工程爆破中地震效應(yīng)的分析及預(yù)測預(yù)報現(xiàn)狀

孟 彪 趙國強(qiáng) 賈世杰

（1.新疆雪峰科技（集團(tuán)）股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆雪峰爆破工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 爆破地震效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

介質(zhì)爆炸中的很大一部分能量轉(zhuǎn)化為在介質(zhì)中傳播的波，包括沖擊波、彈性應(yīng)力波和彈性地震波。沖擊波、應(yīng)力波和地震波之間有密切的關(guān)系，在傳播過程中，沖擊波經(jīng)過衰減轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力波，而壓縮應(yīng)力波衰減變?yōu)榈卣鸩ǎ瑐鞑ニ俣葲_擊波比應(yīng)力波衰減快且能量損失較大，但在波的作用范圍上，沖擊波比應(yīng)力波小的多。沖擊波和應(yīng)力波都屬于脈沖波，不具有周期性且都會對巖石造成不同程度的破壞，而地震波作為一種彈性波，其具有周期振動的特性，且地震波的抬升和下降的時間基本一致，此外地震波具有作用范圍大但破壞強(qiáng)度小的特點，當(dāng)巖石作為地震波的作用物時，它只能造成巖石內(nèi)部裂隙或微小孔隙的擴(kuò)張，并不能對其結(jié)構(gòu)造成明顯破壞。

1.2 主要特征

爆破地震波內(nèi)含有豐富的成分，波系較為復(fù)雜。爆破地震波主要由面波和體波構(gòu)成，面波繼

續(xù)細(xì)分，其內(nèi)部包括瑞麗波和勒夫波，體波包括p 波和s 波，p 波波速可達(dá)5-6 km/s，s 波的波速較p 波小，可達(dá)3-4 km/s，勒夫波具有震動幅度大、持續(xù)周期長的特點，傳播時攜帶的能量較大，相比體波，它的傳播速度較慢，且具有衰減慢的特點。體波和面波在工程爆破中所起的作用不同，體波在工程爆破中控制巖石破碎，面波控制產(chǎn)生地震效應(yīng)。

2 爆破振動的影響因素

工程爆破活動對周圍構(gòu)筑物、建筑物損害控制因素較多，破壞機(jī)理復(fù)雜，控制爆破振動的因素主要有3 個方面，即振動幅度、振動頻率、持續(xù)時間。按照產(chǎn)生及傳播過程劃分，可劃分為爆源因素、傳播介質(zhì)因素、測點因素3 類，爆源因素中最大段藥量起關(guān)鍵作用，其次炸藥參數(shù)、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)也對爆破振動起控制作用。振動波在傳播的過程中，主要是介質(zhì)因素、爆心距離和高程效應(yīng)影響著波的發(fā)展，其中爆心距為關(guān)鍵因素。

目前，在研究各控制因素對爆破振動的影響規(guī)律時，通常采用回歸分析法、灰色關(guān)聯(lián)法、顯著性檢驗法和相關(guān)分析法等，應(yīng)用較為廣泛且成熟的是回歸分析法?；貧w分析通常利用線性回歸法或非線性回歸法結(jié)合相應(yīng)的爆破振動經(jīng)驗公式進(jìn)行預(yù)測，依托現(xiàn)場測振數(shù)據(jù)，計算得到回歸系數(shù)，揭示振動傳播規(guī)律，對比線性回歸法和非線性回歸法，通常非線性回歸法得到的經(jīng)驗公式，振動預(yù)測結(jié)果更接近真實值。

3 爆破振動測試

3.1 國外測試儀器應(yīng)用現(xiàn)狀

在測振儀的研發(fā)上，大部分國家都選擇在多功能、便攜式、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化等方面謀求突破，國外振動測量儀表類型見表1。

