張國勝 郭 斌 劉永亮 張云鵬 楊 曦

①河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司(河北唐山，063000)

②華北理工大學(xué)河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室(河北唐山，063000)

引言

近些年來，隨著礦山行業(yè)的發(fā)展，礦石開采過程中的爆破振動對周圍環(huán)境的影響也逐漸被社會關(guān)注。尤其是爆破過程中產(chǎn)生的爆破地震波，會引起礦山周圍建筑物的振動，如果其強(qiáng)度超過一定閾值，就會造成礦山周圍建筑物不同程度的破壞[1-3]。對爆破地震波產(chǎn)生的振動效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究的工作一直在進(jìn)行，研究對象眾多[4-8]。但是，礦區(qū)周圍村鎮(zhèn)較多，建筑主體多以單層磚混結(jié)構(gòu)房屋為主，而目前針對單層磚混結(jié)構(gòu)房屋地基與墻壁振動響應(yīng)的研究還相對較少，急需開展相應(yīng)的研究。

爆破振動信號為非常典型的非平穩(wěn)信號[9]。朱權(quán)潔等[10]充分利用小波包技術(shù)，分析了礦山生產(chǎn)產(chǎn)生的爆破信號，并與巖石破裂產(chǎn)生的信號進(jìn)行了對比，確定了其各自的能量頻帶分布特征。龔敏等[11]對隧道開采過程中的爆破振動信號進(jìn)行了采集，運用希爾伯特黃變換(Hilbert Huang transform，HHT)和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)對不同雷管延期時間的瞬時能量進(jìn)行了分析。趙國彥等[12]采用頻率切片小波變換(frequency slice wavelet transform，F(xiàn)SWT)對巖體微振和爆破振動信號在不同頻域的能量比例進(jìn)行了研究。Trivi?o等[13]對不同爆破條件下的爆破地震波進(jìn)行分析，確定了其能量和頻率的變化規(guī)律。

針對礦區(qū)周邊的單層磚混結(jié)構(gòu)房屋的地基與墻壁，根據(jù)運籌模態(tài)分析(operational modal analysis，OMA)理論，對采集到的爆破地震波信號，運用HHT和小波包分解的方法，獲取其模態(tài)參數(shù)，分析爆破地震波不同頻段的貢獻(xiàn)率，并確定其頻域能量特征。提出了爆破減振方法，并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗證。

1 工程概況與監(jiān)測方法

某礦露天生產(chǎn)爆破時，對采場附近單層磚混結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行監(jiān)測，獲取振動響應(yīng)信號數(shù)據(jù)。監(jiān)測點距離爆區(qū)820 m。

露天生產(chǎn)爆破采用逐孔起爆技術(shù)。臺階高度14.0～15.5 m；炮孔直徑310 mm；孔深16.0～17.5 m(超深2.0 m，填塞長度7.0～7.5 m)；礦石孔網(wǎng)參數(shù)(7～8)m×(6～7)m；巖石孔網(wǎng)參數(shù)(5～9)m×(4～8)m；使用的炸藥為銨油、乳化炸藥；礦石炸藥單耗為0.45～1.00 kg/m3；巖石炸藥單耗為0.40～0.45 kg/m3。

使用中科院TC-4850型爆破測振儀，主要監(jiān)測單層磚混結(jié)構(gòu)房屋的墻壁與地基的爆破振動情況。地基測點為B6。墻壁各測點分別為B2、B3和B4，各個測點之間的距離為80 cm，如圖1所示。

圖1 墻壁測點(單位:cm)Fig.1 Measuring points on the wall(unit:cm)

2 爆破振動信號分析

2.1 爆破振動影響下地基模態(tài)參數(shù)計算

根據(jù)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測結(jié)果，得到房屋地基X、Y、Z3個方向的振速時程信號。分別對這3個方向的振速時程信號進(jìn)行EMD處理，就可以得到不同的數(shù)據(jù)序列，每個序列稱為固有模態(tài)函數(shù)(instrinsic mode function，IMF)，然后分別對IMF進(jìn)行HHT處理，得到相應(yīng)信號在11階固有模態(tài)下的分解信號。以地基在Y方向的爆破振動信號為例，結(jié)果見圖2。

圖2 地基測點Y方向爆破振動信號的IMF分量和剩余分量rFig.2 IMF component and residual component r of blasting vibration signal in Y direction of measuring point on ground foundation

