深孔臺(tái)階爆破近遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)特征的試驗(yàn)研究

韓 亮， 辛崇偉， 梁書(shū)鋒， 劉殿書(shū)

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601； 2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

深孔臺(tái)階爆破近遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)特征的試驗(yàn)研究

韓 亮1， 辛崇偉2， 梁書(shū)鋒3， 劉殿書(shū)3

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601； 2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

為了探索深孔臺(tái)階爆破在近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的振動(dòng)特征，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用回歸分析、隨機(jī)分析及小波包分解技術(shù)，從爆破振動(dòng)信號(hào)的衰減規(guī)律、三分量特征、隨機(jī)特征及能量分布等方面對(duì)二者進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果顯示：振速三分量在近區(qū)的K、α值均大于遠(yuǎn)區(qū)，遠(yuǎn)區(qū)各分量的α值更為接近。振速三分量在遠(yuǎn)區(qū)的相關(guān)系數(shù)大于近區(qū)，且更接近1，三分量中垂向分量的相關(guān)系數(shù)最大。近區(qū)當(dāng)比例距離小于5時(shí)，徑向振速最大，比例距離大于等于5時(shí)，垂向振速最大。遠(yuǎn)區(qū)的垂向振速最大。無(wú)論在近區(qū)還是遠(yuǎn)區(qū)，切向振速一般最小。振速三分量在近區(qū)的變異系數(shù)大于遠(yuǎn)區(qū)，徑向振速的變異系數(shù)在近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)較為接近。最大段藥量或爆心距增加時(shí)，近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)的能量均向低頻帶流動(dòng)，近區(qū)的移動(dòng)速度更快，同時(shí)近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)能量分布的頻帶寬度也將趨于集中，近區(qū)的頻帶寬度更寬。

深孔爆破； 近區(qū)； 回歸分析； 衰減規(guī)律； 隨機(jī)變量； 能量分布； 小波包

深孔臺(tái)階爆破是礦山、巖土工程生產(chǎn)作業(yè)的主要方式，然而爆破帶來(lái)的震動(dòng)效應(yīng)也極大影響了周邊建筑設(shè)施的安全及邊坡穩(wěn)定。工程中通常采用薩道夫斯基公式估算測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度，受群孔效應(yīng)的影響，在爆破地震波作用區(qū)域，近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的預(yù)測(cè)誤差相差較大。

近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)可通過(guò)比例藥量ρ或者比例距離SD來(lái)界定，文獻(xiàn)[1]給出的深孔臺(tái)階爆破近區(qū)范圍ρ在0.24～0.87之間，中遠(yuǎn)區(qū)ρ在0.08～0.312之間；文獻(xiàn)[2]以振速衰減曲線的斜率為指標(biāo)，當(dāng)斜率小于-5時(shí)為近區(qū)，大于-5為中遠(yuǎn)區(qū)；文獻(xiàn)[3]建議將比例距離SD等于10作為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的分界。上述定義僅考慮了振速衰減規(guī)律的異同，并未對(duì)爆破振動(dòng)的其他特征進(jìn)行分析和比較。此外，爆破近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)屬于特定條件和場(chǎng)地下的相對(duì)區(qū)域，即便通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到的分布范圍，也很難推廣至其他工程。因此，對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐而言，了解二者在各自范圍內(nèi)的振動(dòng)特征比范圍定義更有意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的研究尚不多見(jiàn)，本文依托深孔臺(tái)階爆破現(xiàn)場(chǎng)工程，以大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬從衰減規(guī)律、三分量特征、隨機(jī)特征、能量分布等方面，揭示近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的主要振動(dòng)特征，研究成果對(duì)深孔臺(tái)階爆破具有積極的指導(dǎo)意義。

1 爆破振動(dòng)測(cè)試

1.1 測(cè)試方案及爆破參數(shù)

(1) 測(cè)試方案

試驗(yàn)場(chǎng)地位于北京水泥廠有限責(zé)任公司鳳山礦，由于監(jiān)測(cè)目的不同，近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)的爆破振動(dòng)測(cè)試分別位于兩個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)平整，地質(zhì)條件相差不大。試驗(yàn)中，以單段最大藥量、最大段群孔爆心距作為參數(shù)，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的比例距離，以此作為近、遠(yuǎn)區(qū)的度量。測(cè)線沿爆心布置，約4～10個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距10～30 m，所有測(cè)點(diǎn)均布置在爆區(qū)上平臺(tái)后方。近區(qū)測(cè)試位于測(cè)區(qū)Ⅰ，單段藥量為1 000～2 000 kg，爆區(qū)后方首個(gè)測(cè)點(diǎn)控制在距爆區(qū)40～50 m；遠(yuǎn)區(qū)測(cè)試位于測(cè)區(qū)Ⅱ，單段藥量為130～500 kg，首個(gè)測(cè)點(diǎn)位于爆區(qū)后方200～500 m，見(jiàn)圖1。

