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.長沙理工大學土木工程學院；2.宜春市礦業有限責任公司；3.江西理工大學資源與環境工程學院）

深孔爆破技術已被廣泛應用于國內外礦山的開 采作業中。相比傳統的爆破方法，深孔爆破具有回采規模大、經濟效益好等優勢。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、采空區頂板及井下構筑物產生影響，甚至會引起損傷破壞，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，圍巖穩固性好。礦石由構造角礫巖和多階段熱液成因的膠結物所構成，以鈉長角礫巖為主，礦石極難氧化，濕度小，粉礦有粘性但不結塊，其堅固性系數為8～10，中等穩固。礦體厚度為50～70 m，傾角70°～85°，開采技術條件相對簡單。為評估該金礦井下深孔爆破對周邊采空區頂板、礦柱及構筑物的影響，本研究借助經驗模態分解法（EMD）對現場測得的爆破振動信號進行分析，結合我國的爆破振動安全標準，對該金礦井下深孔爆破做出安全評估，指導井下深孔爆破振動安全控制。

1 爆破測試

1.1 爆破參數

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）內巷道及相鄰采空區的 影響，且該距離內巖體較為致密，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型振動監測儀，該儀器有良好的堅固性，外殼和接頭均為金屬材質，且具有防水性，儀器如圖2所示。

現場爆破測試儀器參數設置：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 測試結果

現場爆破振動的測試結果如表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測儀中導出，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原理與應用現狀

EMD分解是由美籍華人Huang提出的［4］，特點是根據信號本身的特性來進行分解。分解所得的本征模態函數（IMF）需要滿足2個條件：①整個數據序列中，極值點的數量與過零點的數量相等或至多相差1；②信號關于時間軸局部對稱。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、下包絡線Xma（xt）和Xmi（nt），按順序連接兩條包絡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）作為新信號重復上述操作，多次循環后，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勢頻帶分量［5］。

EMD在爆破振動信號分析中應用廣泛。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。基于EMD分解存在模態混疊、端點效應等不足，EEMD、CEEMD等改進的EMD分解法也逐漸得到應用。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為信號的優勢頻帶分量，V向C2～C5為信號的優勢頻帶分量，L向C2～C6為信號的優勢頻帶分量；第2次測振信號T向C2～C5為信號的優勢頻帶分量，V向C2～C5為信號的優勢頻帶分量，L向C2～C6為信號的優勢頻帶分量；第3次測振信號T向C2～C6為信號的優勢頻帶分量，V向C2～C6為信號的優勢頻帶分量，L向C2～C5為信號的優勢頻帶分量。綜上所述，信號EMD分量C2～C6為優勢頻帶分量，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優勢頻帶分量C2～C6的能量關系，確定信號主能量分量，引入EMD能量熵進行研究［20］。設信號經過EMD分解后得到一系列信號分量為C（it），對應的分量能量E i為

式中，n表示信號分解得到的IMF個數，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勢頻帶分量的EMD能量熵，結果如圖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向屬于水平方向，其中T向波在傳播過程中會對介質體產生橫向剪切作用，L向波在傳播過程中會對介質體產生徑向伸縮作用，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體產生豎向剪切作用，容易對井下巷道頂底板及采空區造成影響。現根據測點深孔爆破振動信號，結合我國的爆破振動安全標準（表4）［21-22］，分別對鄰近巷道、礦柱及采空區安全控制提出相應技術措施。

3.1 礦山巷道及采空區

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準（礦山隧道：主振頻率10 Hz≤f≤50 Hz，安全允許質點振速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，爆破振動會對采礦進路及運輸巷道造成不同程度的破壞。為保障后期作業及人員安全，可對所有采礦進路及距離進路20 m以內的運輸巷道等進行噴錨支護，對其余相關巷道則根據巖性條件選擇支護方式，比如速噴混凝土等。同時爆破振動會導致鄰近采空區頂板圍巖冒落，產生

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注：爆破振動監測應同時測定質點振動相互垂直的3個分量，表中質點振動速度為3個分量中的最大值，振動頻率為主振頻率；頻率范圍根據現場實測波形確定或按如下數據選取：硐室爆破f＜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。坍塌現場（井下已經出現坍塌和冒落現象）。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，建議對后期深孔爆破鄰近（20 m）采空區進行廢石膠結處理，穩定地壓變化，保障井下空區安全。

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準（礦山隧道：主振頻率f≤10 Hz，安全允許質點振速15～18 cm/s），爆破振動會對鄰近礦柱造成破壞影響。當開采完成后，隨著地壓變化，礦柱可能進一步破壞，導致采空區垮塌。建議控制一次炸藥總量或改為70 mm深孔爆破。

4 結論

（1）本次爆破振動信號頻率主要分布在0～100 Hz，經過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，均超過相應安全允許振速。為保障深孔爆破鄰近區域生產安全，建議對所有采礦進路及距離進路20 m以內的運輸巷道等進行噴錨支護，對鄰近采空區進行廢石膠結處理，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。