黃偉強(qiáng)，欒龍發(fā)，張智宇，李祥龍

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明　650093)

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某金屬礦山的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

黃偉強(qiáng)，欒龍發(fā)，張智宇，李祥龍

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明650093)

摘要：根據(jù)礦山爆破開挖工程，結(jié)合爆破實(shí)際參數(shù)，對(duì)礦山安全管理較為關(guān)心的兩處地方進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸，從而得出地質(zhì)條件有關(guān)系數(shù)和衰減指數(shù)，并運(yùn)用希爾伯特—黃變換(HHT)方法對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，確保爆破施工的安全，使得礦山生產(chǎn)順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：爆破振動(dòng)；爆破參數(shù)；安全

1礦區(qū)工程概況

該礦區(qū)位于老君山復(fù)式花崗巖體西南側(cè)外接觸帶，北面和東面以F0斷層為界，寬約1.5 km，向南延至中越國(guó)境線。礦區(qū)斷裂構(gòu)造以縱向斷裂為主，橫向斷裂次之?？v向斷層成組出現(xiàn)，一般錯(cuò)距不大，以層間錯(cuò)動(dòng)為主，具多期次活動(dòng)，以F0及F1斷層規(guī)模較大，是礦區(qū)主要斷裂。橫向斷層規(guī)模較小，一般切割南北向斷層，但錯(cuò)距不大。

在礦山東幫F0斷層處出現(xiàn)沉降，半年之內(nèi)沉降深度達(dá)4~5 m，給生產(chǎn)帶來(lái)隱患。其中，F(xiàn)0斷層出露于礦區(qū)東北部，是馬關(guān)—都龍斷裂的南段，走向近南北走向，傾向西，傾角40(°)~55(°)，其產(chǎn)狀與地層展布基本一致，屬層間斷層。破碎帶或構(gòu)造角礫巖幅寬數(shù)米至十余米。斷層切割較深，規(guī)模較大，具多期繼承性特點(diǎn)，也是熱液礦汁的通道。

2爆破器材與監(jiān)測(cè)儀器

爆破器材：本礦山炸藥主要采用規(guī)格為φ=120 mm、6.0 kg的RJ1號(hào)巖石型高威力乳化炸藥；所使用的雷管為規(guī)格1~9段的毫秒導(dǎo)爆管雷管；還采用了MTIφ200空氣間隔器，其雙層密閉氣袋透氣量<5 g/24 h；炮孔內(nèi)間隔器充氣后的靜荷強(qiáng)度≥0.32 Mpa；間隔器在炮孔內(nèi)達(dá)到其額定靜荷強(qiáng)度(壓力)的時(shí)間≤20 s。

監(jiān)測(cè)儀器：TC-4850爆炸測(cè)振儀、測(cè)距儀、GPS定位儀。

3爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

針對(duì)礦山比較關(guān)心的運(yùn)礦隧道和東幫公路的F0斷層兩處，我們?cè)诒茖?shí)例中分別布了測(cè)點(diǎn)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，具體數(shù)據(jù)及分析如下。

3.1爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本次爆破地點(diǎn)為礦區(qū)設(shè)定的1110平臺(tái)，總藥量12 000 kg，最大同時(shí)起爆藥量24×19×2=912 kg。主要爆破參數(shù)如表1所示，起爆方式為逐孔起爆，裝藥方式為空氣間隔裝藥。

表1　爆破實(shí)例主要爆破參數(shù)

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

注：5、6的最大同時(shí)起爆藥量是前4次單次藥量的兩倍，其余不變。

《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)[1]規(guī)定的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3　爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)　cm/s

結(jié)合表2~3可知：爆破振動(dòng)速度均在安全允許之內(nèi)，符合要求。

3.2爆破振動(dòng)信號(hào)薩道夫斯基回歸

根據(jù)爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸，回歸結(jié)果如圖1所示，從而得出與爆破點(diǎn)至被保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)系數(shù)K、衰減指數(shù)α值[2]。

圖1　薩道夫斯基回歸擬合關(guān)系

由圖1可知回歸后方程為：Y=0.922X+0.780，R2=0.705；將薩道夫斯基公式變形得：lnV=lnK+ln(Q1/3/R)·α，設(shè)y=lnV，a=lnK，b=α，x=ln(Q1/3/R)，得y=b·x+a。則K、α的估計(jì)值為：K=6.036，α=0.922。

根據(jù)衰減系數(shù)與指數(shù)的求解結(jié)果可得到礦山爆破地震波傳播規(guī)律為：

V=6.036(Q1/3/R)0.922

式中R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，kg；

V——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，cm/s。

該公式可為礦山以后的爆破振動(dòng)分析提供依據(jù)。

3.3基于HHT方法的爆破振動(dòng)信號(hào)分析

在露天礦爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用希爾伯特—黃變換(HHT)對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析處理，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)，將信號(hào)分解為包含不同成分的數(shù)個(gè)IMF分量，經(jīng)Hilbert變換繪制信號(hào)的頻譜、邊際能量譜等，并分析得出爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特性、能量分布等[3-4]，從而對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)做進(jìn)一步的了解。

儀器記錄的1組數(shù)據(jù)包含X、Y、Z 3個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)值，而在工程實(shí)踐中，一般情況下，我國(guó)通常采用爆炸地震波的垂直振動(dòng)速度(即Z方向的振動(dòng)速度)作為分析依據(jù)，其中兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各自垂直振動(dòng)速度最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z方向的振動(dòng)波形如圖2~3所示。

圖2　8 000 t輸送巷道Z方向振動(dòng)波形

3.3.1分析信號(hào)的選取

兼顧針對(duì)性和分析的全面性，分別選取8 000 t輸送巷道和東幫公路兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)中峰值振速最大的振動(dòng)信號(hào)(分別記為：S1、S2)做HHT分析。

