分析，對其進行抽稀，變成2 048.

1.3 測試結(jié)果

表1是測震儀記錄數(shù)據(jù)，圖2是B組實驗測試2號點的原始波形圖，噪聲充滿整個時間采樣坐標(biāo)，波形出現(xiàn)只有正值部分的異?，F(xiàn)象，信號分辨率差，分析前須進行去噪處理.

圖2 原始波形

表1 原始數(shù)據(jù)

表1 （續(xù)） 原始數(shù)據(jù)

2 小波包去噪

小波包去噪通常采用閾值法去噪，其基本步驟有[12-14]：①選定合適的小波基，對原始信號進行一定層次的分解；②確定閾值并對最底層小波包高頻系數(shù)進行閾值量化；③重構(gòu)最底層小波包低頻系數(shù)和經(jīng)過量化處理的高頻系數(shù)，得到真實信號.

爆破震動信號衰減迅速，常采用db和sym兩類小波基進行分析[15]，圖3是采用db8小波基對原始波形進行3層小波包分解去噪后的波形.去噪后，信號的質(zhì)點峰值速度 （PPV）由 0.152 0 cm/s變成0.153 0 cm/s，噪聲強度達到0.016 5 cm/s.

圖3 小波包去噪

3 小波包分解

奈奎斯特頻率為采樣率的一半[16]，故信號的頻率范圍為0～1 024 Hz，選定db8小波基對去噪后獲取的真實信號進行4層分解，則可獲取24個頻段長度為64 Hz的分信號，其對應(yīng)的頻率范圍分別為0～64 Hz、64～128 Hz、 …、960～1 024 Hz.0～64 Hz、64～128 Hz、64～192 Hz、192～256 Hz這 4 個頻段（圖 4）的分信號，幅值較大，有明顯的衰減，為信號分布的主要頻率區(qū)域.大于256 Hz頻段的分信號幅值很小，是信號的微弱部分，而爆破震動信號頻率通常是在200 Hz以下的區(qū)域，這也反證了小波包去噪的有效性.

圖4 4層小波包分解

4 實驗分析

測振儀記錄的數(shù)據(jù)變化復(fù)雜，規(guī)律性差.在相同爆破條件下，1、2、5號測點的速度和頻段分速度大致呈隨距離增大而變小的規(guī)律.而3、4號與1、2、5號測點相比，總速度和頻段分速度幅值大，其原因是1、2、5號測點與爆源中間隔有一條放頂巷道，震動波傳播實際距離比理論值更遠(yuǎn)，3、4號測點與爆源同側(cè)，震動波理論傳播距離即為實際傳播距離.

噪聲呈隨機、多變特性，與測試環(huán)境、傳播介質(zhì)等因素有關(guān)，但常與真實信號混疊，造成信號波形淹沒，使PPV增大或減小，降低原始信號的準(zhǔn)確性與可靠性.

總體而言，爆破震動速度在各頻段均勻分布，沒有明顯集中現(xiàn)象，見表2.但在一次爆破中，1、2測點頻段4的分速度相對頻段1、頻段2大，由于高頻振動波在傳播過程中容易被吸收，5測點頻段2的分速度相對頻段4大，也即隨著傳播距離的增大，速度有向低頻集中的趨勢.實際工程中，在井筒、地表等地，距離爆源較遠(yuǎn)，爆破震動波頻率易接近于構(gòu)筑物的固有頻率，產(chǎn)生共振效應(yīng)，加大爆破震動危害.

表2 頻段分信號

表2 （續(xù)） 頻段分信號

為得出速度V、藥量Q和距離R的關(guān)系，將國內(nèi)外普遍采用的薩道夫斯基公式是與爆破條件有關(guān)的系數(shù)、a是與傳播地層和介質(zhì)有關(guān)的衰減指數(shù)、ρ是藥量Q與距離R的組合值稱為比列藥量）引入，對去噪后的數(shù)據(jù)進行線性擬合，見圖5，得出a=1.459 5、k=10.657 0，也即該礦爆破震動速度的經(jīng)驗公式為

圖5 ln V與lnρ的線性擬合

5 結(jié) 論

1）噪聲易與真實信號混疊，造成信號波形被淹沒，使PPV增大或減小，降低原始信號的準(zhǔn)確性與可靠性.

2）真實信號在0～256 Hz均有分布，各頻段未見明顯集中現(xiàn)象，但在同一爆破中，隨著傳播距離的增加，速度有向低頻集中的趨勢.

3）通過線性回歸，得出該礦的薩道夫斯基公式衰減系數(shù)a=1.459 5、k=10.657 0，從而確定了爆破震動波衰減的經(jīng)驗公式，為礦山爆破設(shè)計提供了一定依據(jù).

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