巖巷爆破振動信號的HHT分析與應用

孫 強， 王夢曉， 徐玉山， 劉國有

(中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院， 北京 100083)

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巖巷爆破振動信號的HHT分析與應用

孫 強， 王夢曉， 徐玉山， 劉國有

(中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院， 北京 100083)

摘要：為優化爆破參數，減少對圍巖的損傷，以煤礦玄武巖雙巷道楔形深孔掏槽爆破的實測爆破振動信號為例，分析對比傳統傅里葉變換、小波變換、HHT變換三種變換方法，對爆破地震波信號的時頻特性和能量分布特征分析。結果表明： HHT變換能夠確保信號被分解后的非平穩性，且自動適應能力較強，分解效率較高。通過HHT變換得到三維圖直觀展示各分量隨時間、頻率和能量的分布情況。爆破振動能量主要分布在0.3s~1.0s時間段和0~400Hz頻率段內，頻帶100Hz～250Hz中爆破振動分量對應的頻帶能量達到最大。通過分析對比爆破振動信號，得到巷道幫部、底部爆破振動信號的主振方向分別為Y(切向)和Z(垂向)方向。

關鍵詞：巖石巷道； 爆破振動； 振動信號； HHT； 時頻； 能量

1引 言

煤炭是我國不可缺少的基礎性能源, 其中巖石巷道掘進是煤礦生產的重要環節，提高掘進效率是礦井安全生產滿足采掘平衡的保障。在巖石巷道掘進中，爆破振動對周圍環境影響是無法避免的公害〔1〕。因此基于爆破振動引起的爆破地震效應的研究就顯得極為重要。針對爆破地震效應，國內外進行了大量的研究，而且取得了豐碩的成果。研究成果多集中在地面以上(露天礦山、公路、鐵路)、地鐵和水工隧道等方面〔2-4〕。整體來看，在煤礦井下采掘爆破振動的研究方面，主要采用薩式公式對爆破振動測試結果進行回歸分析，對爆破地震波的頻率與能量分布關系研究較少〔5〕。工程實踐也表明〔6-7〕，若以單一質點的振動速度作為衡量爆破振動強度的唯一指標，缺少對地震波頻率和振動持續時間、能量等因素影響的考慮，對于建筑物的實際破損情況在很多情況下也不能很好地反映。因此，本文針對硬度較大的巖石巷道爆破振動信號分析進行了相關的理論分析、比較和總結，選取HHT分析方法，有效提取爆破振動信號的時頻特性和能量分布特征，對于巖石巷道爆破中降低爆破振動效應，減少爆破振動測試誤差，指導爆破設計均具有重要意義。

2爆破振動信號分析方法

2.1不同的爆破振動信號分析方法

對爆破振動信號采用各種數字信號處理方法進行分析與處理，可以提取各種時間、頻率的特征信息，對信號進行時頻分析與處理，全面地提取信號主要特征信息〔8〕。基于傳統傅里葉變換(FFT)理論，短時傅里葉變換(STFT)和小波變換(WT)在爆破信號處理中已作為分析信號的普適方法〔9〕。

(1)傅里葉變換處理信號僅限于局部的頻域范圍內進行分析，無法從時間域角度進行信號分析。STFT以傅里葉變換為主要依據，是最常用的時頻分析方法〔10-11〕。STFT首先將時間窗加載到時間信號上，然后對時間窗的數據信號進行傅里葉變換，就可以從頻率和時間角度得到信號的短時時頻譜〔12〕，其表達式為：

(1)

式中：*為復共軛；g(t)為有緊支撐的函數；f(t)為原始數據信號。

(2)WT是分析數據信號部時頻特征的新方法，其特點是保持窗口的面積不發生變化，窗口的形狀可以隨著分析情況的變化而逐漸變化，即時間窗口和頻率窗口都可以隨著分析情況的變化而變化〔13-14〕。

2.2不同變換的比較

三種不同變換的基本性質差異對比見表1。

表1　不同變換的基本性質

通過比較可得：三種變換方法在信號分析采用的基函數不同，基函數不同則對信號的分解也不同，進而得到差別較大的結果，無法進行統一分析。傅里葉變換采用正弦或者余弦函數作為分解的基函數；小波函數的基函數是選擇預先設定的，不隨波自身的參數而改變，故選擇不同基函數時得出的結果差別較大，給分析帶來一定的困難；而EMD分析方法則是依據數據信號本身的特性，在時域內進行自動適應性分解，沒有預定函數的選擇，這樣分解可以得到較好的分析效果。而且，EMD分解得到的IMF分量都是平穩的，且比傅里葉變換和小波法有更強的局部特性。整體來說，HHT變換方法自動適應能力較強，分解效率較高，更適應突變、衰減快的數據信號。