然后，進(jìn)行方差貢獻(xiàn)率分析，得到房屋地基X、Y、Z3個方向的IMF貢獻(xiàn)率，如圖3所示。觀察可知:3個方向的信號在5、6階的IMF貢獻(xiàn)率均較高；其中，第5階的IMF貢獻(xiàn)率略高；7、8、9階次之；其他序列IMF貢獻(xiàn)率過低，可忽略不計。

圖3 地基測點IMF分量的貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of IMF component of measuring point on ground foundation

對Y方向各個序列的振速時程信號分別進(jìn)行10層小波包分解，得到其歸一化能量譜圖，分析后可得其各階固有頻率，如圖4所示。由此可知，3個方向的信號在54.67 Hz的IMF貢獻(xiàn)率較高。

圖4 IMF1～I(xiàn)MF11各階的固有頻率Fig.4 Natural frequencies of IMF1-IMF11

2.2 爆破振動影響下墻壁模態(tài)參數(shù)計算

在開展地基爆破振動信號監(jiān)測的同時，在墻壁進(jìn)行鉆孔，安裝膨脹螺栓，再用固定架套住探頭，并將其固定在膨脹螺栓上，對墻壁各個測點也開展相應(yīng)的監(jiān)測工作。得到單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁各個測點X、Y、Z3個方向的振速時程信號。分別對3個方向的振速時程信號進(jìn)行EMD處理，就可以得到相應(yīng)信號在10階固有模態(tài)下的分解信號。B2測點在Y方向的爆破振動信號處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 墻壁B2測點Y方向的爆破振動信號的IMF分量和剩余分量rFig.5 IMF component and residual component r of blasting vibration signal in Y direction of Measuring Point B2 on the wall

根據(jù)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測與上述計算結(jié)果，進(jìn)行方差貢獻(xiàn)率分析，得到單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁B2測點X、Y、Z3個方向的IMF貢獻(xiàn)率，如圖6所示。觀察可知，3個方向信號的主導(dǎo)IMF貢獻(xiàn)率并不相同。X方向，6階IMF貢獻(xiàn)率最高；Y方向，4階IMF貢獻(xiàn)率最高；Z方向，5階IMF貢獻(xiàn)率最高。與地基各階IMF貢獻(xiàn)率相比，存在明顯差異。這說明單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁的動力響應(yīng)與地基的動力響應(yīng)相比，其起主導(dǎo)作用的振動頻率并不相同。

圖6 墻壁B2測點IMF分量的貢獻(xiàn)率Fig.6 Contribution rate of IMF component of Measuring Point B2 on the wall

對單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁B2測點Y方向各個序列的振速時程信號分別進(jìn)行10層小波包分解，得到其歸一化能量譜圖，分析后可得其各階固有頻率，如圖7所示。X方向，在23.43 Hz的IMF貢獻(xiàn)率最高；Y方向，在54.67 Hz的IMF貢獻(xiàn)率最高；Z方向，在23.43 Hz的IMF貢獻(xiàn)率最高。

圖7 IMF1～I(xiàn)MF10各階的固有頻率Fig.7 Natural frequencies of IMF1-IMF10

2.3 爆破振動作用下頻域能量分析

為進(jìn)一步分析不同位置的頻域能量變化規(guī)律，對各個測點Y方向的爆破振動信號進(jìn)行降噪處理后，進(jìn)行db8小波包分解，得到其歸一化能量分布圖，如圖8所示。每個頻段的大小為7.81 Hz。

觀察圖8可知，各個測點的能量分布主要集中7.81～31.24 Hz(低)、46.86～62.48 Hz(高)兩個頻段范圍內(nèi)，其中，各個測點受高頻成分影響較大。其中，低頻段以15.62～23.43 Hz為主；高頻段以54.67～62.48 Hz為主。觀察B2、B3、B4測點可知:隨著墻壁高度的增加，在低頻段，低頻能量逐漸減小；在高頻段，高頻能量逐漸增加。

圖8 地基與墻壁各測點在不同頻段的歸一化能量分布Fig.8 Normalized energy distribution of measuring points on foundation and wall

