工程爆破中地震效應的分析及預測預報現狀

孟 彪 趙國強 賈世杰

（1.新疆雪峰科技（集團）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 爆破地震效應產生機理

1.1 產生機理

介質爆炸中的很大一部分能量轉化為在介質中傳播的波，包括沖擊波、彈性應力波和彈性地震波。沖擊波、應力波和地震波之間有密切的關系，在傳播過程中，沖擊波經過衰減轉變為壓縮應力波，而壓縮應力波衰減變為地震波，傳播速度沖擊波比應力波衰減快且能量損失較大，但在波的作用范圍上，沖擊波比應力波小的多。沖擊波和應力波都屬于脈沖波，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度小的特點，當巖石作為地震波的作用物時，它只能造成巖石內部裂隙或微小孔隙的擴張，并不能對其結構造成明顯破壞。

1.2 主要特征

爆破地震波內含有豐富的成分，波系較為復雜。爆破地震波主要由面波和體波構成，面波繼

續細分，其內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5-6 km/s，s 波的波速較p 波小，可達3-4 km/s，勒夫波具有震動幅度大、持續周期長的特點，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，面波控制產生地震效應。

2 爆破振動的影響因素

工程爆破活動對周圍構筑物、建筑物損害控制因素較多，破壞機理復雜，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、持續時間。按照產生及傳播過程劃分，可劃分為爆源因素、傳播介質因素、測點因素3 類，爆源因素中最大段藥量起關鍵作用，其次炸藥參數、孔網參數、裝藥結構也對爆破振動起控制作用。振動波在傳播的過程中，主要是介質因素、爆心距離和高程效應影響著波的發展，其中爆心距為關鍵因素。

目前，在研究各控制因素對爆破振動的影響規律時，通常采用回歸分析法、灰色關聯法、顯著性檢驗法和相關分析法等，應用較為廣泛且成熟的是回歸分析法。回歸分析通常利用線性回歸法或非線性回歸法結合相應的爆破振動經驗公式進行預測，依托現場測振數據，計算得到回歸系數，揭示振動傳播規律，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驗公式，振動預測結果更接近真實值。

3 爆破振動測試

3.1 國外測試儀器應用現狀

在測振儀的研發上，大部分國家都選擇在多功能、便攜式、網絡化和數字化等方面謀求突破，國外振動測量儀表類型見表1。

3.2 國內測試儀器應用現狀

國內，遵循智能、科學、精細、規范的原則，數字爆破測振因此正向更加有利爆破振動控制的方向發展。目前國內技術成熟且應用較為廣泛的爆破振動監測儀器列舉如下。1）TC-4850 型測振儀。由成都中科測控研發的智能爆破測振儀，常配套891-II 型速度/加速度傳感器使用，自帶液晶顯示屏，現場直接設置各種采集參數，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 型網絡遠程實時爆破振動測振儀。由鐵科院研發，除具有TC-4850 型測振儀的功能外，還具有無線信號接受和發射功能，能夠運用3G網絡遠程操作，即使在沒有網絡的地方也可通過間接傳輸和專用VPN 通道傳輸到用戶手中，流程安全可靠，極大優化了技術人員的工作環境。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，配套相應的數據記錄儀器的使用，該儀器攜帶便捷，測試數據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，斷電自動保存數據，不會造成數據丟失無無線網絡傳輸功能，但該儀器年代久遠，功能大多被先進產品替代。5）iSensor 三軸智能傳感器。該儀器由四川拓普公司最新研發，支持離線監測、在線監測和無線監測，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下可連續工作48 小時，關機數據自動保存在傳感器中不丟失，離線狀態下傳感器獨立工作，無需連接終端設備，測試結束后連接電腦可進行數據下載。在線狀態下，傳感器需連接電腦，實時控制儀器，實時下載測試數據，要求工作人員必須現場操作。無線狀態下，支持WIFI 或手機熱點連接，支持單臺儀器工作或依托路由器完成多臺儀器組網監測，具有在線監測的優點，但允許工作人員遠程操控，此外該儀器可同時完成三通道的振速、頻率、加速度監測，監測頻率范圍覆蓋0.01Hz -1kHz，此外，其上還搭載“TopCloud 云端綜合監測平臺”。

表1 國外振動測量儀表類型列舉

現場測試結果如圖1 所示，圖1 為運用matlab 軟件分析振動數據所得，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，此外監測儀器自帶的分析軟件Data Anlysis”也可進行一些簡單的數據分析，比如繪制速度波形圖、加速度波形圖，還可通過標線的形式直接反饋波形任一點的峰值振速和主振頻率，測試結果也可導出word 文字版報告、excel 原始數據表格和工程文件形式，用于后續分析。現場試驗，該儀器現場測試效果突出。

3.3 監測點選擇及儀器安裝

在監測點的選擇時要明確監測目的，明確是保護建筑物為目的或是礦山爆破以優化爆破參數、提高爆破方量為目的。當以保護建筑物為目的時，遵循“最近原則”、“最弱原則”、“最重要原則”。“最近原則”指當爆源附近有多個建筑物時，監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筑物分布于爆源附近時，須遵循“最重要原則”，如被保護建筑物呈直線分布，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。以礦山爆破優化為目的時，如監測某一地下礦山巷道或進路爆破振動時，遵循直線布點的原則布置測點，測振儀器通道指向爆心，布點間距按照對數原則，有利于測振數據的線性回歸分析，布設測點一般不少于5 個。

