微差爆破振動波速度峰值-位移分布特征的延時控制*

樓曉明,周文海,簡文彬,鄭俊杰

(1.福州大學紫金礦業學院，福建 福州 350116；2.福州大學爆炸技術研究所，福建 福州 350116；3.福州大學環境與資源學院，福建 福州 350116；4.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074)

微差爆破振動波速度峰值-位移分布特征的延時控制*

樓曉明1,2,周文海1,簡文彬3,鄭俊杰4

(1.福州大學紫金礦業學院，福建 福州 350116；2.福州大學爆炸技術研究所，福建 福州 350116；3.福州大學環境與資源學院，福建 福州 350116；4.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074)

為了通過振動波傳播規律研究微差爆破延時控制，改善爆破振動和提高爆炸能利用，選取普通雷管和澳瑞凱高精度雷管進行不同段別延期起爆對比實驗，試爆過程對振動波測振?；谡駝硬ê瘮祪灮碚摶A，對實測數據和波狀譜處理分析，總結了不同微差時間下振動波傳播規律及速度峰值、主頻、頻帶能量、總能量等變化特征，根據該特征發現振動波速度圖譜和該速度積分所得位移圖譜中兩者最大值對應時間點相同。依據此速度峰值-振動位移分布特征，對某實測簡單振動波進行高斯多峰擬合，結果表明：該波段能量最大化時間點為60 ms左右，振動最小的時間點為25 ms左右。

爆炸力學；延時控制；多峰擬合；微差爆破；爆破振動；峰值速度

很多學者對微差爆破延時控制振動危害和爆破效果進行了研究，如：D.S.Kim等[1]通過對巖石介質中振動波波譜分析，得出了爆破振動波隨微差時間變化的傳播規律；婁建武等[2]利用振動信號識別技術，通過觀測振動波能量分布特征，給出了最佳爆破控制方案；Y.Lu等[3]通過研究爆破過程中振動波引起的巖石質點模型結構響應規律，探究了最佳延期時間。然而，爆破振動波信號屬于隨機不穩定元素，利用能量、頻譜、小波變換等作為載體給分析帶來諸多不便。

本文中，為確保準確性和實用性，進行普通雷管和澳瑞凱雷管不同微差起爆方式的對比測振實驗，分析實測振動波信號隨微差時間改變過程中振動波傳播速度、能量、頻率等的變化規律，發現振動波速度峰值對應時間點與該波段積分所得位移波段的最大振動位移對應時間點基本吻合，說明峰值速度可作為降振研究指標[4]。

1 實 驗

德爾尼露天礦4 278 m平臺緊鄰高陡邊坡，巖層較破碎。為保證爆破后邊坡穩定，將該平臺分成并列的普通雷管爆區和澳瑞凱雷管爆區，進行爆破振動對比實驗：每爆區劃分為3個實驗場所，采用相同起爆網絡和3種不同微差時間。澳瑞凱雷管爆區3個場所的地表排孔間分別采用(65 ms、17 ms)、(65 ms、25 ms)、(65 ms、42 ms)延期雷管，孔內采用14 m腳線400 ms延期雷管和7 m腳線425 ms延期雷管；普通雷管爆區孔內采用380 ms延期雷管，地表排孔間分別采用(100 ms、25 ms)、(100 ms、50 ms)、(100 ms、75 ms)延期雷管。爆區Ⅰ的網絡連線和環境如圖1～2所示，圖中：左側孔內采用10段380 ms、排間5段100 ms、孔間2段25 ms普通導爆管雷管；右側孔內采用17段425 ms、排間5段65 ms、孔間2段17 ms澳瑞凱毫秒延期雷管。

圖1 爆破實驗起爆網絡Fig.1 Initiating circuit of blasting experiment

圖2 爆區環境Fig.2 Blasting environments

2 不同延時條件下爆破振動波傳播規律

采用Blast-UM型爆破測振儀對兩爆區6個實驗場所進行測振，每個實驗場所有3個測點，每個測點距測振儀空間距離約170 m。

普通雷管爆區Ⅱ測點1，距測振儀水平距離161.92 m，高差64 m，空間距離173.25 m。實測的振動數據見表1，速度波形如圖3所示。澳瑞凱雷管爆區Ⅱ測點1，距測振儀水平距離157.43 m，高差64 m，空間距離169.93 m。實測的振動數據見表2，速度波形如圖4所示。其中，vm為最大振動速度，tm為最大振動速度對應時間，fh為半波頻，fFFT為FFT主頻。

表1 普通雷管爆區Ⅱ測點1數據Table 1 Data of measuring point 1on ordinary detonator blasting area Ⅱ

表2 澳瑞凱雷管Ⅱ爆區測點1數據Table 2 Data of measuring point 1on Orica detonator blasting area Ⅱ