3.2 國內(nèi)測試儀器應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)，遵循智能、科學(xué)、精細(xì)、規(guī)范的原則，數(shù)字爆破測振因此正向更加有利爆破振動控制的方向發(fā)展。目前國內(nèi)技術(shù)成熟且應(yīng)用較為廣泛的爆破振動監(jiān)測儀器列舉如下。1）TC-4850 型測振儀。由成都中科測控研發(fā)的智能爆破測振儀，常配套891-II 型速度/加速度傳感器使用，自帶液晶顯示屏，現(xiàn)場直接設(shè)置各種采集參數(shù)，并能即時顯示振動波形、峰值、頻率， 無須電腦支持。具有集成度高、精度高、攜帶方便、堅固耐用等特點。2）TC-4850N 型網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實時爆破振動測振儀。由鐵科院研發(fā)，除具有TC-4850 型測振儀的功能外，還具有無線信號接受和發(fā)射功能，能夠運用3G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作，即使在沒有網(wǎng)絡(luò)的地方也可通過間接傳輸和專用VPN 通道傳輸?shù)接脩羰种?，流程安全可靠，極大優(yōu)化了技術(shù)人員的工作環(huán)境。3）UBOX 爆破測振儀器。該儀器由四川拓普測控科技有限公司生產(chǎn)，配套相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄儀器的使用，該儀器攜帶便捷，測試數(shù)據(jù)處理正確且簡單可靠。4）TOPBOX 振動信號自記儀。該儀器可離線工作，斷電自動保存數(shù)據(jù)，不會造成數(shù)據(jù)丟失無無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，但該儀器年代久遠(yuǎn)，功能大多被先進(jìn)產(chǎn)品替代。5）iSensor 三軸智能傳感器。該儀器由四川拓普公司最新研發(fā)，支持離線監(jiān)測、在線監(jiān)測和無線監(jiān)測，且具有一定的防水功能，可在惡劣天氣下工作。離線檢測時滿電狀態(tài)下可連續(xù)工作48 小時，關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)自動保存在傳感器中不丟失，離線狀態(tài)下傳感器獨立工作，無需連接終端設(shè)備，測試結(jié)束后連接電腦可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。在線狀態(tài)下，傳感器需連接電腦，實時控制儀器，實時下載測試數(shù)據(jù)，要求工作人員必須現(xiàn)場操作。無線狀態(tài)下，支持WIFI 或手機(jī)熱點連接，支持單臺儀器工作或依托路由器完成多臺儀器組網(wǎng)監(jiān)測，具有在線監(jiān)測的優(yōu)點，但允許工作人員遠(yuǎn)程操控，此外該儀器可同時完成三通道的振速、頻率、加速度監(jiān)測，監(jiān)測頻率范圍覆蓋0.01Hz -1kHz，此外，其上還搭載“TopCloud 云端綜合監(jiān)測平臺”。

表1 國外振動測量儀表類型列舉

現(xiàn)場測試結(jié)果如圖1 所示，圖1 為運用matlab 軟件分析振動數(shù)據(jù)所得，圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）分別表示X、Y、Z 三通道所測得的振動波形圖，此外監(jiān)測儀器自帶的分析軟件Data Anlysis”也可進(jìn)行一些簡單的數(shù)據(jù)分析，比如繪制速度波形圖、加速度波形圖，還可通過標(biāo)線的形式直接反饋波形任一點的峰值振速和主振頻率，測試結(jié)果也可導(dǎo)出word 文字版報告、excel 原始數(shù)據(jù)表格和工程文件形式，用于后續(xù)分析?，F(xiàn)場試驗，該儀器現(xiàn)場測試效果突出。

