宋春輝，李祥龍,2，范天林，陳 浩，宋 飛

(1.昆明理工大學，昆明650093；2.云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點實驗室，昆明650093；3.玉溪礦業(yè)有限公司大紅山銅礦，云南 玉溪653405；4.四川路航建設有限責任公司，成都610000)

在對巷道圍巖破壞調研中發(fā)現(xiàn)，爆破荷載下圍巖破壞較為普遍，因而本文針對礦山復雜場地中爆破振動展開研究。隨著震災經驗的不斷積累，人們已經認識到地震動的頻譜組成對巷道圍巖的結構反應有著重要影響[1]。

早在1943年，美國學者Biot提出反應譜這一概念，現(xiàn)已廣泛應用于結構體抗震領域。爆破地震反應譜理論是地震工程領域較為成熟的分析方法，該方法綜合考慮了信號的頻譜、幅值以及結構自身的動態(tài)特性[2]。20世紀50年代，我國開始初步研究爆破地震效應，至50年代中期，反應譜理論開始逐步應用在我國的抗震設計之中[3]。在工程爆破領域，越來越多的專家學者開始應用反應譜理論研究爆破振動[4]。

本文結合大紅山銅礦現(xiàn)場實例，對現(xiàn)場的爆破振動信號進行檢測，選擇有代表性的振動波形為激勵輸入已經編好的MATLAB程序，對得到的爆破振動速度、位移、絕對加速度和絕對加速度標準反應譜曲線展開分析。

1 反應譜理論

反應譜理論是以單自由度黏性阻尼體系在實際爆破振動工程中的反應為基礎[1,5]的反應譜理論對結構進行分析，利用應力譜計算建筑物的地震作用，不僅簡單快捷其精度也能夠滿足要求[6]。反應譜分析方法能夠客觀反應結構體在爆破荷載下的損傷程度[7]，并且可以得到結構體在爆破作用下的動態(tài)響應[8]，行之有效的分析爆破振動對地下構建筑物的影響。

反應譜理論分析是在地震激勵下分析結構動力的一種方法，基于結構的振動特性(固有頻率、固有振型以及振型阻尼比)和反應譜表征的地面運動的動力特性[9]，此舉既可以真實反映頻譜特征也可以更加便捷得應用到工程結構抗震設計中[1]。

2 現(xiàn)場振動測試

本次進行現(xiàn)場波速測試使用NUBOX-8016爆破振動記錄儀布置于460切頂巷圍巖54～58線兩側，其儀器及具體參數(shù)如圖1、表1所示；圍巖力學參數(shù)如表2所示；現(xiàn)場布置示意圖及所測圍巖爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2、表3所示。

圖1 NUBOX-8016爆破振動記錄儀Fig.1 NUBOX-8016 blasting vibration recorder

表1 技術參數(shù)

Table 1 Technical parameter

標準配置技術指標最高采樣率2 000 kSpsA/D分辨率16 Bit量程±1 V、±2 V、±5 V、±10 V測量精度0.1%信噪比86 dB通道間相位差≤0.3°(0～10 kHz)通道間隔離度≥90 dB智能觸發(fā)觸發(fā)閥值自適應,無需設置數(shù)據(jù)存儲最多可記錄16 384次數(shù)據(jù),單次最大數(shù)據(jù)長度為57 600樣點供電方式內置電池供電或外部直流電源

表2 巷道圍巖力學參數(shù)

圖2 傳感器現(xiàn)場布置示意圖Fig.2 Sensor site layout diagram

表3 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)表

Table 3 Blasting vibration monitoring data sheet

監(jiān)測對象檢測次數(shù)爆心距/m最大單響藥量/kg振動速度/(cm·s-1)切向徑向垂向圍巖體(54～58線)1862 48611.747.9916.1221852 4868.426.116.5132908032.733.441.9345332 9631.871.711.1351081 0512.091.591.286961 1203.432.812.9773569801.240.960.5987567410.547.775.87

3 爆破振動反應譜曲線及分析

在最具有代表性的振動波形基礎上選取X、Y、Z三個方向中顯著的振動波形(即X方向)作為激勵輸入導入MATLAB程序進行運算分析。其中爆心距86 m的4#機振速為11.74 cm/s，爆心距185 m的7#機振速8.42 cm/s。4#機所測振速、加速度波形圖見圖3、圖4。

圖3 振動波形圖Fig.3 Vibration waveform

圖4 加速度波形圖Fig.4 Acceleration waveform

7#機所測振速、加速度波形圖見圖5、圖6。

圖5 振動波形圖Fig.5 Vibration waveform

圖6 加速度波形圖Fig.6 Acceleration waveform

建筑結構的阻尼比ξ通常在0.02～0.05范圍內，在建筑物減振降振過程中，阻尼起著關鍵性作用，故在工程抗震設計規(guī)范計算選取ξ=0.05[10]。本文選取阻尼比(ξ)為0.02、0.05、0.1下的反應譜進行分析，將以上所測得的波信號通過卷積分計算得到對應的反應譜曲線以此來分析阻尼比對結構體減震效果。

