某金礦深孔爆破振動信號EMD分析及安全評估*

劉建偉 魯 超 何文超1

（1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院；2.宜春市礦業(yè)有限責(zé)任公司；3.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

深孔爆破技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外礦山的開 采作業(yè)中。相比傳統(tǒng)的爆破方法，深孔爆破具有回采規(guī)模大、經(jīng)濟效益好等優(yōu)勢。但在深孔爆破過程中，一部分能量會以波的形式向四周傳播，對周邊的礦柱、采空區(qū)頂板及井下構(gòu)筑物產(chǎn)生影響，甚至?xí)饟p傷破壞，造成安全事故［1-3］。

某金礦為地下開采礦山，采用有底柱分段崩落法開采。礦體圍巖為角礫巖、鈉長石化板巖等，圍巖穩(wěn)固性好。礦石由構(gòu)造角礫巖和多階段熱液成因的膠結(jié)物所構(gòu)成，以鈉長角礫巖為主，礦石極難氧化，濕度小，粉礦有粘性但不結(jié)塊，其堅固性系數(shù)為8～10，中等穩(wěn)固。礦體厚度為50～70 m，傾角70°～85°，開采技術(shù)條件相對簡單。為評估該金礦井下深孔爆破對周邊采空區(qū)頂板、礦柱及構(gòu)筑物的影響，本研究借助經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（EMD）對現(xiàn)場測得的爆破振動信號進行分析，結(jié)合我國的爆破振動安全標(biāo)準，對該金礦井下深孔爆破做出安全評估，指導(dǎo)井下深孔爆破振動安全控制。

1 爆破測試

1.1 爆破參數(shù)

對1 100 m中段608礦塊的4#、5#進路進行爆破振 動測試。本次爆破為采礦進路中的上向扇形深孔爆 破，將第3、第4、第5排單排深孔爆破作為測試對象， 分別記為第1次、第2次和第3次測振。因為主要考慮 爆破振動對鄰近范圍（20 m）內(nèi)巷道及相鄰采空區(qū)的 影響，且該距離內(nèi)巖體較為致密，完整性好，礦柱受爆 破振動影響與巷道基本一致，故在相鄰進路底板布置1個測點。測點距第3、第4、第5排炮孔的距離分別為19、19和18 m。具體爆破參數(shù)見表1，測點布置見圖1。

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1.2 爆破測振儀器

本次爆破測振使用的儀器是加拿大MINIMATE PRO6型振動監(jiān)測儀，該儀器有良好的堅固性，外殼和接頭均為金屬材質(zhì)，且具有防水性，儀器如圖2所示。

現(xiàn)場爆破測試儀器參數(shù)設(shè)置：記錄模式為波形，記錄停止模式為自動停止，震動速度單位為mm/s，傳感器觸發(fā)水平為0.3 mm/s，精度為0.5 mm/s，分辨率為0.007 88 mm/s，采樣頻率為1 024 Hz，記錄時間為4.597 s。

1.3 測試結(jié)果

現(xiàn)場爆破振動的測試結(jié)果如表2所示，其中T向 代表橫向，V向代表豎向，L向代表徑向。

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將測得的爆破振動信號從振動監(jiān)測儀中導(dǎo)出，再利用MATLAB對每次測振信號不同方向的波形圖做頻譜分析，得到對應(yīng)的頻譜圖。限于篇幅，僅列出第1次測振的波形及頻譜圖，如圖3、圖4、圖5所示。經(jīng)分析可知，第1次測振信號T向的頻率主要分布在0～80 Hz，V向為10～90 Hz，L向為0～100 Hz；第2次測振信號T向的頻率主要分布在0～70 Hz，V向為10～50 Hz，L向為0～40 Hz；第3次測振信號T向的頻率主要分布在0～55 Hz，V向為20～80 Hz，L向為0～45 Hz。綜上所述，測振信號的頻率主要分布在0～100 Hz。

2 EMD分析

2.1 EMD原理與應(yīng)用現(xiàn)狀

EMD分解是由美籍華人Huang提出的［4］，特點是根據(jù)信號本身的特性來進行分解。分解所得的本征模態(tài)函數(shù)（IMF）需要滿足2個條件：①整個數(shù)據(jù)序列中，極值點的數(shù)量與過零點的數(shù)量相等或至多相差1；②信號關(guān)于時間軸局部對稱。EMD法的具體步驟：首先找到原始信號X（t）的所有極值點，分別對極大值點和極小值點進行插值擬合，得到信號X（t）的上、下包絡(luò)線Xma（xt）和Xmi（nt），按順序連接兩條包絡(luò)線的均值得到均值線m（1t），再用原始信號X（t）減去均值m（1t），就能得到新的信號h（1t），對信號h（1t）重復(fù)上述步驟，直到該信號滿足IMF要求，則該信號為第一階IMF，記為C（1t）。從X（t）中減去C（1t）得到剩余信號r（1t），將r（1t）作為新信號重復(fù)上述操作，多次循環(huán)后，原始信號X（t）可由n階IMF分量及殘差r（nt）組成，如公式