3.3 監(jiān)測點選擇及儀器安裝

在監(jiān)測點的選擇時要明確監(jiān)測目的，明確是保護(hù)建筑物為目的或是礦山爆破以優(yōu)化爆破參數(shù)、提高爆破方量為目的。當(dāng)以保護(hù)建筑物為目的時，遵循“最近原則”、“最弱原則”、“最重要原則”?！白罱瓌t”指當(dāng)爆源附近有多個建筑物時，監(jiān)測儀器放置在距離爆源最近的建筑物附近，距離近的建筑物更容易受到破壞，“最若原則”同理，即監(jiān)測點布置在抗震能力最弱的建筑物附近，若有核電站等重要構(gòu)筑物分布于爆源附近時，須遵循“最重要原則”，如被保護(hù)建筑物呈直線分布，布點時按照等距直線原則，以爆源為對稱線向兩測均勻布設(shè)。以礦山爆破優(yōu)化為目的時，如監(jiān)測某一地下礦山巷道或進(jìn)路爆破振動時，遵循直線布點的原則布置測點，測振儀器通道指向爆心，布點間距按照對數(shù)原則，有利于測振數(shù)據(jù)的線性回歸分析，布設(shè)測點一般不少于5 個。

4 爆破信號分析現(xiàn)狀

圖1 數(shù)據(jù)分析（電子雷管測振）

常見的測振信號分析方法主要有小波理論、傅里葉變換法、HHT 變換法等，幾種方法在不同的時間節(jié)點上推動了對爆破振動的分析，隨著技術(shù)的成熟，廣大學(xué)者對集中分析方法做出了不斷改進(jìn)，但幾種方法在振動信號的分析中仍存在著不同局限性。

常規(guī)傅里葉變換法（FT）可以形象、清晰地表示爆破振動下不同頻率分布區(qū)域在各種爆破振動影響因素下的變化規(guī)律，但它無法將時間、頻率結(jié)合分析得出時頻分布規(guī)律，且該方法對于非平穩(wěn)測振信號的處理情況也不樂觀?；谏鲜鰡栴}，有學(xué)者提出了短時傅里葉變換法（STFT），該方法具備自適應(yīng)得特點，且能夠?qū)r、頻結(jié)合分析，反映測振信號時域、頻域的變化規(guī)律，使得分析更加全面，但對于非平穩(wěn)信號的分析，雖然最終可以獲得相對平滑的時頻分布，但對于劇烈波動的信號，在分析時易受時、頻分辨率的影響，分析受到很大限制。

小波分析（WT）、小波包變換（WPT），彌補(bǔ)了傅里葉變換法在非平穩(wěn)信號時頻分析上的局限。小波分析同樣具有一定的自適應(yīng)變化性，其本質(zhì)是基于一種時頻窗口結(jié)構(gòu)，對爆破振動信號進(jìn)行區(qū)域精確分析，但在分析時須主觀選取小波基底，因此容易造成誤差，且小波基具有時長的限制，這些問題的存在使該方法受到一定的局限。小波包分析以小波分析視為基礎(chǔ)，對小波分析時的局部模糊部分進(jìn)行了精細(xì)解析，一定程度上優(yōu)化了小波分析。

希爾伯特—黃變換（HHT），由于其在信號分析上的優(yōu)越性，目前已被國內(nèi)外眾多學(xué)者廣泛應(yīng)用到爆破信號的分析中。分析包含兩個步驟，EMD 分解和Hilbert 變換，EMD分解是HHT 法相對其他振動信號分析手段具有優(yōu)越性的的關(guān)鍵，利用EMD 分解可以把非線性、非穩(wěn)定性，以及具有各種波動尺度或各種發(fā)展趨勢的信號逐一分解，得到具有不同尺度和在任意時刻具有平穩(wěn)頻率的IMF 分量。第二步，IMF 分量的Hilbert 變換，最終通過算法得到能夠表征時間—頻率—能量分布規(guī)律的三維圖譜，通過該圖譜可分析得到振動波能量在各頻帶范圍的分布規(guī)律。

