磁電式速度傳感器安裝方位角對測試數(shù)據(jù)的影響研究

張夢喬 肖定軍，2 蒲傳金 張 金3

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院；2.綿陽市海川爆破工程有限公司）

爆破作為巖土工程的主要開挖手段，在高效開挖的同時也帶來了一些有害效應(yīng)：爆破地震效應(yīng)、爆破沖擊波以及爆破噪聲等［1-3］，監(jiān)測技術(shù)是研究如何控制這些有害效應(yīng)的重要手段之一。大量的學(xué)者通過爆破地震波監(jiān)測探究了各式建（構(gòu)）筑物的抗震標準［4-6］；同時利用反應(yīng)譜、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及分形理論等方法［7-9］對爆破地震波進行分析得到其波形特征；通過測得的爆破地震波數(shù)據(jù)利用一些理論回歸方法可以對爆破地震波的峰值與頻率進行預(yù)測［10-12］?？梢姶罅康谋频卣鸩ǖ难芯慷际墙⒃诒频卣鸩y試的基礎(chǔ)上，而爆破地震波數(shù)據(jù)的可靠性、精確性研究往往較少。

早期由于爆破設(shè)備的發(fā)展滯后，國內(nèi)爆破測試主要采用單向磁電式速度傳感器，傳感器尺寸也比現(xiàn)在大得多，這給爆破測試帶來了不小的困難。隨著信息與計算機技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)的爆破地震波監(jiān)測設(shè)備得到了長足的發(fā)展。目前，國內(nèi)爆破地震波測試已經(jīng)全面采用三向一體式速度傳感器，且爆破安全規(guī)程中明確規(guī)定了爆破地震波監(jiān)測時必須使用一體化的三向速度傳感器［13］。

一體化三向速度傳感器由2支水平傳感器與一支垂向傳感器構(gòu)成。由于水平傳感器有一定方向性的要求，通常安裝傳感器時要求傳感器的水平X方向指向爆源中心，即測試徑向振動，與之垂直的Y方向即為切向。然而在進行爆破振動測試時，測點距爆源距離較遠，且測點位置與爆源不在同一高程，難以確定準確的安裝方向，因此對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

本研究通過改變傳感器接收入射波的方向來模擬在測試過程中傳感器的安裝方向偏差，從而分析對爆破地震波測試數(shù)據(jù)的影響。

1 試驗方法與條件

1.1 爆破振動測試系統(tǒng)

爆破地震波通過一體化的三維傳感器捕捉后，轉(zhuǎn)換為電壓信號的變化量通過數(shù)據(jù)連接線傳輸給爆破測振儀（Blast-UM），利用爆破測振儀的高速A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器輸入的模擬信號采樣為數(shù)字信號儲存于爆破測振儀中，利用爆破測振儀的高速USB接口通過專業(yè)軟件將測得爆破地震波數(shù)據(jù)進行分析、結(jié)果輸出與波形顯示。本次采用的爆破振動測試系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 測點布置

露天臺階爆破是常見的礦山爆破形式，其裝藥結(jié)構(gòu)豐富，起爆形式多樣，這種臺階爆破方式也常常用于城市道路與基坑開挖工程之中。本次測試布置4組測試點，測點組1中心距離爆源30 m，測點組2為40 m，測點組3為50 m，測點組4為60 m。

本次設(shè)置的測點組中，每測點組布置3支三分量的速度傳感器（其中測點組4只布置了2支三分量傳感器）。通常傳感器的X軸方向指向爆源，定義其為徑向，與之水平垂直的Y方向定義為切向，垂直于水平面的Z方向定義為垂直方向；為了模擬現(xiàn)場傳感器布置的偏差，定義爆源與測點連心線與傳感器X方向形成的水平夾角為β，分別設(shè)置為0°、30°、60°；每組測點中3個傳感器距離控制在5 cm左右，以此認為該組測點在整個測試系統(tǒng)中處于相同位置。單組測點現(xiàn)場布置如圖2所示。

1.3 主要爆破參數(shù)

爆破參數(shù)不僅僅決定爆破效果，同時也影響爆破有害效應(yīng)。本次在廣西魚峰水泥礦山進行深孔臺階爆破時，進行了不同方位傳感器的爆破振動測試。臺階布置1排5個炮孔，每孔裝藥量為22.7 kg（乳化炸藥）；臺階高度為10 m，孔深11.5 m，炮孔傾角為80°，孔徑90 mm，孔距2 m，抵抗線3 m；采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合系數(shù)從孔底往上依次遞增；底部留0.8 m空氣間隔；堵塞長度為2.35 m。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 測試數(shù)據(jù)