4 爆破信號分析現狀

圖1 數據分析（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點上推動了對爆破振動的分析，隨著技術的成熟，廣大學者對集中分析方法做出了不斷改進，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域在各種爆破振動影響因素下的變化規律，但它無法將時間、頻率結合分析得出時頻分布規律，且該方法對于非平穩測振信號的處理情況也不樂觀。基于上述問題，有學者提出了短時傅里葉變換法（STFT），該方法具備自適應得特點，且能夠將時、頻結合分析，反映測振信號時域、頻域的變化規律，使得分析更加全面，但對于非平穩信號的分析，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），彌補了傅里葉變換法在非平穩信號時頻分析上的局限。小波分析同樣具有一定的自適應變化性，其本質是基于一種時頻窗口結構，對爆破振動信號進行區域精確分析，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，對小波分析時的局部模糊部分進行了精細解析，一定程度上優化了小波分析。

希爾伯特—黃變換（HHT），由于其在信號分析上的優越性，目前已被國內外眾多學者廣泛應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越性的的關鍵，利用EMD 分解可以把非線性、非穩定性，以及具有各種波動尺度或各種發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律。

對比以上三種爆破振動信號分析手段，HHT 法具有以下優點。1）傅里葉變換法對于變化劇烈的非線性非平穩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定振動信號，但從實際算法上并沒有真正進行對非穩定信息的解析，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 法的高度自適應性，決定了它可產生自適應基，這區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 法存在高頻區域對振動信號分辨率不高的問題，在振動信號的低頻區域容易出現不合理成分的問題。

5 爆破振動預測預報模型研究現狀

隨著計算機技術延伸到采礦行業中，尤其在爆破領域，其大大推進了爆破振動強度的預測預報手段的進步，如先進的數值模擬手段和人工神經網絡法等，逐步取代了經驗公式預測和理論預測等傳統的預測手段。

5.1 經驗公式預測

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

經驗公式預測法較為傳統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，無法對振動強度進行準確預測，預測精度不是很高，隨著人工神經網絡法的出現，使多種控制因素加入對爆破振動的預測，使得預測結果精確度提高。

5.2 人工神經網絡法

圖2 為BP 神經網絡拓撲關系圖，如圖所示BP 神經網絡模型內部包括隱含層、輸入層、輸出層，通過特定類型的可微函數，實現各神經元之間的信息傳遞，據此可以建立輸入層和輸出層的映射關系，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按照各神經元之間的映射關系轉化為數學運算，通過計算最終得到預測值。具體數學運算步驟如下式。

神經網絡中節點i 的輸入：

式中：i、k 為神經元，W為神經元間的連接權；O為加二點k 的輸出值。

輸出層表達：

式中：f 為節點間的相互作用函數，且通常sigmoid 型函數，I為線性加權求和得到的神經元靜輸入， e 為sigmoid 函數中一個指數函數的底。

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，表示學習效率。

圖2 BP 神經網絡拓撲關系圖

爆破振動信號作為一種非線性、非平穩的信號，運用人工神經網絡法處理時具有很大優勢，對于原數據，人工神經網絡分析時不需要提前假設分布類型，直接可以用于權值訓練，除此之外神經網絡法可加入多種振動控制因素綜合分析，彌補了經驗公式預測模型的不足。雖然人工神經網絡法在諸多領域已經得到了很好的應用，但需要繼續拓展的方面還有很多，如神經網絡法可與小波分析、混沌、粗集理論、分形理論、證據理論和灰色系統等的融合，使振動波分析、圖像處理以及運算復雜程度等方面得到優化。

5.3 數值模擬預測

作為被各領域廣泛運用的學科，計算機技術很大程度上推進了各領域的研究，計算機數值模擬技術成為重要的爆破振動預測手段，國內外出現了眾多的模擬軟件與方法，例如，數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律，通過分析得出深孔爆破下微差時間的設置將直接影響爆破信號的時-頻變化規律的結論。龔斌以某隧道爆破為研究對象，運用MIDAS/GTS 數值模擬軟件對V 級圍巖條件下小間距隧道開挖進行爆破振動數值模擬，研究了爆破對小間距隧道的影響規律。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點的振動速度變化情況，結果表明隧道埋深、測點與隧道圍巖間距與振動速度變化的規律。楊風威、李海波結合三維離散元數值軟件3DEC，展開了模擬露天邊坡臺階爆破作用下質點振速、質點位移的工作，模擬結果與現場實測值對比，結果表明數值模擬得分析結果誤差控制在15% 以內，得到了在爆破作用下邊坡位移情況和塑性區的分布規律。經國內外學者的研究，表明了數值模擬在爆破振動預測預報方面的實用性，對現場爆破實踐具有重要指導意義。

6 結語

通過分析表明：1）TDEC 研制的iSensor 三軸智能傳感器可遠程操控，可離線工作，操作簡單，測試準確，爆破現場測試效果突出。2）幾種爆破信號分析手段有各自優點，HHT 法可適用于分析非線性、非穩定性爆破振動信號，且不拘束于一組固定的信號基底，分析效果優于其他幾種方法。3）智能預測預報模型中，神經網絡法應用廣泛，其與小波分析、混沌、粗集理論、分形理論、證據理論和灰色系統等的融合將使振動波分析、圖像處理以及運算復雜程度等方面得到極大優化。4）數值模擬預測在解決工程爆破問題中具有明顯優勢，但是其在模擬過程中容易出現系統誤差，其在實際工程中須結合現場實測數據，作為驗證實踐所得理論具有重要意義。5）隨著科學的發展和科技的進步，諸多先技能手段進入工程爆破領域，推動了該行業的發展，與此同時，對爆破地震效應的預測預報正逐步向信息化、智能化方向發展。