爆破震動信號頻帶能量分布特征

石長巖 趙興柱 姜洪波 李元輝

(1.中國有色集團撫順紅透山礦業有限公司,遼寧 撫順 113321;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

爆破震動信號頻帶能量分布特征

石長巖1趙興柱1姜洪波1李元輝2

(1.中國有色集團撫順紅透山礦業有限公司,遼寧 撫順 113321;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

研究爆破地震波的傳播規律，對礦山爆破震動控制十分重要。以紅透山銅礦為工程背景，在礦山巷道布置爆破震動信號測點，利用爆破振動監測儀采集測點實際生產爆破震動信號。基于小波信號分析技術，采用MATLAB編寫相關程序，對信號進行小波分解與重構，優選適合測試信號的小波基，開展微差爆破震動信號能量分布特征研究。分析爆心距、總藥量及傳播方向3個因素對爆破震動信號能量分布規律的影響，結果表明：隨著爆心距增加，爆破震動信號低頻部分所占總能量的百分比變大；采用多分段微差爆破，雖然總藥量增大，但是能量分布較均勻；在背向及側向兩個傳播方向上，爆破震動信號頻帶能量分布有一定差異，傳播方向對震動信號的能量分布影響顯著。

爆破震動 微差爆破 小波基 能量分布

爆破震動分析是爆破危害控制的基礎和前提。隨著現代數學理論與其他學科的交叉發展，具有自適應特征的小波和小波包技術被引入到了爆破地震效應研究領域，而且在分析爆破地震波這種非平穩信號方面得到了很好地運用[1]。何軍等[2]的研究成果表明采用小波分析方法能準確地描述爆破地震信號特征。凌同華等[3-4]研究了單段爆破和多段微差爆破豎向震動信號的頻帶能量分布特征。張智宇等[5]利用小波包技術分析了爆破振動信號的能量分布特征隨起爆方式改變的變化規律。賈虎等[6]研究了水下爆炸沖擊波壓力信號各頻帶能量分布情況。陳士海等[8]采用小波分析和快速傅立葉變換相結合的方法研究了地震波沿各分區信號的頻譜及能量分布特征。

本研究對紅透山銅礦中深孔微差爆破進行監測，用小波分析技術對采集的爆破震動信號進行處理，開展爆破震動信號能量分布特征研究，分析爆心距、總藥量及地震波傳播方向對爆破震動信號能量分布規律的影響，得到有效信息以便對礦山爆破震動危害控制提供依據。

1 監測方案

1.1 爆破震動監測系統

監測儀器選擇四川托普測控科技有限公司生產的UBOX5016爆破震動智能監測儀，該設備是針對現場爆破、震動、沖擊、噪聲等測試專門優化設計的，具有數據保護功能，能滿足此次監測要求。性能參數如表1所示。

表1 UBOX5016 性能參數

監測使用采樣率為5 kHz，采樣時間為1 s，負延時512 ms。震動監測中傳感器的安裝關系著監測數據的可靠性，采用石膏剛性連接，將傳感器布置在基巖上，確保水平傳感器氣泡水平，3支傳感器相互垂直，并指向爆源方向，用以采集水平徑向、水平橫向以及垂直方向的爆破震動信號(分別用1，2及3表示)。采集箱外觀和傳感器現場安裝如圖1所示。

(a)采集箱

(b)傳感器安裝

1.2 測點布置

監測采場選在該礦山-707 m中段的29采場和35采場。該區域礦巖質地堅硬、結構致密、孔隙率小、含水性微弱，礦石堅固性系數為8～10，圍巖為10～14。圍巖主要為角閃斜長片麻巖、黑云母斜長片麻巖和輝綠巖，單軸抗壓強度基本都在70 MPa以上，巖石堅硬致密，礦巖完整性系數為0.88。

在29，35監測采場背向和側向分別布置傳感器。共布置7個測點，6個測點數據有效。圖2中，S1～S6表示測點位置，其中：S1～S4為背向測點，S5、S6為側向測點(背向：與巖石拋擲方向近似相反；側向：與巖石拋擲方向近似垂直)。

(a)29采場測點布置

(a)35采場測點布置

2 小波理論及小波基的選擇

2.1 爆破震動信號頻帶能量表征

在小波多分辨分析條件下，爆破震動信號s(t)滿足如下分層分解關系：

(1)

式中，f(t)為爆破震動信號s(t)小波分解的低頻部分，g(t)為爆破震動信號s(t)小波分解的高頻部分，下標表示所對應的分解層次。

令g0(t)=fN(t)，則

(2)

如果將爆破震動信號s(t)進行層次為N的小波分解和重構，可得信號的總能量E為

(3)

由小波函數的正交性可知，上式的第二部分為零。因此，可以簡化為

(4)

式中，Ei為爆破震動分量的小波頻帶能量，即

(5)

由此可得，不同頻帶爆破震動分量的相對能量分布為

(6)

2.2 小波基的選擇

針對某一實測信號，分別用db3、db5、db7、db9對信號進行小波分解與重構，并得出誤差圖形，如圖3所示。從重構誤差曲線中可以得出：db3、db5、db9均達到10-10數量級，而db7達到10-11數量級。因此小波基選擇為db7。

(a)db3誤差

(b)db5誤差

(c)db7誤差

(e)db9誤差

3 數據分析

根據采樣定理，信號的采樣頻率設為5 kHz，則其奈奎斯特頻率為2.5 kHz。對信號進行尺度為9的小波分解與重構，所對應的10個頻帶取值分別為0～4.883 Hz，4.883～9.766 Hz，9.766～19.531 Hz，19.531～39.062 Hz，39.062～78.125 Hz，78.125～156.25 Hz，156.25～312.5 Hz，312.5～625 Hz，625～1 250 Hz，1.25～2.5 kHz。

