巖巷爆破振動(dòng)信號(hào)的HHT分析與應(yīng)用

孫 強(qiáng)， 王夢(mèng)曉， 徐玉山， 劉國有

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

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巖巷爆破振動(dòng)信號(hào)的HHT分析與應(yīng)用

孫 強(qiáng)， 王夢(mèng)曉， 徐玉山， 劉國有

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

摘要：為優(yōu)化爆破參數(shù)，減少對(duì)圍巖的損傷，以煤礦玄武巖雙巷道楔形深孔掏槽爆破的實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)為例，分析對(duì)比傳統(tǒng)傅里葉變換、小波變換、HHT變換三種變換方法，對(duì)爆破地震波信號(hào)的時(shí)頻特性和能量分布特征分析。結(jié)果表明： HHT變換能夠確保信號(hào)被分解后的非平穩(wěn)性，且自動(dòng)適應(yīng)能力較強(qiáng)，分解效率較高。通過HHT變換得到三維圖直觀展示各分量隨時(shí)間、頻率和能量的分布情況。爆破振動(dòng)能量主要分布在0.3s~1.0s時(shí)間段和0~400Hz頻率段內(nèi)，頻帶100Hz～250Hz中爆破振動(dòng)分量對(duì)應(yīng)的頻帶能量達(dá)到最大。通過分析對(duì)比爆破振動(dòng)信號(hào)，得到巷道幫部、底部爆破振動(dòng)信號(hào)的主振方向分別為Y(切向)和Z(垂向)方向。

關(guān)鍵詞：巖石巷道； 爆破振動(dòng)； 振動(dòng)信號(hào)； HHT； 時(shí)頻； 能量

1引 言

煤炭是我國不可缺少的基礎(chǔ)性能源, 其中巖石巷道掘進(jìn)是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，提高掘進(jìn)效率是礦井安全生產(chǎn)滿足采掘平衡的保障。在巖石巷道掘進(jìn)中，爆破振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境影響是無法避免的公害〔1〕。因此基于爆破振動(dòng)引起的爆破地震效應(yīng)的研究就顯得極為重要。針對(duì)爆破地震效應(yīng)，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，而且取得了豐碩的成果。研究成果多集中在地面以上(露天礦山、公路、鐵路)、地鐵和水工隧道等方面〔2-4〕。整體來看，在煤礦井下采掘爆破振動(dòng)的研究方面，主要采用薩式公式對(duì)爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回歸分析，對(duì)爆破地震波的頻率與能量分布關(guān)系研究較少〔5〕。工程實(shí)踐也表明〔6-7〕，若以單一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度作為衡量爆破振動(dòng)強(qiáng)度的唯一指標(biāo)，缺少對(duì)地震波頻率和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間、能量等因素影響的考慮，對(duì)于建筑物的實(shí)際破損情況在很多情況下也不能很好地反映。因此，本文針對(duì)硬度較大的巖石巷道爆破振動(dòng)信號(hào)分析進(jìn)行了相關(guān)的理論分析、比較和總結(jié)，選取HHT分析方法，有效提取爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特性和能量分布特征，對(duì)于巖石巷道爆破中降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，減少爆破振動(dòng)測(cè)試誤差，指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)均具有重要意義。

2爆破振動(dòng)信號(hào)分析方法

2.1不同的爆破振動(dòng)信號(hào)分析方法

對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)采用各種數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行分析與處理，可以提取各種時(shí)間、頻率的特征信息，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析與處理，全面地提取信號(hào)主要特征信息〔8〕?；趥鹘y(tǒng)傅里葉變換(FFT)理論，短時(shí)傅里葉變換(STFT)和小波變換(WT)在爆破信號(hào)處理中已作為分析信號(hào)的普適方法〔9〕。

(1)傅里葉變換處理信號(hào)僅限于局部的頻域范圍內(nèi)進(jìn)行分析，無法從時(shí)間域角度進(jìn)行信號(hào)分析。STFT以傅里葉變換為主要依據(jù)，是最常用的時(shí)頻分析方法〔10-11〕。STFT首先將時(shí)間窗加載到時(shí)間信號(hào)上，然后對(duì)時(shí)間窗的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，就可以從頻率和時(shí)間角度得到信號(hào)的短時(shí)時(shí)頻譜〔12〕，其表達(dá)式為：

