魯 超，吳賢振，劉建偉，程 杰

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341001；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引 言

深孔爆破作為產(chǎn)量大、效率高的落礦技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于礦山開(kāi)采作業(yè)中。深孔爆破炸藥量大，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)效應(yīng)波及范圍廣，對(duì)露天礦山周邊構(gòu)筑物及井下采空區(qū)頂板等造成較大破壞影響[1-3]。某金礦因采礦深孔爆破振動(dòng)效應(yīng)，發(fā)生采空區(qū)與斷層交界處頂板圍巖塌落，周邊間柱出現(xiàn)裂隙及損傷破壞等現(xiàn)象。本文利用小波和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)分別對(duì)該金礦現(xiàn)場(chǎng)采集到的井下深孔爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析[4-5]，并做出安全評(píng)估，為減輕深孔爆破振動(dòng)危害，制定爆破振動(dòng)效應(yīng)安全控制措施提供依據(jù)。

1 爆破測(cè)試

1.1 測(cè)試參數(shù)

礦區(qū)采用雙排毫秒延時(shí)起爆，孔徑70 mm，排距1.2～1.4 m，孔底距2.3～3.2 m。選用巖石粉狀乳化炸藥，總藥量450 kg，單段最大藥量50 kg。共設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

1.2 測(cè)試儀器

測(cè)試選用MINIMATE PRO6振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀,該儀器有良好的堅(jiān)固性和防水性。相關(guān)參數(shù)設(shè)置： 記錄模式(連續(xù)波形)、傳感器觸發(fā)水平(0.300 mm/s)、精度(0.5 mm/s)、采樣頻率(1 024 sps)。

1.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表1。利用Matlab軟件得到測(cè)點(diǎn)信號(hào)的波形及頻譜圖。 由頻譜分析可知，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向頻率主要分布在0～45 Hz，V向?yàn)?～64 Hz，L向?yàn)?～37 Hz；測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向頻率主要分布在10～62 Hz，V向?yàn)?5～71 Hz，L向?yàn)?0～80 Hz。由此可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)信號(hào)的頻率主要分布在0～80 Hz。限于篇幅，列出測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向的波形及頻譜圖，如圖2所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 爆破測(cè)試結(jié)果

圖2 測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向的波形及頻譜圖

2 基于小波的爆破振動(dòng)信號(hào)分析

2.1 小波應(yīng)用現(xiàn)狀

小波是由法國(guó)物理學(xué)家MORLET提出的，其基本原理是通過(guò)平移、伸縮小波基函數(shù)去擬合信號(hào)，從而獲得信號(hào)的時(shí)頻信息[6]。近年來(lái)，諸多專家學(xué)者應(yīng)用小波分析研究爆破振動(dòng)信號(hào)的頻域特征，取得可觀的結(jié)果。凌同華等[7]通過(guò)構(gòu)造模式自適應(yīng)小波基來(lái)去除爆破信號(hào)中的趨勢(shì)項(xiàng)，提高信號(hào)時(shí)、頻域的分辨率；中國(guó)生等[8-9]、吳賢振等[10]利用小波包獲取各分層爆破振動(dòng)信號(hào)能量，結(jié)合構(gòu)筑物阻尼比，構(gòu)建小波包折合能量的新式安全判據(jù)；張生輝等[11]利用小波變換研究不同高程爆破振動(dòng)信號(hào)在各頻帶間的能量分布特征。

2.2 小波分解

本文選擇小波基db6，分解5層。其中，分量D1頻帶256～512 Hz，D2頻帶128～256 Hz，D3頻帶64～128 Hz，D4頻帶32～64 Hz，D5頻帶16～32 Hz，A5頻帶0～16 Hz。限于篇幅，列出測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向小波分解圖，如圖3所示。

2.3 小波能譜系數(shù)分析

為確定信號(hào)主能量頻帶，對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波能譜系數(shù)分析。 小波能譜系數(shù)為小波分量能量與信號(hào)總能量的比[12]。 利用Matlab軟件得到各分量的小波能譜系數(shù)，見(jiàn)表2。 由表2可知，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向A5分量小波能譜系數(shù)最大(0.66)，V向D4、D5(0.23、0.28)大于其余分量，L向A5最大(0.72)；測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向D4、D5分量(0.35、0.27)小波能譜系數(shù)大于其余分量，V向D4最大(0.56)，L向D4最大(0.49)。