(2) 爆破參數(shù)

測(cè)區(qū)Ⅰ與測(cè)區(qū)Ⅱ爆破參數(shù)基本相同，如表1所示。

(a)

(b)

表1 現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)表

1.2 振動(dòng)衰減規(guī)律

測(cè)區(qū)Ⅰ與測(cè)區(qū)Ⅱ分別測(cè)得有效數(shù)據(jù)77組和122組[4]，進(jìn)行非線性回歸處理，可得爆破近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)水平徑向、水平切向及垂直向振速衰減規(guī)律與回歸曲線，見(jiàn)圖2和3。

圖2 近區(qū)水平徑向、切向、垂向振速回歸曲線

將回歸計(jì)算得到的爆破振動(dòng)衰減參數(shù)K和α值列于表2中。由表2可見(jiàn)，爆破近區(qū)中水平徑向、切向和垂向的K、α值均大于遠(yuǎn)區(qū)。表明爆源爆炸后，震動(dòng)波經(jīng)傳播路徑衰減后在近區(qū)的剩余爆破能量要大于遠(yuǎn)區(qū)，同時(shí)衰減速度也大于遠(yuǎn)區(qū)。相對(duì)于近區(qū)而言，振速三分量的α值在遠(yuǎn)區(qū)更為接近，表明遠(yuǎn)區(qū)的振速衰減已趨于穩(wěn)定，而近區(qū)因受多種爆破條件及群孔效應(yīng)的影響，振速三分量的衰減速度相差較大。

圖3 遠(yuǎn)區(qū)水平徑向、切向、垂向振速回歸曲線

表2 三方向K、α值比較

將非線性回歸的評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)列于表3中。

表3 三方向相關(guān)系數(shù)比較

由表3可見(jiàn)，遠(yuǎn)區(qū)振速三分量的相關(guān)系數(shù)大于近區(qū)，且更接近1，而無(wú)論在近區(qū)還是遠(yuǎn)區(qū)，垂向分量的相關(guān)系數(shù)均為最大。表明遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)在回歸擬合時(shí)的規(guī)律性要強(qiáng)于近區(qū)，同時(shí)垂向振速具有更加明晰的方向性，因此，在后續(xù)研究中，主要針對(duì)垂向分量展開(kāi)。

2 振速三分量的對(duì)比研究

將圖2和3中近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的觀測(cè)值及三分量回歸曲線分別繪于圖4中。由圖4可知，在爆破近區(qū)，當(dāng)比例距離SD<5時(shí)，大部分測(cè)點(diǎn)的水平徑向振速大于垂向振速；當(dāng)比例距離SD≥5時(shí)，大部分測(cè)點(diǎn)的垂向振速大于水平徑向振速。水平切向振速一般最小。在爆破遠(yuǎn)區(qū)，大部分測(cè)點(diǎn)的垂向振速大于水平徑向和切向振速。

根據(jù)前人研究[5]，在爆源距離為15倍孔深范圍內(nèi)，水平徑向振速大于垂向振速。由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)為深孔臺(tái)階爆破，炮孔均為柱狀藥包而非球形藥包。在爆破近區(qū)，群孔同時(shí)爆破產(chǎn)生的爆破震動(dòng)波仍有柱狀波陣面的特點(diǎn)，而柱面波在水平徑向的振動(dòng)速度最大。隨著傳播距離的增大，柱狀波陣面的特點(diǎn)逐漸減弱，群孔爆源才可看做點(diǎn)爆源，因此，爆破遠(yuǎn)區(qū)垂向振速最大。在水平方向上，切向分量通常小于徑向分量。

(a)

(b)

3 振速幅值的隨機(jī)特征

振動(dòng)觀測(cè)中，爆破條件、藥量、爆心距及衰減系數(shù)共同決定了爆破振動(dòng)幅值的大小。在同一塊場(chǎng)地，相同爆破條件下，每一次觀測(cè)點(diǎn)距爆心的比例距離一致，得到的爆破地震波幅值均不相同，因此，可以認(rèn)為在上述條件下觀測(cè)的爆破振動(dòng)幅值具備隨機(jī)變量的特征。

