田益琳， 田 靖

(河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司， 河北 唐山市 063700)

總藥量對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布的影響

田益琳， 田 靖

(河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司， 河北 唐山市 063700)

以研山鐵礦露天開(kāi)采工程為依托，采用定點(diǎn)觀測(cè)的方法對(duì)礦區(qū)邊坡進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)爆破振動(dòng)信號(hào)具有非平穩(wěn)的特點(diǎn)，利用小波包分析技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻特征分析?？偨Y(jié)了不同總藥量下的研山鐵礦爆破振動(dòng)信號(hào)能量頻帶分布規(guī)律，研究表明：總藥量對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度有較大影響，隨著總藥量的增加，其爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶的能量有增加的趨勢(shì)；并且主振頻帶有向低頻發(fā)展的趨勢(shì)，不利于工程建(構(gòu))筑物的安全。

爆破振動(dòng)；小波包分析；能量分布；總藥量

0 引 言

爆破是礦山開(kāi)采、巖土工程開(kāi)挖中的重要工序之一，然而在爆破過(guò)程中產(chǎn)生的爆破地震效應(yīng)對(duì)邊幫的穩(wěn)定及周邊建筑設(shè)施的安全造成一定的負(fù)面影響。由于爆破振動(dòng)波具有瞬變性、瞬時(shí)性的特點(diǎn)，盡管很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[1￣3]，爆破地震效應(yīng)依然是困擾采礦工程界的一大復(fù)雜課題[4]。

爆破振動(dòng)信號(hào)分析是研究爆破振動(dòng)危害的基礎(chǔ)，也是控制爆破振動(dòng)的前提[5]。隨著小波包理論的發(fā)展及其在爆破振動(dòng)信號(hào)分析領(lǐng)域的應(yīng)用，使得爆破地震效應(yīng)的研究取得了突破性的進(jìn)展。凌同華等[5￣6]運(yùn)用小波包分析技術(shù)研究了單段及多段爆破條件下的爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布特征。費(fèi)鴻祿[7]等，采用小波包分析技術(shù)研究了隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)對(duì)地表影響。韓亮[8]等利用小波包分析技術(shù)探索了深孔臺(tái)階爆破在近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的振動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)最大段藥量或爆心距增加時(shí)，近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)的能量均向低頻帶流動(dòng)，近區(qū)的移動(dòng)速度更快，同時(shí)近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)能量分布的頻帶寬度也將趨于集中，近區(qū)的頻帶寬度更寬。凌同華[9]等運(yùn)用小波包技術(shù)研究了爆心距對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布的影響。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)總藥量對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量影響的研究尚不多見(jiàn)，本文依托研山鐵礦露天爆破現(xiàn)場(chǎng)工程，運(yùn)用小波包技術(shù)，從頻帶能量的角度出發(fā)，探討在不同總藥量下的頻帶能量分布規(guī)律，研究成果對(duì)礦山露天爆破具有積極的指導(dǎo)意義。

1 研山鐵礦地質(zhì)概況及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

研山鐵礦隸屬河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司，礦區(qū)所處大地構(gòu)造位置為燕山褶皺帶山海關(guān)隆起之昌黎凸起的西南邊緣地帶。礦區(qū)出露地層以前震旦系、震旦系和第四系為主，第四系地層大面積覆蓋，基巖露頭除在礦區(qū)東部和扒豆山一帶有較連續(xù)的分布外，其它均為零星出露[10]。露天采場(chǎng)開(kāi)拓運(yùn)輸線布置在東幫邊坡其巖體風(fēng)化比較嚴(yán)重，存在順層層理面和垂直裂隙(如圖1所示)。

圖1 研山鐵礦東幫黑云變粒巖層理分布

本次監(jiān)測(cè)儀器選用Blast-UM型爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由爆破測(cè)振儀、振動(dòng)傳感器及信號(hào)處理器組成的。Blast-UM爆破測(cè)振儀監(jiān)測(cè)的振動(dòng)速度范圍及頻率范圍依次為0.0047～33 cm/s、5～300 Hz。在東幫附近布設(shè)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件限制，12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在東幫運(yùn)輸線路兩側(cè)并沒(méi)有嚴(yán)格在一條直線上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)和爆區(qū)位置如圖2所示，共對(duì)8個(gè)爆區(qū)所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，1#～8#為爆區(qū)編號(hào)；(1)～(12)為測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)的位置

2 爆破振動(dòng)信號(hào)小波包分解

小波包分解[11￣12]是比小波分解更為精細(xì)的信號(hào)處理技術(shù)，把信號(hào)分解為低頻和高頻兩部分并在下一層次的分解過(guò)程中，把低頻繼續(xù)分解為高頻和低頻。理論上爆破振動(dòng)信號(hào)可以進(jìn)行無(wú)窮次小波包分解，由于Blast-UM爆破測(cè)振儀監(jiān)測(cè)最低監(jiān)測(cè)頻率為5 Hz，根據(jù)小波包分析原理，把爆破振動(dòng)信號(hào)分解到第八層，每一頻帶寬為4.883 Hz，爆破振動(dòng)信號(hào)分解后各層信號(hào)的頻帶范圍如表1所示。