由此可知，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)V向主分量頻帶為16～64 Hz，T向、L向主分量頻帶為0～16 Hz；測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向主分量頻帶為16～64 Hz。V向、L向主分量頻帶為32～64 Hz。

圖3 測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向小波分解圖

表2 信號(hào)小波能譜系數(shù)

3 基于EMD的爆破振動(dòng)信號(hào)分析

3.1 EMD應(yīng)用現(xiàn)狀

EMD是由美籍華人HUANG等提出的，自適應(yīng)地將信號(hào)依次按頻率由高到低的順序分解成若干具有物理意義的固有模態(tài)函數(shù)(IMF),其原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。EMD在爆破振動(dòng)信號(hào)分析中得到廣泛應(yīng)用。張義平[14]、王振宇等[15]利用HHT計(jì)算爆破振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)能量，依據(jù)峰值速度所在波形周期的累計(jì)爆破振動(dòng)功率，構(gòu)建了能量安全判據(jù)；曹曉立等[16]采用HHT分析爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻和能量特征，同時(shí)對(duì)邊坡和構(gòu)筑物的安全做出判斷。劉建偉等[17-18]提出EMD能量熵，并應(yīng)用于爆破振動(dòng)信號(hào)及聲發(fā)射信號(hào)分析中。

3.2 EMD分解

由分解可知，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向IMF分量12個(gè)，c2～c6為優(yōu)勢(shì)頻段；V向IMF分量14個(gè)，c2～c5為優(yōu)勢(shì)頻段；L向IMF分量14個(gè)，c2～c6為優(yōu)勢(shì)頻段。測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向IMF分量12個(gè)，c2～c6為優(yōu)勢(shì)頻段；V向IMF分量12個(gè)，c2～c5為優(yōu)勢(shì)頻段；L向IMF分量11個(gè)，c2～c5為優(yōu)勢(shì)頻段。綜上所述，測(cè)點(diǎn)信號(hào)優(yōu)勢(shì)頻段為c2～c6。限于篇幅，列出測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向EMD分解圖，如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向EMD分解圖

3.3 EMD能量熵分析

為分析IMF的能量關(guān)系，對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD能量熵分析。EMD能量熵為IMF能量與信號(hào)總能量的比值[18]。利用Matlab軟件得到測(cè)點(diǎn)信號(hào)優(yōu)勢(shì)頻段的EMD能量熵，見(jiàn)表3。 由表3可知，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向c2分量EMD能量熵最大(0.073 1)，V向c4最大(0.636 0)，L向c4最大(0.189 0)；測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向c6分量EMD能量熵最大(0.439 8)，V向c3最大(0.781 7)，L向c3最大(0.780 5)。由此可知，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向主分量為c2，V向、L向?yàn)閏4；測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向主分量為c6，V向、L向?yàn)閏3。

表3 信號(hào)EMD能量熵

4 小波與EMD的對(duì)比分析

4.1 分解對(duì)比分析

利用Matlab軟件得到信號(hào)小波和EMD分解三維圖(限于篇幅，列出測(cè)點(diǎn)2，如圖5所示)。 測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向小波分量D4、A5有明顯振速(27.4 mm/s、29.1 mm/s)，而EMD分量c2有明顯振速(16.0 mm/s)；V向小波分量D2、D3有明顯振速(65.0 mm/s、47.6 mm/s)，而EMD分量c1、c4有明顯振速(53.0 mm/s、30.0 mm/s)；L向小波分量D2、D3有明顯振速(22.4 mm/s、20.6 mm/s)，而EMD分量c1、c4有明顯振速(23.8 mm/s、11.2 mm/s)。

由圖5可知，測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向小波分量D2、D4有明顯振速(15.4 mm/s、17.9 mm/s)，而EMD分量c1有明顯振速(13.4 mm/s)；V向小波分量D4有明顯振速(18.1 mm/s)，而EMD分量c3有明顯振速(10.4 mm/s)；L向小波分量D2、D3、D4有明顯振速(18.6 mm/s、15.5 mm/s、22.3 mm/s)，而EMD分量c1、c2、c3有明顯振速(14.9 mm/s、12.8 mm/s、19.0 mm/s)。