圖3　東幫公路Z方向振動(dòng)波形

3.3.2波形信號(hào)的EMD分解

運(yùn)用測(cè)試儀自帶的軟件將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并將波形數(shù)據(jù)的txt文檔中負(fù)延時(shí)、波形后的數(shù)據(jù)去除，選用有波形的數(shù)據(jù)隨后導(dǎo)入Matlab程序，再對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行EMD分解，其中S1、S2波形信號(hào)可得到如圖4~5所示的各IMF分量。

圖4　S1信號(hào)IMF分量

從圖4~5可以看出：在各個(gè)IMF分量中，分量C1頻率最高，但幅值非常小，說(shuō)明所占的能量非常少，在S1中，這樣的高頻率低能量的分量甚至一直從C1到C5都是，表明在檢測(cè)過(guò)程中引入了大量的高頻噪聲，可能是由于監(jiān)測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍經(jīng)過(guò)的礦用汽車產(chǎn)生，在分析的時(shí)候應(yīng)該去掉；隨后的分量C6~C11頻率逐漸降低，說(shuō)明在地震波的傳播過(guò)程中高頻已經(jīng)大幅衰減，但他們的振幅較之前的高頻分量大幅增加，并包含了信號(hào)的大部分能量，屬于原始信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻段，體現(xiàn)了原始信號(hào)所具有的特征，建(構(gòu))筑物的受振破壞主要是由這些分量所造成的，是分析的側(cè)重點(diǎn)所在；對(duì)比兩個(gè)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻段IMF分量可以看出，信號(hào)S1(8 000 t輸送巷道處)的振幅均較小，說(shuō)明地震波對(duì)這處的輸入能量不是很大。

圖5　S2信號(hào)IMF分量

3.3.3波形的瞬時(shí)能量譜分析

瞬時(shí)能量譜顯示了爆破振動(dòng)信號(hào)能量隨時(shí)間的分布情況，他能夠清晰地表征能量隨時(shí)間變化的快慢，圖6~7為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的瞬時(shí)能量譜圖。

圖6　S1信號(hào)的瞬時(shí)能量

圖7　S2信號(hào)的瞬時(shí)能量

從圖6~7可以看出：在爆破近區(qū)(8 000 t輸送巷道和東幫公路處振動(dòng)信號(hào)S1和S2)爆破能量比較集中，主要在爆破之后0.5 s內(nèi)到達(dá)能量峰值，然后逐漸降低，振動(dòng)頻率以中低頻為主，8 000 t輸送巷道處峰值能量較小于東幫公路處，分析認(rèn)為東幫公路高程高于8 000 t輸送巷道，也高于爆區(qū)，在之后的監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)該考慮高程對(duì)地震波的影響；在合適的條件下東幫公路的破壞效應(yīng)可能更大，特別對(duì)于距離爆破較遠(yuǎn)的露天礦高臺(tái)階邊坡的累積損傷破壞效應(yīng)會(huì)加大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響會(huì)日益突出，特別是在多雨季節(jié)，由于邊坡巖質(zhì)飽和水特性的變化，這對(duì)邊坡穩(wěn)定性的維護(hù)很不利，應(yīng)該未雨綢繆做好防范。

4結(jié)論

由于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)各方面的因素影響，且爆破振動(dòng)效應(yīng)危害大，所以如何根據(jù)工程實(shí)際情況來(lái)選取爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、布置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯得至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)礦山兩處的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置較為合理，設(shè)備及調(diào)試符合工程測(cè)試要求，所測(cè)得的垂直震動(dòng)速度滿足可信度要求，且都符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn);

2) 監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)該考慮高程對(duì)地震波的影響，在合適的條件下其破壞效應(yīng)可能更大，特別對(duì)于距離爆破較遠(yuǎn)的露天礦高臺(tái)階邊坡的累積損傷破壞效應(yīng)會(huì)加大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響會(huì)日益突出;

3) 采用HHT分析法能夠求出爆破振動(dòng)的頻譜分布特征，得到的結(jié)果能夠滿足國(guó)家安全爆破規(guī)程的規(guī)定。

參考文獻(xiàn)：

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[2]葛哲學(xué), 陳仲生. Matlab時(shí)頻分析技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2006: 140-152.

[3]王濤，夏岸雄，廖新旭.基于小波變換的爆破振動(dòng)信號(hào)不同頻帶能量分析[J].金屬礦山，2014(3)：52-55.

[4]何理，鐘冬望，劉建程，等.微差爆破試驗(yàn)及爆破振動(dòng)能量的小波包分析[J].金屬礦山，2014(6)：10-15.

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Monitoring and Analysis on Blasting Vibration of a Metal Mine

HUANG Weiqiang，LUAN Longfa，ZHANG Zhiyu，LI Xianglong

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceand

Technology,Kunming,Yunnan650093,China)

Abstract:According to actual mining blasting excavation engineering, we have combined the reality of blasting parameters in the mine safety management concerned with two areas for blasting vibration monitoring. By using Matlab software to Steve sadove in regression formula, we have calculated geological conditions of related coefficient and damped exponential, and made an analysis of blasting vibration signals using the HHT method to ensure the safety of blasting construction in making mine production run smoothly.

Key words:Blasting vibration; Blasting parameters; Safety

中圖分類號(hào)：TD235.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.01.005

作者簡(jiǎn)介：黃偉強(qiáng)(1991-)，男，福建閩侯人，在讀碩士研究生，研究方向：工程爆破，手機(jī)：18669200462，E-mail：527160518@qq.com.

收稿日期：2015-11-12