EMD分量具有一定的物理意義，其中C1分量為引入的高頻噪聲分量，最后的余量r（nt）表示信號微弱的變化趨勢或儀器漂零，中間分量前一部分為信號的優(yōu)勢頻帶分量，后一部分為信號的低頻分量，需要重點考慮的是信號的優(yōu)勢頻帶分量［5］。

EMD在爆破振動信號分析中應(yīng)用廣泛。曹曉立等［6］、王振寧等［7］和宗琦等［8］利用希爾伯特-黃變換（HHT）對爆破信號的時頻能量特性進行分析，并結(jié)合實際工程提出安全控制措施；李強等［9］、宋志偉等［10］利用HHT法研究爆破振動衰減規(guī)律；賈貝等［11］、劉小樂等［12］、邱賢陽等［13］借助HHT瞬時能量法識別雷管微差爆破延期時間?；贓MD分解存在模態(tài)混疊、端點效應(yīng)等不足，EEMD、CEEMD等改進的EMD分解法也逐漸得到應(yīng)用。費鴻祿等［14］、鄧青林等［15］、劉連生等［16］利用EEMD對爆破信號進行去噪分析，張亮等［17］、楊仁樹等［18］、李清等［19］將CEEMD分解應(yīng)用于爆破信號分析中。

2.2 信號的EMD分解

利用MATLAB對每次測振各方向信號進行EMD分解。其中第1次測振信號T向C2～C6為信號的優(yōu)勢頻帶分量，V向C2～C5為信號的優(yōu)勢頻帶分量，L向C2～C6為信號的優(yōu)勢頻帶分量；第2次測振信號T向C2～C5為信號的優(yōu)勢頻帶分量，V向C2～C5為信號的優(yōu)勢頻帶分量，L向C2～C6為信號的優(yōu)勢頻帶分量；第3次測振信號T向C2～C6為信號的優(yōu)勢頻帶分量，V向C2～C6為信號的優(yōu)勢頻帶分量，L向C2～C5為信號的優(yōu)勢頻帶分量。綜上所述，信號EMD分量C2～C6為優(yōu)勢頻帶分量，需重點考慮。限于篇幅，下面列出第1次測振信號T向的EMD分解圖，如圖6所示，以及第1次測振信號T，V，L向的EMD分解三維圖，如圖7所示。

2.3 信號的時頻分析

為更直觀地分析信號的時頻特性，進一步了解頻率、幅值與時間的關(guān)系，對每次測振信號EMD分量進行Hibert變換，得到信號的時間—頻率—幅值三維分布圖。限于篇幅，僅列出第1次測振信號的三維時頻圖，如圖8所示。

由三維時頻圖分析可知，3次測振信號T、V、L向的幅值主要集中在時間采樣點0～700個（時間0～0.68 s）、頻率0～100 Hz。說明信號的主要能量集中在0～100 Hz，為了對信號主要能量所在的頻帶進行細分，利用信號優(yōu)勢頻帶分量的EMD能量熵對爆破振動信號進行分析。

2.4 信號的EMD能量熵分析

為分析信號EMD優(yōu)勢頻帶分量C2～C6的能量關(guān)系，確定信號主能量分量，引入EMD能量熵進行研究［20］。設(shè)信號經(jīng)過EMD分解后得到一系列信號分量為C（it），對應(yīng)的分量能量E i為

式中，n表示信號分解得到的IMF個數(shù)，則信號的總能量E可表示為

各分量的能量與信號總能量的比值即為該分量的EMD能量熵Ti，則

利用MATLAB編程求解各測振信號優(yōu)勢頻帶分量的EMD能量熵，結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。

3次測振信號T向C2分量的EMD能量熵最大，信號的主要能量集中在C2分量；V向C2分量的EMD能量熵最大，信號的主要能量集中在C2分量；L向C4分量的EMD能量熵最大，信號的主要能量集中在C4分量。為了確定信號最大能量分量的頻率范圍，對主能量所在的分量進行頻譜分析，得到其頻帶分布，見表3。