對比以上三種爆破振動信號分析手段，HHT 法具有以下優(yōu)點。1）傅里葉變換法對于變化劇烈的非線性非平穩(wěn)振動信號的分析存在較大的局限性，而小波分析和小波包分析盡管從理論上可以解析非線性非穩(wěn)定振動信號，但從實際算法上并沒有真正進(jìn)行對非穩(wěn)定信息的解析，HHT 通過EMD 分解和Hilbert 變換完成了對非線性非平穩(wěn)信號的分析，突破了其他信號分析手段的難點。2）HHT 法的高度自適應(yīng)性，決定了它可產(chǎn)生自適應(yīng)基，這區(qū)別于傅里葉變換法和小波變換局限于一組固定先驗基底的問題。3）HHT法分析后最終所得的是瞬時頻率，能夠展示局部特征，小波分析和傅里葉變換分析得到的頻率，精度遠(yuǎn)不及HHT 分析得到的瞬時頻率。

雖然運用HHT 法分析爆破信號具有更好的效果，但在某些方面，HHT 法也存在不足，如其在頻率分辨方面，HHT 法存在高頻區(qū)域?qū)φ駝有盘柗直媛什桓叩膯栴}，在振動信號的低頻區(qū)域容易出現(xiàn)不合理成分的問題。

5 爆破振動預(yù)測預(yù)報模型研究現(xiàn)狀

隨著計算機(jī)技術(shù)延伸到采礦行業(yè)中，尤其在爆破領(lǐng)域，其大大推進(jìn)了爆破振動強(qiáng)度的預(yù)測預(yù)報手段的進(jìn)步，如先進(jìn)的數(shù)值模擬手段和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，逐步取代了經(jīng)驗公式預(yù)測和理論預(yù)測等傳統(tǒng)的預(yù)測手段。

5.1 經(jīng)驗公式預(yù)測

各國學(xué)者考慮藥量、爆心距等因素提出經(jīng)驗公式在各國爆破領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如中國廣泛運用的薩道夫斯基公式、美國礦務(wù)局的經(jīng)驗公式、日本的經(jīng)驗公式、英國1950 年莫里斯經(jīng)驗公式、1978 年瑞典郎格福爾斯公式、P.B.Attewell 等人的經(jīng)驗公式以及印度采用的標(biāo)準(zhǔn)公式。經(jīng)各國學(xué)者大量實驗證明，這些經(jīng)驗公式雖形式各異，但預(yù)測效果差異不大。

經(jīng)驗公式預(yù)測法較為傳統(tǒng)且由于爆破振動的影響因素諸多，若只考慮藥量、爆心距等因素，無法對振動強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，預(yù)測精度不是很高，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的出現(xiàn)，使多種控制因素加入對爆破振動的預(yù)測，使得預(yù)測結(jié)果精確度提高。

5.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

圖2 為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系圖，如圖所示BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型內(nèi)部包括隱含層、輸入層、輸出層，通過特定類型的可微函數(shù)，實現(xiàn)各神經(jīng)元之間的信息傳遞，據(jù)此可以建立輸入層和輸出層的映射關(guān)系，此映射具有非線性特征，映射建立后將控制爆破振動的各參數(shù)按照各神經(jīng)元之間的映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)運算，通過計算最終得到預(yù)測值。具體數(shù)學(xué)運算步驟如下式。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點i 的輸入：

式中：i、k 為神經(jīng)元，W為神經(jīng)元間的連接權(quán)；O為加二點k 的輸出值。

輸出層表達(dá)：

式中：f 為節(jié)點間的相互作用函數(shù)，且通常sigmoid 型函數(shù)，I為線性加權(quán)求和得到的神經(jīng)元靜輸入， e 為sigmoid 函數(shù)中一個指數(shù)函數(shù)的底。