實驗對比顯示：(1)普通雷管爆區振速波形分散、疊加不明顯，峰值速度較大；高精度雷管爆區速度波子波較密集，相互疊加干擾現象顯著，峰值速度較小。(2)普通雷管爆區振動頻率信號遠小于澳瑞凱雷管爆區，且多分布在低頻帶；而澳瑞凱雷管爆區頻率信號分布較廣，大多集中在中高頻頻帶。證明普通爆區振動波周期較大，波形疊加不夠明顯。(3)在三軸振動速度信號頻譜上，隨著微差時間的遞增，兩爆區的振動波質點合成速度峰值存在收斂性和能量匯聚現象。原因是振動速度函數可表示時域信號，依據振動波疊加原理說明振動波對微差時間存在收斂性[5]。(4)隨著振動波的傳播，出現子波疊加，波形陡然攀升，澳瑞凱雷管爆區更明顯。原因是澳瑞凱雷管精度高，波周期小，拉近了波能疊加密度，使能量匯聚明顯，因此澳瑞凱雷管合理延期時間能夠更有效地控制爆破效果。

實測的6個實驗場所18個測點測振數據見表3。由表3可知：(1)隨著雷管微差時間遞增，兩爆區振動波最大合成速度先減后增，普通爆區變化率更顯著，合成速度不穩定性增強，說明微差時間的改變直接影響振動波速度峰值大小。(2)普通雷管爆區振動波出現最高主頻對應時間點較分散，數據穩定性較差，而澳瑞凱雷管爆區振動波出現最高主頻對應時間點較集中，數據穩定性強；并且兩爆區都隨微差時間遞增，振動波主頻率呈遞先減后增趨勢，且普通雷管爆區變化率更顯著。再次證明了澳瑞凱雷管適當的微差時間選取，能夠更有效地控制爆破振動效應。最大合成振速和FFT主頻，如圖5～6所示。

圖3 普通雷管爆區Ⅱ測點1速度Fig.3 Velocities of measuring point 1 on ordinary detonator blasting area Ⅱ

圖4 澳瑞凱雷管爆區Ⅱ測點1速度Fig.4 Velocities of measuring point 1 on Orica detonator blasting area Ⅱ

表3 測振數值匯總Table 3 Vibration numerical reservoir

圖5 最大合成速度Fig.5 Largest synthesis velocity

圖6 FFT主頻Fig.6 FFT main frequency

通過對比實測振動波波段頻譜和功率譜，發現：(1)隨著微差時間遞增，主頻持續時間增大，但主頻幅值減小。原因是，微差時間不同導致振動信號在傳播過程中相位交錯疊加，稀疏了疊加密度，致使谷峰衰減。(2)爆破振動波波段能量整體變化趨勢為逐漸降低，起初頻帶能量持續時間無固定規律，但后期高頻能量持續時間加長，中間還出現頻帶能量突變效應，主頻持續時間增長與總能量呈線性關系[6]。通過微差時間改變引起振動波段能量變化的規律說明，不同的微差控制既可改善爆破振動的效果，也可以更好地利用爆炸能量。

3 基于谷峰-位移分布特征的延期控制

振動波為多種子波疊加而成，很難用理論時間來控制具體延期起爆。本文中，選取單孔延期起爆測得的振動波(見圖7)作為研究對象，將峰值速度-能量分析轉化為實測簡單波段谷峰-位移分布特征分析。通過對微差爆破獲得速度波段分析，確定波段主要的突變點、微差爆破過程中炮孔的微差時間、相鄰炮孔間最佳延期時間。

由圖7可見，速度波段中出現了6個突出的速度谷峰，分別為：(0.117,0.362)、(0.135,-0.356)、(0.395,0.480)、(0.423,-0.376)、(0.476,-0.492)、(0.495,0.383)。圖8為該振動波速度波段積分所得的振動位移。當t=0.476 s時，振動波速度達到峰值0.492 cm/s，此刻，振動位移s=0.003 2 cm也達到最大，所以可確定該時間點為該振動波疊加能量最大(振動最嚴重)。

爆破能量最大化的時間點和爆破振動最小時間點的確定，對爆破振動至關重要。為獲得簡單、疊加干擾較少的波形，在爆區附近實施單孔延期試爆，用測振儀獲取該波段三軸速度與對應時間，導入Excel進行矢量合成，得到合成速度。將該數據導入Origin 9.0軟件，繪制的合成速度如圖9所示。

圖7 振動波峰值Fig.7 Vibrated peak positions

圖8 地面振動位移Fig.8 Vibrated displacements

圖9 合成速度Fig.9 Synthetic velocity

通過上述研究和速度波段積分原理可知，速度波段中主要的突變點(波峰、波谷)可作為延期控制降振研究對象。為獲取該波段谷峰主要信息，對該波段采取多峰擬合，整個過程用高斯法進行數據擬合。采用最小方差原則，對高斯參數調整和限定，可得到各峰值高度、寬度、峰區面積、峰中心位置及對應時間等。為獲取能量最大化和爆破振動最小時間點，對該波段谷峰分別進行擬合，由于諸多隱峰的存在，所以擬合關鍵步驟為尋峰。