(1)

式中：*為復(fù)共軛；g(t)為有緊支撐的函數(shù)；f(t)為原始數(shù)據(jù)信號(hào)。

(2)WT是分析數(shù)據(jù)信號(hào)部時(shí)頻特征的新方法，其特點(diǎn)是保持窗口的面積不發(fā)生變化，窗口的形狀可以隨著分析情況的變化而逐漸變化，即時(shí)間窗口和頻率窗口都可以隨著分析情況的變化而變化〔13-14〕。

2.2不同變換的比較

三種不同變換的基本性質(zhì)差異對(duì)比見表1。

表1　不同變換的基本性質(zhì)

通過比較可得：三種變換方法在信號(hào)分析采用的基函數(shù)不同，基函數(shù)不同則對(duì)信號(hào)的分解也不同，進(jìn)而得到差別較大的結(jié)果，無法進(jìn)行統(tǒng)一分析。傅里葉變換采用正弦或者余弦函數(shù)作為分解的基函數(shù)；小波函數(shù)的基函數(shù)是選擇預(yù)先設(shè)定的，不隨波自身的參數(shù)而改變，故選擇不同基函數(shù)時(shí)得出的結(jié)果差別較大，給分析帶來一定的困難；而EMD分析方法則是依據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)本身的特性，在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)性分解，沒有預(yù)定函數(shù)的選擇，這樣分解可以得到較好的分析效果。而且，EMD分解得到的IMF分量都是平穩(wěn)的，且比傅里葉變換和小波法有更強(qiáng)的局部特性。整體來說，HHT變換方法自動(dòng)適應(yīng)能力較強(qiáng)，分解效率較高，更適應(yīng)突變、衰減快的數(shù)據(jù)信號(hào)。

3實(shí)例與分析

3.1地質(zhì)條件與爆破條件

測(cè)試地點(diǎn)為大安山煤礦+400m西大巷，礦巖石類型主要為玄武巖(輝綠巖)，巖石致密度較高，層理節(jié)理不發(fā)育，巖石硬度較大。玄武巖堅(jiān)硬普氏系數(shù)： f=8～20。因巖石硬度較大，采用分段爆破。分段爆破中掏槽孔較為重要，其好壞直接影響其他炮孔的爆破效果，所以對(duì)掏槽孔孔就行分析研究。掏槽孔爆破參數(shù)見表2。

表2　掏槽孔爆破參數(shù)

3.2爆破測(cè)振儀的選擇與振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)應(yīng)用TC-4850爆破測(cè)振儀和Minimate Plus型爆破測(cè)振儀進(jìn)行巷道爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

巖石巷道掘進(jìn)爆破引起的洞內(nèi)振動(dòng)速度，最大值是出現(xiàn)在拱頂、拱腰或是拱墻，目前沒有達(dá)成共識(shí)。試驗(yàn)時(shí)從監(jiān)測(cè)的便捷性和不影響施工的角度考慮，將監(jiān)測(cè)儀器放置于底板的中心線與腰線上并加以保護(hù)盒，防止巖石拋擲過遠(yuǎn)砸壞傳感器，同時(shí)防止巖石碰到傳感器而觸發(fā)電平。監(jiān)測(cè)時(shí)每個(gè)特定距離布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即放置傳感器和信號(hào)接收器，傳感器布置和儀器保護(hù)盒分別如圖1和圖2所示。

圖1　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1　Site monitoring point layout

圖2　振動(dòng)測(cè)試儀器保護(hù)盒示意圖Fig.2　Vibration testing equipment protection box

3.3掏槽孔爆破振動(dòng)典型波形統(tǒng)計(jì)

在大安山硬度較大的玄武巖巷道進(jìn)行雙道巷楔形深孔掏槽爆破時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)，選取典型信號(hào)如圖3~圖4所示。