假設(shè)在爆破近區(qū)，同一比例距離處進(jìn)行了N次爆破振動(dòng)觀測(cè)試驗(yàn)，得到了N個(gè)爆破振動(dòng)幅值Vi，其中(i=1，2，3,…,N)；同樣在爆破遠(yuǎn)區(qū)也進(jìn)行了N次這樣的觀測(cè)試驗(yàn)，得到的N個(gè)振動(dòng)幅值為Ui，(i=1，2，3,…,N)。

根據(jù)隨機(jī)變量的分布特點(diǎn)，則有

(1)

(2)

上述正態(tài)分布的概率密度參數(shù)中，μ和σ2均為未知量，因此只能用樣本值Vi和Ui對(duì)σ2進(jìn)行估計(jì)。樣本分析時(shí)分別選取了近似同一的比例距離(近區(qū)為SD=6，遠(yuǎn)區(qū)為SD=40)下的13組振動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

由概率論知識(shí)可知，修正樣本方差S*2是總體方差σ2的無(wú)偏估計(jì)量。因此可以利用S*2對(duì)總體方差σ2進(jìn)行估計(jì)。

表4 相同比例距離下爆破近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)修正樣本標(biāo)準(zhǔn)差定義，有：

(3)

式中:n為樣本數(shù);xi為樣本數(shù)據(jù);x為樣本均值。

由于近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的振速不在同一數(shù)量級(jí)，上式得到的修正樣本標(biāo)準(zhǔn)差僅為絕對(duì)指標(biāo)，需對(duì)其進(jìn)一步處理，并用變異系數(shù)來(lái)表征隨機(jī)變量的偏差程度。

變異系數(shù)的計(jì)算，如下式，

(4)

式中:CV為變異系數(shù);x為樣本均值。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，近區(qū)振速三分量的變異系數(shù)均大于遠(yuǎn)區(qū)，表明近區(qū)條件下對(duì)振速的影響更為復(fù)雜，存在若干未知因素影響著爆破振動(dòng)的隨機(jī)性。同時(shí)，三分量中，徑向振速的變異系數(shù)在近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)較為接近，表明本試驗(yàn)中，徑向振速受未知因素的影響最小。

表5 爆破近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)振速變異系數(shù)

4 不同爆破條件下能量的分布特征

4.1 振動(dòng)信號(hào)的小波包分析

爆破地震波的產(chǎn)生、傳播以及對(duì)建筑物影響的過(guò)程，其本質(zhì)是能量在不同介質(zhì)中傳遞和轉(zhuǎn)移的過(guò)程。根據(jù)先前學(xué)者研究，同一爆破場(chǎng)地下，最大段藥量和爆心距[6-7]對(duì)能量的分布和衰減影響最大。因此，基于近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的實(shí)測(cè)波形，以小波包分析技術(shù)為研究手段，分析并比較最大段藥量和爆心距這兩個(gè)條件對(duì)能量在近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)分布和衰減的影響。

通過(guò)試算，選取sym8為最優(yōu)小波基，采樣頻率為8 000 Hz，小波包分解尺度為9。頻帶寬度依次為：0～7.812 5 Hz、7.812 5～15.625 Hz、15.625～23.437 5 Hz、…、3 992.187 5～4 000 Hz。由于爆破信號(hào)在高頻分布較少，這里只對(duì)第1～19頻帶的能量分布進(jìn)行研究，即0～148.437 5 Hz的頻帶范圍。

4.2 最大段藥量對(duì)近遠(yuǎn)區(qū)能量分布的影響

在近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)波形文件中，分別選擇爆心距一定，最大段藥量依次增大的樣本進(jìn)行小波包分解。樣本情況見(jiàn)表6。得到不同最大段藥量下，近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)各頻帶能量的分布情況，此處僅列舉第1～19頻帶，下同。見(jiàn)圖5。

表6 樣本概況

(a) 近區(qū)

通過(guò)圖5，可得到如下結(jié)論：

(1) 最大段藥量增加時(shí)，近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)各測(cè)點(diǎn)的低頻帶能量所占比例隨之上升，高頻帶能量所占比例逐漸下降，能量隨最大段藥量的增加向低頻流動(dòng)，且近區(qū)的流動(dòng)速度更快。

(2) 最大段藥量較小時(shí)，近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)能量在1～9頻帶均有分布，且近區(qū)的分布寬度較大；隨著最大段藥量的增加，能量分布趨于低頻，近區(qū)分布寬度仍大于遠(yuǎn)區(qū)。由于低頻接近建筑物的自振頻率，因此，最大段藥量的增加將給周邊建筑物安全帶來(lái)極大的影響。