綜上所述，小波與EMD分解三維圖明顯峰值振速的個(gè)數(shù)相當(dāng)(相差至多為1)，分解結(jié)果具有相似性。此外EMD的低頻分量比小波多，更能反映信號(hào)的低頻信息。

圖5 測(cè)點(diǎn)2信號(hào)各方向小波分解及EMD分解三維圖

4.2 小波能譜系數(shù)與EMD能量熵對(duì)比分析

利用Matlab軟件得到測(cè)點(diǎn)信號(hào)的小波能譜系數(shù)和EMD能量熵對(duì)比圖(限于篇幅，列出測(cè)點(diǎn)2，如圖6所示)。由圖6可知，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向D1～D5小波能譜系數(shù)較小(0～0.2)，A5增大至0.66，而c2～c6 EMD能量熵在0～0.1波動(dòng)；V向D1、A5小波能譜系數(shù)較小(0～0.1)，D2～D5較大(0.15～0.3)，而c2～c3、c5～c6 EMD能量熵較小(0.1～0.21)，c4較大(0.63)；L向D1～D5小波能譜系數(shù)較小(0～0.1)，A5增大至0.72，而c2～c6 EMD能量熵在0～0.2波動(dòng)。

測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向D1～D4小波能譜系數(shù)遞增至0.35，D5～A5遞減至0.13，而c2～c6 EMD能量熵遞增至0.44；V向D1～D3、D5～A5小波能譜系數(shù)較小(0～0.2)，D4較大(0.56)，而c2～c3 EMD能量熵遞增至0.78，c4～c6遞減至0.14；L向D1～D4小波能譜系數(shù)遞增至0.49，D5～A5遞減至0.1，而c2～c3 EMD能量熵遞增至0.78，c4～c6遞減至0.15。

綜上所述，信號(hào)V向小波能譜系數(shù)與EMD能量熵隨頻率降低呈先增后減趨勢(shì)，而T向、L向小波能譜系數(shù)與EMD能量熵變化趨勢(shì)不同。當(dāng)距爆源距離增大時(shí)，T向小波能譜系數(shù)由遞增變?yōu)橄仍龊鬁p，EMD能量熵由波動(dòng)變?yōu)檫f增；L向小波能譜系數(shù)由遞增變?yōu)橄仍龊鬁p，EMD能量熵由波動(dòng)變?yōu)橄仍龊鬁p。

4.3 安全評(píng)估對(duì)比分析

為便于利用爆破安全判據(jù)進(jìn)行分析，分別對(duì)小波和EMD主分量進(jìn)行頻譜分析，得到峰值頻率，見(jiàn)表4。由表4可知，測(cè)點(diǎn)信號(hào)V向小波與EMD主分量峰值頻率相近。其中測(cè)點(diǎn)1峰值頻率分別為29.10 Hz、34.71 Hz，測(cè)點(diǎn)2分別為36.10 Hz、44.84 Hz。T向、L向主分量峰值頻率相差較大。其中測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向峰值頻率分別為1.50 Hz、48.64 Hz，相差47.14 Hz；L向分別為1.50 Hz、27.02 Hz，相差25.52 Hz。測(cè)點(diǎn)2信號(hào)T向峰值頻率分別為45.51 Hz、4.50 Hz，相差40.01 Hz；L向分別為36.32 Hz、29.37 Hz，相差6.95 Hz。

由爆破振動(dòng)效應(yīng)有關(guān)理論可知，T向、L向爆破振動(dòng)波在傳播過(guò)程中分別使介質(zhì)體產(chǎn)生橫向剪切變形和徑向伸縮變形，易對(duì)礦柱造成影響；V向則使介質(zhì)體產(chǎn)生豎向剪切變形，易對(duì)井下巷道及采空區(qū)造成影響?，F(xiàn)根據(jù)深孔爆破信號(hào)評(píng)估情況，分別對(duì)井下巷道、礦柱及采空區(qū)安全控制提出相應(yīng)技術(shù)措施。