3實例與分析

3.1地質條件與爆破條件

測試地點為大安山煤礦+400m西大巷，礦巖石類型主要為玄武巖(輝綠巖)，巖石致密度較高，層理節理不發育，巖石硬度較大。玄武巖堅硬普氏系數： f=8～20。因巖石硬度較大，采用分段爆破。分段爆破中掏槽孔較為重要，其好壞直接影響其他炮孔的爆破效果，所以對掏槽孔孔就行分析研究。掏槽孔爆破參數見表2。

表2　掏槽孔爆破參數

3.2爆破測振儀的選擇與振動監測試驗方案

試驗應用TC-4850爆破測振儀和Minimate Plus型爆破測振儀進行巷道爆破振動現場測試。

巖石巷道掘進爆破引起的洞內振動速度，最大值是出現在拱頂、拱腰或是拱墻，目前沒有達成共識。試驗時從監測的便捷性和不影響施工的角度考慮，將監測儀器放置于底板的中心線與腰線上并加以保護盒，防止巖石拋擲過遠砸壞傳感器，同時防止巖石碰到傳感器而觸發電平。監測時每個特定距離布置監測點，即放置傳感器和信號接收器，傳感器布置和儀器保護盒分別如圖1和圖2所示。

圖1　現場監測點布置圖Fig.1　Site monitoring point layout

圖2　振動測試儀器保護盒示意圖Fig.2　Vibration testing equipment protection box

3.3掏槽孔爆破振動典型波形統計

在大安山硬度較大的玄武巖巷道進行雙道巷楔形深孔掏槽爆破時，現場采集信號，選取典型信號如圖3~圖4所示。

圖3　幫部爆破振動信號典型波形圖Fig.3　Typical waveform diagram of blasting vibration signal

圖4　底部爆破振動信號典型波形圖Fig.4　Typical waveform diagram of blasting vibration signal

爆破振動數據統計見表3。

表3　玄武巖巷道幫部與底部爆破振動數據

根據分析對比已測波形可得，在大安山硬度較大的玄武巖巷道進行雙道巷楔形深孔掏槽爆破時，幫部與底部的振動信號分別在Y(切向)方向與Z(垂向)方向波速最大，所以其為主振方向。選取主振方向的典型波形如圖3和4所示。分析得：爆破振動波形振蕩時間為10ms~20ms，間隔時間為25ms左右，與雷管的延時相符合，整個波形全部振蕩時間約為120ms。

3.4爆破振動信號的HHT分析

圖5　爆破振動信號的EMD分解Fig.5　EMD decomposition of blasting vibration signals

應用MATLAB程序對大安山煤礦+400m水平巖石巷道掘進爆破所監測到的底部振動信號典型波形圖4進行經驗模態分解，得到11個IMF分量和趨勢項R，如圖5所示。每個IMF分量包含了不同的時間尺度，用不同的分辨率來反映信號的相關特性，說明經驗模態分解中分辨率具有自動適應性。分解出的所有IMF分量中，c1~c4分量頻率較高，相應的波長較短，是振動信號的主要組成部分。其中c1分量頻率最高，含有的能量極小，這說明c1分量是在數據監測中引入了高頻率的噪聲，應該在分析過程中除去噪聲。其他IMF對應的每個分量的頻率依次降低、波長依次變長，直至分解得出趨勢余量R。表明在爆破振動波傳播過程中高頻值已大大衰減，然而其幅值卻有不同程度的增加。