圖3　幫部爆破振動(dòng)信號(hào)典型波形圖Fig.3　Typical waveform diagram of blasting vibration signal

圖4　底部爆破振動(dòng)信號(hào)典型波形圖Fig.4　Typical waveform diagram of blasting vibration signal

爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

表3　玄武巖巷道幫部與底部爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)

根據(jù)分析對(duì)比已測(cè)波形可得，在大安山硬度較大的玄武巖巷道進(jìn)行雙道巷楔形深孔掏槽爆破時(shí)，幫部與底部的振動(dòng)信號(hào)分別在Y(切向)方向與Z(垂向)方向波速最大，所以其為主振方向。選取主振方向的典型波形如圖3和4所示。分析得：爆破振動(dòng)波形振蕩時(shí)間為10ms~20ms，間隔時(shí)間為25ms左右，與雷管的延時(shí)相符合，整個(gè)波形全部振蕩時(shí)間約為120ms。

3.4爆破振動(dòng)信號(hào)的HHT分析

圖5　爆破振動(dòng)信號(hào)的EMD分解Fig.5　EMD decomposition of blasting vibration signals

應(yīng)用MATLAB程序?qū)Υ蟀采矫旱V+400m水平巖石巷道掘進(jìn)爆破所監(jiān)測(cè)到的底部振動(dòng)信號(hào)典型波形圖4進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到11個(gè)IMF分量和趨勢(shì)項(xiàng)R，如圖5所示。每個(gè)IMF分量包含了不同的時(shí)間尺度，用不同的分辨率來反映信號(hào)的相關(guān)特性，說明經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解中分辨率具有自動(dòng)適應(yīng)性。分解出的所有IMF分量中，c1~c4分量頻率較高，相應(yīng)的波長較短，是振動(dòng)信號(hào)的主要組成部分。其中c1分量頻率最高，含有的能量極小，這說明c1分量是在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中引入了高頻率的噪聲，應(yīng)該在分析過程中除去噪聲。其他IMF對(duì)應(yīng)的每個(gè)分量的頻率依次降低、波長依次變長，直至分解得出趨勢(shì)余量R。表明在爆破振動(dòng)波傳播過程中高頻值已大大衰減，然而其幅值卻有不同程度的增加。

將所有分解得到的IMF分量分別進(jìn)行Hilbert變換，趨勢(shì)項(xiàng)R不存在頻率，因此只需要分析前11個(gè)IMF分量的瞬時(shí)頻率，如圖6所示。

圖6　IMF分量的Hilbert時(shí)頻譜Fig.6　IMF component of Hilbert

通過進(jìn)一步計(jì)算求出Hilbert二維能量譜(圖7)、Hilbert邊際譜(圖8)、Hilbert邊際能量譜(圖9)、瞬時(shí)能量譜(圖10)、三維能量譜(圖11)。

Hilbert二維能量譜形象反映出振動(dòng)信號(hào)能量與時(shí)間和頻率的分布關(guān)系，由圖7得出絕大部分能量都集中在時(shí)間段0.3s~1.0s和頻率0~400Hz范圍內(nèi)。從分辨率方面來說，基于測(cè)不準(zhǔn)原理的因素，傅里葉譜和小波譜的分辨率大大低于Hilbert譜，并且Hilbert譜非常形象和準(zhǔn)確的刻畫出在全局范圍內(nèi)信號(hào)的幅值隨著頻率和時(shí)間的變化規(guī)律。由圖8可以得出數(shù)據(jù)信號(hào)的能量與頻率的關(guān)系，而且可以得出能量主要集中在300Hz以內(nèi)。