4.3 爆心距對(duì)近遠(yuǎn)區(qū)能量分布的影響

在近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)波形文件中，分別選擇最大段藥量一定，爆心距依次增大的樣本進(jìn)行小波包分解。樣本情況見(jiàn)表7。得到不同爆心距下，近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)各頻帶能量的分布情況，見(jiàn)圖6。

通過(guò)圖6，可得到如下結(jié)論：

表7 樣本概況

(1) 爆心距增大時(shí)，近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)各測(cè)點(diǎn)的低頻帶能量所占比例隨之上升，高頻帶能量所占比例逐漸下降，能量隨爆心距的增加向低頻流動(dòng)，且近區(qū)的流動(dòng)速度更快。

(2) 爆心距較小時(shí)，近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)能量在各個(gè)頻帶均有分布，分布范圍較寬，且近區(qū)的分布寬度較大；隨著爆心距的增加，能量分布趨于低頻，相對(duì)而言，遠(yuǎn)區(qū)能量在低頻帶的集中程度更高。雖然能量隨著爆心距的增加在不斷衰減，但由于低頻能量的集中，將越來(lái)越接近建筑物的自然頻率，同樣對(duì)周邊建筑物有較大影響。

(a) 近區(qū)

(b) 遠(yuǎn)區(qū)

5 結(jié) 論

本文以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用回歸分析、隨機(jī)分析及小波包分解技術(shù)，從爆破振動(dòng)信號(hào)的衰減規(guī)律、三分量特征、隨機(jī)特征及能量分布等方面，對(duì)本例中深孔臺(tái)階爆破近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的振動(dòng)特征進(jìn)行了對(duì)比研究，主要結(jié)論如下：

(1) 振速三分量在近區(qū)的K、α值均大于遠(yuǎn)區(qū)，遠(yuǎn)區(qū)各分量的α值更為接近。振速三分量在遠(yuǎn)區(qū)的相關(guān)系數(shù)大于近區(qū)，且更接近1，無(wú)論在近區(qū)還是遠(yuǎn)區(qū)，垂向分量的相關(guān)系數(shù)均為最大。

(2) 近區(qū)當(dāng)比例距離小于5時(shí)，徑向振速最大，比例距離大于等于5時(shí)，垂向振速最大。遠(yuǎn)區(qū)垂向振速最大。無(wú)論在近區(qū)還是遠(yuǎn)區(qū)，切向振速一般最小。

(3) 振速三分量在近區(qū)的變異系數(shù)均大于遠(yuǎn)區(qū)，徑向振速的變異系數(shù)在近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)較為接近。

(4) 最大段藥量或爆心距增加時(shí)，從能量比例上看，近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)的能量都會(huì)向低頻帶流動(dòng)，近區(qū)的移動(dòng)速度要快于遠(yuǎn)區(qū)；同時(shí)近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)能量分布的頻帶寬度也將趨于集中，近區(qū)的頻帶寬度也要大于遠(yuǎn)區(qū)。

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Experimental study on vibration characteristics of deep hole bench blasting in both near and far field

HAN Liang1，XIN Chongwei2，LIANG Shufeng3，LIU Dianshu3

(1. Safety Engineering College, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China;2. School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing 100083, China;3. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

In order to explore the vibration characteristics of deep hole blasting in near and far field, based on field test, this paper used the regression analysis, random analysis and wavelet packet decomposition to carry on a comparative study from the attenuation, three-component characteristic, random characteristic and energy distribution of blasting vibration signals. The results show that the values ofKandαof the three-component of vibration velocity in the near field are both greater than those in the far field. The value ofαof each component in the far field is closer to each other. The correlation coefficient of the three-component vibration velocity in the far field is greater than that in the near field, and closer to 1. The vertical component in the three components is the largest. In the near field, when the scaled distance is less than 5, the radial velocity is the largest, otherwise, the vertical velocity is the largest. In the far field, the vertical velocity is always the largest. Both in the near and far field, the tangential velocity is generally minimal. The coefficient of variation of the three components of vibration velocity in the near field is larger than that in the far field, and the coefficient of variation of the radial velocity are close in the near and far field. When the maximum charge weight per delayed interval or distance is increased, energy in the near and far field gradually move toward the low frequency band, in which it moved faster in near field. At the same time, the frequency band width of energy distribution in the near and far field also tend to focus, and the frequency band width in near field is larger.

deep hole blasting; near field; regression analysis; attenuation law; random variables; energy distribution; wavelet packet

2016-11-10 修改稿收到日期：2016-12-19

韓亮 男，博士，1985年生

劉殿書(shū) 男，教授，博士生導(dǎo)師，1960年生

E-mail: lds@cumtb.edu.cn

TD235

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.011