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由表3可知，第1次測振信號T向C2分量的頻帶為5～17 Hz，V向C2分量的頻帶為13～31 Hz，L向C4分量的頻帶為3～12 Hz；第2次測振信號T向C2分量的頻帶為8～15 Hz，V向C2分量的頻帶為10～27 Hz，L向C4分量的頻帶為12～19 Hz；第3次測振信號T向C2分量的頻帶為10～22 Hz，V向C2分量的頻帶為34～47 Hz，L向C4分量的頻帶為5～11 Hz。由此可知測振信號T向主能量頻帶為5～22 Hz，V向為10～47 Hz，L向為3～19 Hz。

3 安全評估

爆破振動波T、L向?qū)儆谒椒较?，其中T向波在傳播過程中會對介質(zhì)體產(chǎn)生橫向剪切作用，L向波在傳播過程中會對介質(zhì)體產(chǎn)生徑向伸縮作用，均容易對鄰近礦柱造成影響；V向波在傳播過程中則對介質(zhì)體產(chǎn)生豎向剪切作用，容易對井下巷道頂?shù)装寮安煽諈^(qū)造成影響?，F(xiàn)根據(jù)測點深孔爆破振動信號，結(jié)合我國的爆破振動安全標(biāo)準（表4）［21-22］，分別對鄰近巷道、礦柱及采空區(qū)安全控制提出相應(yīng)技術(shù)措施。

3.1 礦山巷道及采空區(qū)

測點V向振動速度最大，達到21.7 cm/s，主能量頻帶為10～47 Hz，超過了我國最新爆破振動安全標(biāo)準（礦山隧道：主振頻率10 Hz≤f≤50 Hz，安全允許質(zhì)點振速18～25 cm/s）。由測點距爆源18～19 m可知，在距爆源0～20 m范圍內(nèi)，爆破振動會對采礦進路及運輸巷道造成不同程度的破壞。為保障后期作業(yè)及人員安全，可對所有采礦進路及距離進路20 m以內(nèi)的運輸巷道等進行噴錨支護，對其余相關(guān)巷道則根據(jù)巖性條件選擇支護方式，比如速噴混凝土等。同時爆破振動會導(dǎo)致鄰近采空區(qū)頂板圍巖冒落，產(chǎn)生

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注：爆破振動監(jiān)測應(yīng)同時測定質(zhì)點振動相互垂直的3個分量，表中質(zhì)點振動速度為3個分量中的最大值，振動頻率為主振頻率；頻率范圍根據(jù)現(xiàn)場實測波形確定或按如下數(shù)據(jù)選?。喉鲜冶苀＜20 Hz，露天深孔爆破10 Hz≤f≤60 Hz，露天淺孔爆破為40 Hz≤f≤100 Hz，地下深孔爆破為30 Hz≤f≤100 Hz，地下淺孔爆破為60 Hz≤f≤300 Hz。坍塌現(xiàn)場（井下已經(jīng)出現(xiàn)坍塌和冒落現(xiàn)象）。該金礦地表不允許陷落，不能采用強制崩落或自然冒落的方法處理采空區(qū)，建議對后期深孔爆破鄰近（20 m）采空區(qū)進行廢石膠結(jié)處理，穩(wěn)定地壓變化，保障井下空區(qū)安全。

3.2 礦 柱

對礦柱造成破壞影響的主要是爆破振動波中的T、L向。其中測點信號L向最大振速大于T向，最大達到18.6 cm/s，主能量頻帶為3～19 Hz，超過了我國最新爆破振動安全標(biāo)準（礦山隧道：主振頻率f≤10 Hz，安全允許質(zhì)點振速15～18 cm/s），爆破振動會對鄰近礦柱造成破壞影響。當(dāng)開采完成后，隨著地壓變化，礦柱可能進一步破壞，導(dǎo)致采空區(qū)垮塌。建議控制一次炸藥總量或改為70 mm深孔爆破。

4 結(jié)論

（1）本次爆破振動信號頻率主要分布在0～100 Hz，經(jīng)過EMD分解及能量熵的分析，獲得信號T向主能量頻帶為5～22 Hz，V向主能量頻帶為10～47 Hz，L向主能量頻帶為3～19 Hz。

（2）經(jīng)評估，信號V向和L向最大振速達到18.6～21.7 cm/s，均超過相應(yīng)安全允許振速。為保障深孔爆破鄰近區(qū)域生產(chǎn)安全，建議對所有采礦進路及距離進路20 m以內(nèi)的運輸巷道等進行噴錨支護，對鄰近采空區(qū)進行廢石膠結(jié)處理，以及控制90 mm深孔爆破一次炸藥總量或改為70 mm深孔爆破。