4.3.1 礦山巷道

測(cè)點(diǎn)1信號(hào)V向最大振速為93.2 mm/s，峰值頻率為29.10 Hz(考慮最不利情況)，符合《爆破安全規(guī)程》[19](礦山隧道：主振頻率10 Hz≤f≤50 Hz，安全允許質(zhì)點(diǎn)振速180～250 mm/s)。但是，93.2 mm/s速度較大，需引起重視。 結(jié)合測(cè)點(diǎn)1距爆源距離(18 m)判斷， 在距爆源0～20 m范圍內(nèi)， 爆破振動(dòng)可能會(huì)對(duì)采礦進(jìn)路及運(yùn)輸巷道造成不同程度的破壞。

該區(qū)域礦體圍巖為角礫巖，鈉長(zhǎng)石化板巖等，圍巖的穩(wěn)定性良好。 礦石堅(jiān)固性系數(shù)為8～10， 穩(wěn)固性中等。在掘進(jìn)中容易產(chǎn)生掉塊、片幫等現(xiàn)象，為避免炮孔孔口變形及破壞同時(shí)保障后期作業(yè)及人員安全，可對(duì)采礦進(jìn)路采取噴錨支護(hù)，對(duì)運(yùn)輸巷道采取速噴支護(hù)(厚100 mm)。

圖6 測(cè)點(diǎn)2各方向的小波能譜系數(shù)和EMD能量熵對(duì)比圖

表4 小波與EMD分解主分量峰值頻率

4.3.2 礦柱及采空區(qū)

由于《爆破安全規(guī)程》未對(duì)礦柱做出明確要求，故結(jié)合美國(guó)USBM和OSMRE爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)分析。 測(cè)點(diǎn)1信號(hào)T向最大振速為49.0 mm/s，峰值頻率為1.5 Hz(考慮最不利情況)，超過(guò)美國(guó)USBM和OSMRE爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)(頻率1.5 Hz，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度約10 mm/s)。 說(shuō)明爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)周邊礦柱造成破壞影響。 當(dāng)開(kāi)采完成后，隨著地壓變化，礦柱可能進(jìn)一步破壞。 測(cè)點(diǎn)1信號(hào)V向最大振速(93.2 mm/s)較大，考慮到圍巖存在結(jié)構(gòu)面、軟弱層，爆破振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)頂板圍巖產(chǎn)生冒落、垮塌等現(xiàn)象，因該礦地表不允許陷落，不能采用強(qiáng)制崩落的方法處理采空區(qū)。膠結(jié)充填主要分塊石膠結(jié)充填和尾砂膠結(jié)充填。該礦掘進(jìn)廢渣充足，且有較大量的選礦尾砂生成。建議該礦后期對(duì)采空區(qū)進(jìn)行塊石和尾砂綜合膠結(jié)充填處理。

5 結(jié) 論

1) 測(cè)點(diǎn)信號(hào)V向小波能譜系數(shù)與EMD能量熵隨頻率降低呈先增后減趨勢(shì)。因受周圍諸多巷道阻斷或反射影響，T向、L向小波能譜系數(shù)與EMD能量熵變化趨勢(shì)不同。當(dāng)距爆源距離增大時(shí)，T向小波能譜系數(shù)由遞增變?yōu)橄仍龊鬁p，EMD能量熵由波動(dòng)變?yōu)檫f增；L向小波能譜系數(shù)由遞增變?yōu)橄仍龊鬁p，EMD能量熵由波動(dòng)變?yōu)橄仍龊鬁p。

2) 測(cè)點(diǎn)信號(hào)V向小波與EMD主分量峰值頻率相近，范圍在29.10～44.84 Hz；T向、L向主分量峰值頻率相差較大，范圍在1.50～48.64Hz。

3) 通過(guò)爆破振動(dòng)信號(hào)安全評(píng)估，建議對(duì)井下采礦進(jìn)路進(jìn)行噴錨支護(hù)，運(yùn)輸巷道進(jìn)行速噴支護(hù)，后期采空區(qū)進(jìn)行塊石和尾砂綜合膠結(jié)充填處理。