將所有分解得到的IMF分量分別進行Hilbert變換，趨勢項R不存在頻率，因此只需要分析前11個IMF分量的瞬時頻率，如圖6所示。

圖6　IMF分量的Hilbert時頻譜Fig.6　IMF component of Hilbert

通過進一步計算求出Hilbert二維能量譜(圖7)、Hilbert邊際譜(圖8)、Hilbert邊際能量譜(圖9)、瞬時能量譜(圖10)、三維能量譜(圖11)。

Hilbert二維能量譜形象反映出振動信號能量與時間和頻率的分布關系，由圖7得出絕大部分能量都集中在時間段0.3s~1.0s和頻率0~400Hz范圍內。從分辨率方面來說，基于測不準原理的因素，傅里葉譜和小波譜的分辨率大大低于Hilbert譜，并且Hilbert譜非常形象和準確的刻畫出在全局范圍內信號的幅值隨著頻率和時間的變化規律。由圖8可以得出數據信號的能量與頻率的關系，而且可以得出能量主要集中在300Hz以內。

圖7　Hilbert二維能量譜Fig.7　Dimensional Hilbert energy spectrum

圖8　Hilbert邊際譜Fig.8　Hilbert marginal spectrum

圖9　Hilbert邊際能量譜Fig.9　Hilbert marginal energy spectrum

圖10　瞬時能量分布譜Fig.10　Instantaneous energy spectrum distribution

圖11　三維能量分布譜Fig.11　Three-dimensional energy spectrum distribution

現階段對爆破振動信號能量的研究多是分析其中兩變量之間的關系，無法同時對三個獨立變量進行分析。論文引入爆破振動三維能量譜圖，彌補了分析爆破振動信號能量時無法將時間、頻率和能量進行同時分析的弊端，在同一坐標系內可以同時分析各IMF分量隨時間、頻率和能量的分布規律。

從圖11爆破振動三維能量譜圖可以得知爆破振動能量主要分布在0.3s~1.0s時間段和0~400Hz頻率段內，頻帶100Hz～250Hz中爆破振動分量對應的頻帶能量達到最大。其分布規律和信號經過EMD分解后產生的結果是相符合的，更加確信的表明HHT方法在爆破振動信號分析中的高效性和適用性。

4結 論

(1)通過分析對比FFT、WT、HHT三種變換方法，表明HHT變換是最新的爆破振動信號時頻分析的方法，它擺脫了傅里葉變換理論的約束，將信號自身的固有特征以固有模態函數的形式進行分離，確保了信號被分解后的非平穩性，自動適應能力較強，分解效率較高。

(2)選用HHT變換進行大安山煤礦硬度較大的玄武巖巷道進行雙道巷楔形深孔掏槽爆破的爆破振動信號分析，得到三維圖直觀展示各IMF分量隨時間、頻率和能量的分布情況。爆破振動能量主要分布在0.3s~1.0s時間段和0~400Hz頻率段內，頻帶100Hz～250Hz中爆破振動分量對應的頻帶能量達到最大。

(3)對大安山煤礦硬度較大的玄武巖巷道進行雙道巷楔形深孔掏槽爆破現場進行爆破振動監測，分析對比數據得出：巷道幫部爆破振動信號的主振方向為Y(切向)方向，巷道底部爆破振動信號主振方向為Z(垂向)方向。

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HHT Analysis and application of blasting vibration in rock roadway excavation

SUN Qiang， WANG Meng-xiao， XU Yu-shan， LIU Guo-you

(School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

ABSTRACT：To optimize the blasting parameters and reduce the damage of the surrounding rock， the measured blasting vibration signal of the deep hole cutting blasting in the wedge of the double channel of coal mine was taken as an example. FFT, WT and HHT were compared and time-frequency characteristics and energy distribution of blasting seismic wave signal was analyzed.The analysis showed HHT method could ensure the signal non-stationary after being decomposed. The adaptive ability was the strongest of three and the decomposition efficiency was the highest. The distribution of IMF componented with time, frequency and energy were obtained by HHT method. The results showed that the energy of blasting vibration was mainly distributed in 0.3s~1.0s and 0~400Hz, and band energy corresponding to the blasting vibration componented in 100Hz~250Hz. Through the analysis of the blasting vibration signal, the main vibration direction of the tunnel section and the bottom blasting vibration signal were Z (vertical) direction and Y (tangential) direction were obtained.

KEY WORDS:Rock roadway; Blasting vibration; Vibration signal; HHT; Time frequency; Energy

中圖分類號：TD 235； U45

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.001

作者簡介：孫 強(1962-)，男，博士、副教授，主要從事巖土工程專業方向的教學與科研工作。E-mail： sunq_208@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目( 51274203)

收稿日期：2015-10-20

文章編號：1006-7051(2016)01-0001-07