目前，國內(nèi)多以GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》為依據(jù)，對爆破地震波是否對房屋安全產(chǎn)生不利影響進(jìn)行判定。其中，采用保護(hù)對象所在地質(zhì)點峰值振動速度和主振頻率為主要依據(jù)。但是，從上述分析結(jié)果中可以看出:隨著高度的增加，墻壁上測點高頻段能量逐漸增大，并超過地基高頻段的能量；低頻段的能量逐漸減小。當(dāng)墻壁測點高、低頻段能量均高于地基在高、低頻段的能量，或其總和高于地基在高、低頻段的能量的總和，那么，只以所在地質(zhì)點的振速和主頻為依據(jù)，判別房屋的穩(wěn)定性，可能會產(chǎn)生一定的誤差。同時，房屋是由不同結(jié)構(gòu)組成的，由于其固有頻率的影響，對爆破地震波中的不同頻率成分的敏感性也不相同。故不同結(jié)構(gòu)對爆破地震波會產(chǎn)生不同的響應(yīng)，并帶來不同的損傷，這還需要作進(jìn)一步的研究。

3 爆破減振技術(shù)

應(yīng)用數(shù)碼電子雷管可以利用合理的延期起爆時間和裝藥結(jié)構(gòu)，使不同的爆破地震波波形峰谷疊加，進(jìn)而達(dá)到減小爆破振動效應(yīng)的目的。

應(yīng)用Ls-DYNA建立數(shù)值模型，如圖9所示。模型長100 m、高24 m。模擬時間50 000μs。炸藥與巖石采用的材料模型分別為Mat＿High＿Explosive＿Burn和Mat＿Plastic＿Kinematic。采用JWL狀態(tài)方程。根據(jù)礦山實際，并參考前人經(jīng)驗，確定狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示；巖石材料的力學(xué)參數(shù)見表2。

圖9 裝藥模型Fig.9 Charge model

表1 狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 State equation parameters

提取A點的爆破振速(圖10)，最大值達(dá)到100 cm/s。但是，如果采用如圖9(b)所示的間隔裝藥方式，通過合理控制延期起爆時間，使兩個藥包間隔半個周期(400μs)起爆，就可以使兩個藥包附近位置的波形產(chǎn)生峰谷疊加效應(yīng)(圖11)，進(jìn)而達(dá)到減小爆破振動效應(yīng)的目的。同時，起爆的總藥量沒有改變，但在相同距離上，B點的質(zhì)點振速峰值為90 cm/s(圖12)，較原來減小了10%。

圖10 連續(xù)裝藥A點的質(zhì)點振速Fig.10 Particle vibration velocity of Point A in continuous charge

圖11 峰谷疊加效應(yīng)Fig.11 Peak-valley superposition effect

圖12 疊加后B點的質(zhì)點振速Fig.12 Particle vibration velocity of Point B after superposition

為進(jìn)一步驗證方法的可行性，建立單層磚混結(jié)構(gòu)房屋數(shù)值模型(圖13)。首先，將采集到的地震波施加于模型底面，并采集房屋地表與墻壁振動數(shù)據(jù)。然后，在模型底面分區(qū)域間隔半個周期，分別施加地震波，并采集房屋地表與墻壁振動數(shù)據(jù)。結(jié)果如表3所示。疊加后振速明顯小于疊加前振速，進(jìn)一步確定了模擬的準(zhǔn)確性。

圖13 單層磚混結(jié)構(gòu)房屋數(shù)值模型Fig.13 Numerical model of the single-layer brick-concrete building

表3 疊加前、后不同位置的振速Tab.3 Vibration velocity of different points before and after superposition cm/s

4 結(jié)論

通過對礦區(qū)周圍單層磚混結(jié)構(gòu)房屋爆破振動信號的采集，根據(jù)OMA方法相關(guān)理論，對采集到的爆破地震波信號，運用HHT和小波包分解的方法對其進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

1)確定了單層磚混結(jié)構(gòu)房屋地基與墻壁爆破振動信號的各階固有頻率和不同振動方向各階的IMF貢獻(xiàn)率，地基與墻壁的IMF貢獻(xiàn)率存在明顯差異，地基高頻序列(54.67 Hz)的IMF貢獻(xiàn)率較高，墻壁低頻序列(23.43 Hz)的IMF貢獻(xiàn)率較高。

2)墻壁各個測點的能量分布主要集中7.81～31.24 Hz(低)、46.86～62.48 Hz(高)兩個頻段范圍內(nèi)，各個測點受高頻成分影響較大。其中，低頻段以15.62～23.43 Hz為主，高頻段以54.67～62.48 Hz為主。隨著墻壁高度的增加，在低頻段，低頻能量逐漸減?。辉诟哳l段，高頻能量逐漸增加。不同位置處的能量并不相同。

3)通過分段裝藥與半周期延時起爆，使爆破地震波出現(xiàn)峰谷疊加現(xiàn)象，可以減小爆破振動效應(yīng)，降低質(zhì)點振速。