3.1 速度反應譜曲線分析

針對圖7速度反應譜曲線分析得出以下結論：

1)由兩測點的速度反應譜曲線可知，增大阻尼比ξ減震效果很顯著。其中ξ=0.05～1區(qū)間范圍內的速度反應譜峰值減小量小于ξ=0.02～0.05。

2)隨著周期增大兩測點所測得的速度反應譜曲線逐漸平緩，4#機的速度反應譜峰值主頻率位于3～100 Hz；7#機的速度反應譜峰值主頻率位于0.65～1 Hz。由此可見在爆心距86～185 m區(qū)間內，圍巖中爆破振動主頻在向低頻方向發(fā)展。

3)在周期2 s內，7#機所呈現(xiàn)的速度峰值數(shù)明顯多于4#機，且7#機大多數(shù)機速度峰值所對應的頻率都在10 Hz以下，與巷道圍巖自振頻率更為接近。由此得出爆心距185 m的爆破振動比在爆心距86 m處更劇烈，隨著爆破區(qū)域的擴展振動強度可能會減小，但這不代表巷道圍巖穩(wěn)定。

4)從爆心距86 m到爆心距185 m，爆破振動速度最大反應譜值有所減小，由爆破距86 m處的8.8 cm/s降到爆心距185 m處的4.3 cm/s，最終兩曲線都趨于定值，與阻尼比的大小無關。

圖7 速度反應譜Fig.7 Velocity response spectrum

3.2 位移反應譜曲線分析

針對圖8位移反應譜曲線分析可知：

1)爆心距在86 m處的位移明顯大于185 m處，位移變化量也更大。相比于速度反應譜最大峰值頻帶的尖窄，位移反應譜頻帶則顯得更平緩，橫跨周期更大。

2)兩測點處的位移反應譜曲線形式都相對圓滑。爆心距185 m出現(xiàn)的波峰多于爆心距為86 m處，說明距離的增大會使質點位移出現(xiàn)頻率帶放大效應，其位移的幅值也會降低，位移波峰的多次出現(xiàn)也恰恰說明此處圍巖更加不穩(wěn)定。

圖8 位移反應譜Fig.8 Displacement response spectrum

3.3 絕對加速度反應譜曲線分析

針對圖9絕對加速度曲線分析可知：

1)絕對加速度主峰數(shù)較少，作用在圍巖上的時間也比較短，同時加速度的數(shù)值也反應爆破振動對巷道圍巖的影響程度。其中周期為0.1～0.2 s范圍內，爆心距86 m處的加速度可達到幾個到幾十個重力加速度，遠大于爆心距185 m處。與此同時阻尼比的作用顯得更為關鍵，阻尼比對主峰的削減作用比較明顯，阻尼比越大對應的加速度值則越小，兩者成反比。

2)絕對加速度反應譜曲線在短時間內迅速達到峰值，隨后急劇下降，通過對比圖9與圖7可知，加速度反應譜峰值周期與速度反應譜峰值周期并不相同。由此可見，速度、絕對加速度反應譜最大峰值頻率相差較多。

3)為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，可以將計算所得的加速度最大峰值與圍巖自身質量相乘計算出在爆破振動下圍巖所受的最大剪應力，對巷道圍巖的支護具有指導意義。

圖9 絕對加速度反應譜Fig.9 Absolute acceleration response spectrum

3.4 絕對加速度標準譜反應譜曲線分析

為分析巷道圍巖動力放大作用，故應用絕對加速度標準譜進行進一步分析爆破振動下巷道圍巖動態(tài)響應特性。針對圖10加速度標準譜分析可知：

1)通過4#機和7#機所測數(shù)據(jù)對比可知，在爆心距增加的過程中，絕對加速度標準譜主峰值放大倍數(shù)有所減小。

2)絕對加速度標準反應譜放大系數(shù)可直觀的反應出爆破振動作用下巷道圍巖的反應程度，在放大系數(shù)等于1時，巷道圍巖與爆破振動頻率基本一致，會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時巷道圍巖的安全將會受到很大影響。由7#機(爆心距為185 m)阻尼比為0.05對應的曲線可知，此時放大系數(shù)剛好為1，爆破振動作用很容易使巷道圍巖發(fā)生損傷破壞，因此，必須要對此處圍巖進行監(jiān)測并采取必要的加固措施來確保井下安全。

圖10 絕對加速度標準譜Fig.10 Absolute acceleration standard spectrum

4 結論

基于反應譜理論對巷道圍巖中實測爆破振動信號進行振速、位移、絕對加速度以及絕對加速度標準反應譜曲線分析，得出以下結論：

1)爆心距為185 m的速度反應譜峰值數(shù)多于爆心距為86 m的速度反應譜，爆心距185 m出現(xiàn)的10 Hz以下的諧波分量多于爆心距86 m，爆破作用下爆心距185 m處的圍巖損傷影響更大，在此范圍內爆心距增加也并不代表巷道圍巖穩(wěn)定。

2)為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，可以將計算所得的加速度最大峰值與圍巖自身質量相乘計算出在爆破振動下圍巖所受的最大剪應力，這對巷道圍巖的支護具有指導意義。

3)絕對加速度標準反應譜放大系數(shù)可直觀的反應出爆破振動作用下巷道圍巖的反應程度，爆心距185 m、阻尼比為0.05時放大系數(shù)為1，巷道圍巖與爆破振動頻率基本一致，會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時巷道圍巖的安全將會受到很大影響。