本次試驗進行了一次現(xiàn)場測試，測試速度峰值數(shù)據(jù)見表1。

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2.1.1 波形特征分析

布置的4個測點組獲取的振動波形圖如圖3～圖6所示，匯總了每組測點組徑向與切向振動波形。由于每個測點組距離爆源位置相對一致，因此每個測點組的波形變化趨勢較為一致，但由于在同一組測點組中3支傳感器的角度有偏差，其徑向與切向速度振動波形到達時間、峰值（絕對值）出現(xiàn)的時間以及峰值（絕對值）大小都有不同程度的差異，一般而言測點組距離爆源越近其差異越明顯。

2.1.2 速度峰值偏差分析

本次實驗以三向速度傳感器X方向指向爆源的測點獲取的速度峰值定義為標準值，其他2個測點各方向速度峰值與其差值的百分比為偏差值，各測點組偏差值匯總見表2，可見不同測點組的數(shù)值都有不同的數(shù)值偏差，由于各測點組的垂直方向振動與爆源的方向夾角無關(guān)，因此各測點組的垂直方向振動峰值偏差值均在10%以內(nèi)，最大偏差值僅為7.02%。

根據(jù)表2得出各測點組徑向、切向以及垂向速度峰值偏差值統(tǒng)計曲線如圖7所示，由測試數(shù)據(jù)知，傳感器的安裝方向?qū)y試值有明顯的影響，主要是對2個水平方向測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生了影響，且徑向與切向速度峰值偏差值的平均離散值隨著距爆源距離的增加先增大后減小，在50 m處達到峰值。垂直方向速度偏差值的平均離散值隨著距爆源距離的增加略微波動增加，平均最大偏差值僅為2.41%。

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2.2 爆破振動傳播規(guī)律分析

2.2.1 振動數(shù)據(jù)回歸分析

地震波按照傳播形式可分為兩大類：一類是在巖體內(nèi)部以壓應(yīng)力形式傳播，稱為縱波，另一類是沿巖體表面以剪切應(yīng)力形式傳播，稱為橫波。這2種波均能引起巖體介質(zhì)的質(zhì)點振動。因此，研究應(yīng)力波的傳播規(guī)律，必須要研究這2種波在傳播過程中引起的巖體介質(zhì)質(zhì)點的振動規(guī)律，爆破振動測試系統(tǒng)是目前獲取振動數(shù)據(jù)的主要手段，我國主要是根據(jù)薩道夫斯基公式對振動數(shù)據(jù)進行分析，見式（1）。

式中，V為質(zhì)點振動速度峰值，cm/s；R為測點距爆源水平距離，m；Q為單次最大起爆藥量，kg；K、α為場地系數(shù)與衰減系數(shù)，通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)回歸確定。

結(jié)合表2的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同傳感器安裝方位角分別由式（1）回歸K、α值，具體分析如下。

一般進行爆破振動測試時，傳感器的X方向均為指向爆源即通過傳感器安裝夾角為0°數(shù)據(jù)來對K、α值進行回歸，本次回歸曲線如圖8所示，K值回歸范圍為100～167；α值回歸范圍為1.20～1.29，2個水平方向回歸的K值一致，垂直方向回歸的K值偏?。沪林稻^為穩(wěn)定。

傳感器安裝夾角為30°時，其K、α值回歸曲線如圖9所示。K值回歸范圍為100～157；α值回歸范圍為1.19～1.30，垂直方向的K值最小，切向較大，徑向最大；α值均較為穩(wěn)定。

傳感器安裝夾角為60°時，其K、α值回歸曲線如圖10所示。K值回歸范圍為100～120；α值回歸范圍為1.08～1.27，徑向與垂直方向的K值一樣且最小，切向較大；α值切向波動較大。

2.2.2 傳感器布置角度對回歸系數(shù)的影響分析

根據(jù)圖8～圖10的K、α回歸值，可以得到其隨傳感器安裝方位角的變化關(guān)系以及與其平均值關(guān)系，如圖11所示。徑向與切向回歸K值均隨著角度的增加逐步減小，垂直回歸K值保持穩(wěn)定；徑向與垂向回歸α值均隨著角度的增加在平均值上下波動，其值基本保持不變，而切向回歸α值隨著角度的增加而急劇減小。

3 結(jié)論

（1）傳感器的安裝方位角對傳感器的3個方向的速度峰值均有影響，其中垂向速度峰值影響最小，徑向速度峰值影響次之，切向速度峰值影響最大，且隨著傳感器的安裝位置遠離爆源其影響逐漸變小。

（2）基于薩道夫斯基公式的K、α回歸值也受傳感器的安裝角影響，但徑向與垂直方向回歸值基本保持一致，而切向回歸值影響明顯。