圖10～11為最小峰值的分布點和擬合曲線，表4～5為最小峰值的區間參數和速度方差。最小峰值(波谷)擬合顯示：相關系數Adj.R-square=0.975 56(接近1)，表明數據相關性較好，能夠有效地反映振動波質點的離散程度；卡方系數Reduced Chi-Sqr=0.136 32(趨近0)，也表明擬合值與實際值之間偏差程度尚可接受。所以，可用此最小峰值擬合作為研究樣本。通過圖11最小峰值(波谷)擬合曲線觀察發現，多峰擬合積累曲線突出集中處對應時間點為25 ms左右，根據上述合成速度積分理論可知，該處振動位移最小，可作為爆破振動最小時間點。吳賢振等[7]通過LS-DYNA動力有限元軟件模擬多段微差爆破效果，結果顯示最佳降振時間為25 ms左右，與本文實驗結果一致。

圖10 最小峰值分布點Fig.10 Minimum peak distribution points

圖11 最小峰值擬合曲線Fig.11 Minimum peak fitting curves

表4 最小峰值區間參數Table 4 Minimum peak interval parameters

表5 最小峰值時間-速度方差Table 5 Minimum peak time and velocity variance

圖12～13為最大峰值的分布點和擬合曲線，表6～7為最大峰值的區間參數和速度方差。同樣，最大峰值(波峰)擬合顯示：相關系數Adj.R-square=1，卡方系數Reduced Chi-Sqr=1.940 75×10-8，表明該擬合值與實際值基本吻合，可作為研究樣本。通過圖13最大峰值擬合曲線觀察發現，多峰擬合積累曲線集中處對應時間點為60 ms左右，所以該時間點對應的振動位移最大，可作為爆破能量利用最大化時間點。

圖12 最大峰值分布點Fig.12 Maximum peak distribution points

圖13 最大峰值擬合曲線Fig.13 Maximum peak fitting curves

表6 最大峰值區間參數Table 6 Maximum peak interval parameters

表7 最大峰值時間-速度方差Table 7 Maximum peak time and velocity variance

4 結 論

(1)普通雷管起爆產生的振動波波形較分散，波形疊加較少，峰值速度較大，振動主頻分布在低頻帶；澳瑞凱雷管起爆產生的振動波波形疊加干擾嚴重，速度峰值較小，振動頻率信號分布較廣，多集中在中高頻帶，在三軸振動速度頻譜上，能量和速度匯聚現象顯著。說明在工程爆破中高精度雷管比普通雷管爆破效果好。

(2)隨著微差時間的遞增，爆破振動波波段能量整體變化極不穩定，主頻持續時間增長與總能量呈線性關系，質點合成峰值速度與主頻存在收斂性，合成速度和主頻都出現先衰減后增強的趨勢。其中普通雷管爆區變化率遠高于澳瑞凱雷管爆區，數據不穩定性更大。

(3)根據振動波速度圖譜和該速度積分所得位移圖譜，發現兩者最大值(速度峰值和最大振動位移)對應時間點吻合，依據此速度峰值-振動位移分布規律對實測簡單速度波形進行多峰擬合，利用擬合所得積累曲線可得到該波段能量最大化和爆破振動最小狀態對應時間點。

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(責任編輯 丁 峰)

Control of delay time characterized by distribution of peak velocity-displacement vibration of millisecond blasting

Lou Xiaoming1,2, Zhou Wenhai1, Jian Wenbing3, Zheng Junjie4

(1.CollegeofZijinMining,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;2.InstituteforExplosiveTechnology,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;3.CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;4.CollegeofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,Hubei,China)

In order to improve the blasting vibration and boost the efficiency of blasting energy, this paper mainly focuses on the delay time control research through transmission law. We performed an experiment with a delayed-detonation scheme in different period, which selects common detonator and Orica high precision detonator. The measured vibration of the earthquake wave is based on seismic wave function optimization theory foundation. The measured data and wavy figure were acquired through it, then we found out the variation characteristics of the rules of earthquake wave propagation, peak velocity, domain frequency, band energy and the total energy in different delayed period. At the same time, according to the characteristics to find velocity map which Synthesized by triaxialvibration wave and displacement map which assembled by speed Calculus correspond to the maximum in same time. On the basis of peak velocity-vibration displacement distribution characteristics, fitting method for Gaussian multi-peak is applied for measured vibration wave, to give the band energy maximize time points aboutt=60 ms, blasting vibration around the minimum time fort=25 ms.

mechanics of explosion; time delay control; multi-peaks fitting; millisecond blasting; blasting vibration; peak velocity

10.11883/1001-1455(2016)06-0839-08

2015-04-09； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-07-01

2015-07-01

國家自然科學基金項目(41072232)；福建省自然科學基金項目(2011J01310)

樓曉明(1972— )，男，博士，副教授，Lxm@fuz.edu.cn。

O382.2 <國標學科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1303520 文獻標志碼：A國標學科代碼：1303520

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