根據式(1)～式(6)，在MATLAB 7.0.1軟件下編寫程序，用db7小波基對信號進行小波分析，得出爆破震動信號頻帶能量百分比的分布特征。

3.1 爆心距對頻帶能量分布的影響

分析爆心距對頻帶能量的影響時，應排除地質因素、總藥量、高程等因素的影響。為此選取29采場監測點S1和S2所測信號。29采場爆破條件如表2所示。

表2 29采場測點爆破條件

圖4表示測點S1及S2 3個方向上信號頻帶能量分布特征。從圖4可以看出，隨爆心距增加，信號中低頻能量比重增加，爆破震動信號的主震頻率有向低頻發展的趨勢，而工程建筑物本身自震頻率往往較低。因此在爆破地震波傳播過程中，雖然強度不斷降低，但是其破壞作用有可能增強。在爆破危害調查中顯示，遠處破壞比較嚴重，驗證了這種規律。爆破震動信號垂直方向的能量分布較廣，且低頻部分占有一定比重，對結構物的破壞存在不利影響。

(a)S1-1和S2-1頻帶能量百分比分布

(b)S1-1和S2-2頻帶能量百分比分布

(c) S1-3和S2-3頻帶能量百分比分布

3.2 總藥量對頻帶能量分布的影響

分析總藥量對爆破震動頻帶能量的影響時，應排除爆心距、最大段藥量及場地因素等條件的干擾。為此選擇S1和S4進行分析。爆破條件如表3所示。

表3 測試點爆破條件

從圖5中可以看出，總藥量較大的測點S4在3個方向上的信號能量均較分散，其主要原因在于S4點所測爆破分12段進行，不同段的信號進行疊加，起到降低爆破震動效果的作用。

(a)S1-1和S4-1頻帶能量百分比分布

(b)S1-2和S4-2頻帶能量百分比分布

(c)S1-3和S4-3頻帶能量百分比分布

3.3 傳播方向對頻帶能量分布的影響

分析傳播方向對爆破震動信號頻帶能量分布的影響時，必須排除其他因素的影響。因此選擇同一次爆破不同方向測得的信號，取理想的3個測點S4，S5和S6進行分析，其爆破條件如表4所示。

表4 測點爆破條件

根據上文分析，隨著爆心距的增加，爆破震動信號能量向低頻轉移，但是測點S4、S5及S6并不符合這種規律。這是由于測點S6和S5測點在方向上與S4存在很大差異，S4在背向方向上，S6和S5在側面方向上。由圖6可以看出，背向爆破震動信號能量主要分布在高頻帶，而在側向，較低的頻帶所占的能量百分比較大。

(a)S4-1、S5-1和S6-1頻帶能量百分比分布

(b)S4-2、S5-2和S6-2頻帶能量百分比分布

(c)S4-3、S5-3和S6-3頻帶能量百分比分布

4 結 論

(1)小波基的使用應根據實際信號進行選擇，本研究根據重構誤差最小原則選取db7作為信號分析的小波基。

(2)隨著爆心距的增加，較低頻帶所占信號能量百分比增加，由于構建物的自振頻率主要為低頻，因此在一定范圍內，爆心距的增加不利于構建物的安全。現場危害調查顯示，爆源近區的破壞較少，主要以小塊墜石為主，而遠區有大石塊脫落。

(3)微差爆破使爆破震動能量分布更為均勻，大爆破多分段微差爆破，對生產安全能夠起到一定的保障作用。

(4)傳播方向對爆破震動信號的能量分布影響顯著，分析結果表明：在背向，能量主要分布在高頻帶；而在側向，較低的頻帶所占的能量百分比較大。

[1] 晏俊偉， 龍 源， 方 向，等．基于小波包變換的爆破地震波時頻特征提取及分析[J]．振動與沖擊，2007，26(4)：25-29． Yan Junwei，Long Yuan，Fang Xiang，et al.Time-frequency characteristics extracting and analysis of blasting seismic wave based on wavelet packet transformation[J].Journal of Vibration and Shock，2007，26(4)：25-29.

[2] 何 軍，于亞倫，梁文基．爆破震動信號的小波分析[J]．巖土工程學報，1998，20(1)：47-50． He Jun，Yu Yalun，Liang Wenji.Wavelet analysis for blasting seismic signals[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20(1)：47-50.

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(責任編輯 石海林)

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Frequency Band Energy Distribution Characteristics of Blasting Vibration Signals

Shi Changyan1Zhao Xingzhu1Jiang Hongbo1Li Yuanhui2

(1.ChinaNonferrousMetalGroupFushunHongtoushanMiningCo.Ltd，Fushun113321,China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines,Shengyang110819,China)

Studying the propagation law of blasting seismic waves is very important for blasting vibration control.With Hongtoushan copper mine as the engineering background and setting measuring point of blasting vibration signal in the tunnel，blasting vibration signals in actual production were collected with vibration monitors.Based on wavelet analysis technology，and using MATLAB procedures，decomposition and reconstruction of the signal wavelet were made to select suitable wavelet for the gained signal.Then，energy distribution characteristics of millisecond blasting vibration signals were investigated.Effects of distance from blast center，total amount of explosives and propagation direction on the energy distribution law of blasting vibration signal were studied.The results showed that：With distance from blast center increasing，the low frequency portion of blasting vibration signal occupied larger percentage of total energy; When using multi-segmented millisecond blasting，the energy distributed evenly，although the total explosive increased; The energy distribution of blasting vibration signals in the back and lateral direction have some differences，and the propagation direction significantly impacts on the energy distribution of vibration signal.

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2014-02-03

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石長巖(1967—)，男，總經理，教授級高級工程師。

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