圖7　Hilbert二維能量譜Fig.7　Dimensional Hilbert energy spectrum

圖8　Hilbert邊際譜Fig.8　Hilbert marginal spectrum

圖9　Hilbert邊際能量譜Fig.9　Hilbert marginal energy spectrum

圖10　瞬時(shí)能量分布譜Fig.10　Instantaneous energy spectrum distribution

圖11　三維能量分布譜Fig.11　Three-dimensional energy spectrum distribution

現(xiàn)階段對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)能量的研究多是分析其中兩變量之間的關(guān)系，無法同時(shí)對(duì)三個(gè)獨(dú)立變量進(jìn)行分析。論文引入爆破振動(dòng)三維能量譜圖，彌補(bǔ)了分析爆破振動(dòng)信號(hào)能量時(shí)無法將時(shí)間、頻率和能量進(jìn)行同時(shí)分析的弊端，在同一坐標(biāo)系內(nèi)可以同時(shí)分析各IMF分量隨時(shí)間、頻率和能量的分布規(guī)律。

從圖11爆破振動(dòng)三維能量譜圖可以得知爆破振動(dòng)能量主要分布在0.3s~1.0s時(shí)間段和0~400Hz頻率段內(nèi)，頻帶100Hz～250Hz中爆破振動(dòng)分量對(duì)應(yīng)的頻帶能量達(dá)到最大。其分布規(guī)律和信號(hào)經(jīng)過EMD分解后產(chǎn)生的結(jié)果是相符合的，更加確信的表明HHT方法在爆破振動(dòng)信號(hào)分析中的高效性和適用性。

4結(jié) 論

(1)通過分析對(duì)比FFT、WT、HHT三種變換方法，表明HHT變換是最新的爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析的方法，它擺脫了傅里葉變換理論的約束，將信號(hào)自身的固有特征以固有模態(tài)函數(shù)的形式進(jìn)行分離，確保了信號(hào)被分解后的非平穩(wěn)性，自動(dòng)適應(yīng)能力較強(qiáng)，分解效率較高。

(2)選用HHT變換進(jìn)行大安山煤礦硬度較大的玄武巖巷道進(jìn)行雙道巷楔形深孔掏槽爆破的爆破振動(dòng)信號(hào)分析，得到三維圖直觀展示各IMF分量隨時(shí)間、頻率和能量的分布情況。爆破振動(dòng)能量主要分布在0.3s~1.0s時(shí)間段和0~400Hz頻率段內(nèi)，頻帶100Hz～250Hz中爆破振動(dòng)分量對(duì)應(yīng)的頻帶能量達(dá)到最大。

(3)對(duì)大安山煤礦硬度較大的玄武巖巷道進(jìn)行雙道巷楔形深孔掏槽爆破現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分析對(duì)比數(shù)據(jù)得出：巷道幫部爆破振動(dòng)信號(hào)的主振方向?yàn)閅(切向)方向，巷道底部爆破振動(dòng)信號(hào)主振方向?yàn)閆(垂向)方向。

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HHT Analysis and application of blasting vibration in rock roadway excavation

SUN Qiang， WANG Meng-xiao， XU Yu-shan， LIU Guo-you

(School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

ABSTRACT：To optimize the blasting parameters and reduce the damage of the surrounding rock， the measured blasting vibration signal of the deep hole cutting blasting in the wedge of the double channel of coal mine was taken as an example. FFT, WT and HHT were compared and time-frequency characteristics and energy distribution of blasting seismic wave signal was analyzed.The analysis showed HHT method could ensure the signal non-stationary after being decomposed. The adaptive ability was the strongest of three and the decomposition efficiency was the highest. The distribution of IMF componented with time, frequency and energy were obtained by HHT method. The results showed that the energy of blasting vibration was mainly distributed in 0.3s~1.0s and 0~400Hz, and band energy corresponding to the blasting vibration componented in 100Hz~250Hz. Through the analysis of the blasting vibration signal, the main vibration direction of the tunnel section and the bottom blasting vibration signal were Z (vertical) direction and Y (tangential) direction were obtained.

KEY WORDS:Rock roadway; Blasting vibration; Vibration signal; HHT; Time frequency; Energy

中圖分類號(hào)：TD 235； U45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.001

作者簡介：孫 強(qiáng)(1962-)，男，博士、副教授，主要從事巖土工程專業(yè)方向的教學(xué)與科研工作。E-mail： sunq_208@163.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51274203)

收稿日期：2015-10-20

文章編號(hào)：1006-7051(2016)01-0001-07