表1 爆破振動(dòng)信號(hào)分解后各層信號(hào)的頻帶范圍

注：Si,j表示第i層第j個(gè)小波包分解信號(hào)，j=0,1,2,…,2i-1；i=1,2,3,…，n

3 爆破振動(dòng)信號(hào)各頻帶能量的征

將被分析爆破振動(dòng)信號(hào)分解到第n層，設(shè)第n層分解各頻帶信號(hào)為Sn,j其對(duì)應(yīng)的能量為En,j則有[12￣13]:

(1)

式中，xj,k(j=0，1，…，2n-1；k=1,2，…,m，m為離散信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù))表示重構(gòu)信號(hào)Sn,,j的離散點(diǎn)幅值。

設(shè)被分析爆破振動(dòng)信號(hào)總能量為E0，則有:

(2)

各頻帶信號(hào)能量占信號(hào)總能量的比例為:

(3)

由式(1)，(2)，(3)可以得到爆破振動(dòng)信號(hào)各頻帶能量占信號(hào)總能量的百分比。

為了分析總藥量對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶能量分布的影響，應(yīng)盡可能的排除最大段藥量、爆心距、雷管段數(shù)、場(chǎng)地條件等因素的影響。為此，選取不同炮次爆破時(shí)所記錄的四條信號(hào)進(jìn)行分析，其編號(hào)為S-1、S-2、S-3、S-4，其爆破條件和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)參量見(jiàn)表2，相應(yīng)的爆破振動(dòng)速度的時(shí)程圖見(jiàn)圖3。

圖3 爆破振動(dòng)信號(hào)垂直方向的時(shí)程曲線

信號(hào)編號(hào)總藥量Q/kg最大同段藥量/kg爆心距/m峰值振動(dòng)速度/(cm/s)S-16350750427．260．1271S-220300750411．950．2578S-321400750402．100．2242S-425255750419．310．3369

對(duì)圖3所示的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包分析，便得到總裝藥量不同的4個(gè)信號(hào)的各頻帶能量分布(見(jiàn)圖4)，為了方便比較將不同能量頻帶的能量分布及其所占總能量的比例列于表3。根據(jù)表3可以得出，4個(gè)爆破振動(dòng)信號(hào)在0～156.2 Hz間的能量分別占總能量的99.98%、99.99%、99.97%、99.99%，表明雖然研山爆破振動(dòng)信號(hào)能量在頻域上分布比較廣泛(0～1250 Hz)，但是絕大多數(shù)能量集中在0～156.2 Hz之間，因此分析研山鐵礦爆破振動(dòng)信號(hào)能量時(shí)應(yīng)以156.2 Hz以下的頻域段為主。

表3 不同能量頻帶的能量分布及其所占總能量的百分比

從圖4和表3中可以看出，信號(hào)S-1、信號(hào)S-2、信號(hào)S-3、信號(hào)S-4這4個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的總藥量依次遞增，其頻帶所攜帶的總能量依次為5.7×10-4，15.8×10-4，16.108×10-4，25.171×10-4J，即在其他參數(shù)基本相同的條件下，隨著總藥量的增加，其爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶的能量有增加的趨勢(shì)。表明爆破振動(dòng)強(qiáng)度不僅僅取決于最大同段藥量，總藥量對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度也有較大影響，實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)速度也印證了這一分析。

信號(hào)S-1、信號(hào)S-2、信號(hào)S-3這3個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的總藥量依次遞增，由表3知：低于19.53 Hz頻帶所攜帶能量占總能量的百分比依次為57.99%、74.64%、84.25%，即隨著總藥量的增加，中低頻信號(hào)所占能量的比重增加，爆破振動(dòng)主頻帶有往低頻發(fā)展的趨勢(shì)，由于工程建(構(gòu))筑物本身的固有頻率較低，這顯然不利于工程建(構(gòu))筑物的安全。

圖4爆破振動(dòng)信號(hào)的頻帶能量分布

4 結(jié) 論

本文采用定點(diǎn)觀測(cè)的方法對(duì)研山露天鐵礦進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用小波包分析技術(shù)對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻特征分析，得到了爆破振動(dòng)信號(hào)在不同頻帶上的能量分布規(guī)律，重點(diǎn)分析了總藥量對(duì)頻帶能量分布的影響，總結(jié)如下：

(1) 研山爆破振動(dòng)信號(hào)能量在頻域上分布比較廣泛(0～1250 Hz)，但是絕大多數(shù)能量集中在0～156 Hz之間。

(2) 總藥量對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度有較大影響，隨著總藥量的增加，其爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶的能量有增加的趨勢(shì)。

(3) 隨著總藥量的增加，爆破振動(dòng)主振頻帶有向低頻發(fā)展的趨勢(shì)，不利于工程建(構(gòu))筑物的安全。

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田益琳(1985-)，男，河北唐山人，工程師，主要從事爆破工程方向研究,Email:541426416@qq.com。