第i 個樣本的誤差測度可以定義為：

式中：y 為期望輸出值；o 為實際輸出值。

整個樣本的誤差測度值為各樣本誤差的加權(quán)值：

式中：E為某個樣本的誤差測度值，n 表示此次運算中共n 個樣本，i 表示全部樣本中的某一個樣本，i 從1 開始。

修正誤差：

式中：W與W＇分別為隱藏層到輸出層誤差修正前后的誤差，表示學(xué)習(xí)效率。

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系圖

爆破振動信號作為一種非線性、非平穩(wěn)的信號，運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法處理時具有很大優(yōu)勢，對于原數(shù)據(jù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析時不需要提前假設(shè)分布類型，直接可以用于權(quán)值訓(xùn)練，除此之外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可加入多種振動控制因素綜合分析，彌補(bǔ)了經(jīng)驗公式預(yù)測模型的不足。雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在諸多領(lǐng)域已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，但需要繼續(xù)拓展的方面還有很多，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可與小波分析、混沌、粗集理論、分形理論、證據(jù)理論和灰色系統(tǒng)等的融合，使振動波分析、圖像處理以及運算復(fù)雜程度等方面得到優(yōu)化。

5.3 數(shù)值模擬預(yù)測

作為被各領(lǐng)域廣泛運用的學(xué)科，計算機(jī)技術(shù)很大程度上推進(jìn)了各領(lǐng)域的研究，計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)成為重要的爆破振動預(yù)測手段，國內(nèi)外出現(xiàn)了眾多的模擬軟件與方法，例如，數(shù)值模擬手段主要有離散元法、有限差分法、有限元法等，模擬軟件主要有MIDAS/FIEA 有限元分析軟件、ABACUS 有限元軟件、ANSYS/LS-DYNA、AUTO- DYN、FLAC3D、UDEC /3DEC 等。

史秀志運用ANASYS/LS-DYNA 軟件，研究了階段運輸巷道在爆破作用下振動變化規(guī)律，通過分析得出深孔爆破下微差時間的設(shè)置將直接影響爆破信號的時-頻變化規(guī)律的結(jié)論。龔斌以某隧道爆破為研究對象，運用MIDAS/GTS 數(shù)值模擬軟件對V 級圍巖條件下小間距隧道開挖進(jìn)行爆破振動數(shù)值模擬，研究了爆破對小間距隧道的影響規(guī)律。周清運用FLAC3D，通過在多種控制因素條件下模擬得到隧道先行支護(hù)點的振動速度變化情況，結(jié)果表明隧道埋深、測點與隧道圍巖間距與振動速度變化的規(guī)律。楊風(fēng)威、李海波結(jié)合三維離散元數(shù)值軟件3DEC，展開了模擬露天邊坡臺階爆破作用下質(zhì)點振速、質(zhì)點位移的工作，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值對比，結(jié)果表明數(shù)值模擬得分析結(jié)果誤差控制在15% 以內(nèi)，得到了在爆破作用下邊坡位移情況和塑性區(qū)的分布規(guī)律。經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者的研究，表明了數(shù)值模擬在爆破振動預(yù)測預(yù)報方面的實用性，對現(xiàn)場爆破實踐具有重要指導(dǎo)意義。

6 結(jié)語

通過分析表明：1）TDEC 研制的iSensor 三軸智能傳感器可遠(yuǎn)程操控，可離線工作，操作簡單，測試準(zhǔn)確，爆破現(xiàn)場測試效果突出。2）幾種爆破信號分析手段有各自優(yōu)點，HHT 法可適用于分析非線性、非穩(wěn)定性爆破振動信號，且不拘束于一組固定的信號基底，分析效果優(yōu)于其他幾種方法。3）智能預(yù)測預(yù)報模型中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用廣泛，其與小波分析、混沌、粗集理論、分形理論、證據(jù)理論和灰色系統(tǒng)等的融合將使振動波分析、圖像處理以及運算復(fù)雜程度等方面得到極大優(yōu)化。4）數(shù)值模擬預(yù)測在解決工程爆破問題中具有明顯優(yōu)勢，但是其在模擬過程中容易出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，其在實際工程中須結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，作為驗證實踐所得理論具有重要意義。5）隨著科學(xué)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，諸多先技能手段進(jìn)入工程爆破領(lǐng)域，推動了該行業(yè)的發(fā)展，與此同時，對爆破地震效應(yīng)的預(yù)測預(yù)報正逐步向信息化、智能化方向發(fā)展。