總藥量對爆破振動信號頻帶能量分布的影響

田益琳， 田 靖

(河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司， 河北 唐山市 063700)

總藥量對爆破振動信號頻帶能量分布的影響

田益琳， 田 靖

(河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司， 河北 唐山市 063700)

以研山鐵礦露天開采工程為依托，采用定點觀測的方法對礦區邊坡進行爆破振動監測。根據爆破振動信號具有非平穩的特點，利用小波包分析技術對現場監測的爆破振動信號進行了時頻特征分析。總結了不同總藥量下的研山鐵礦爆破振動信號能量頻帶分布規律，研究表明：總藥量對爆破振動強度有較大影響，隨著總藥量的增加，其爆破振動信號頻帶的能量有增加的趨勢；并且主振頻帶有向低頻發展的趨勢，不利于工程建(構)筑物的安全。

爆破振動；小波包分析；能量分布；總藥量

0 引 言

爆破是礦山開采、巖土工程開挖中的重要工序之一，然而在爆破過程中產生的爆破地震效應對邊幫的穩定及周邊建筑設施的安全造成一定的負面影響。由于爆破振動波具有瞬變性、瞬時性的特點，盡管很多學者對其進行了研究[1￣3]，爆破地震效應依然是困擾采礦工程界的一大復雜課題[4]。

爆破振動信號分析是研究爆破振動危害的基礎，也是控制爆破振動的前提[5]。隨著小波包理論的發展及其在爆破振動信號分析領域的應用，使得爆破地震效應的研究取得了突破性的進展。凌同華等[5￣6]運用小波包分析技術研究了單段及多段爆破條件下的爆破振動信號頻帶能量分布特征。費鴻祿[7]等，采用小波包分析技術研究了隧道掘進爆破振動對地表影響。韓亮[8]等利用小波包分析技術探索了深孔臺階爆破在近區和遠區的振動特征，發現最大段藥量或爆心距增加時，近區及遠區的能量均向低頻帶流動，近區的移動速度更快，同時近區及遠區能量分布的頻帶寬度也將趨于集中，近區的頻帶寬度更寬。凌同華[9]等運用小波包技術研究了爆心距對爆破振動信號頻帶能量分布的影響。

目前國內外針對總藥量對爆破振動信號頻帶能量影響的研究尚不多見，本文依托研山鐵礦露天爆破現場工程，運用小波包技術，從頻帶能量的角度出發，探討在不同總藥量下的頻帶能量分布規律，研究成果對礦山露天爆破具有積極的指導意義。

1 研山鐵礦地質概況及現場監測

研山鐵礦隸屬河北鋼鐵集團礦業公司，礦區所處大地構造位置為燕山褶皺帶山海關隆起之昌黎凸起的西南邊緣地帶。礦區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，基巖露頭除在礦區東部和扒豆山一帶有較連續的分布外，其它均為零星出露[10]。露天采場開拓運輸線布置在東幫邊坡其巖體風化比較嚴重，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

本次監測儀器選用Blast-UM型爆破振動監測系統，該監測系統是由爆破測振儀、振動傳感器及信號處理器組成的。Blast-UM爆破測振儀監測的振動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12個監測點。由于現場地質條件限制，12個監測點布置在東幫運輸線路兩側并沒有嚴格在一條直線上，監測點和爆區位置如圖2所示，共對8個爆區所產生的爆破振動進行監測，1#～8#為爆區編號；(1)～(12)為測點編號。

圖2 監測點與爆區的位置

2 爆破振動信號小波包分解

小波包分解[11￣12]是比小波分解更為精細的信號處理技術，把信號分解為低頻和高頻兩部分并在下一層次的分解過程中，把低頻繼續分解為高頻和低頻。理論上爆破振動信號可以進行無窮次小波包分解，由于Blast-UM爆破測振儀監測最低監測頻率為5 Hz，根據小波包分析原理，把爆破振動信號分解到第八層，每一頻帶寬為4.883 Hz，爆破振動信號分解后各層信號的頻帶范圍如表1所示。

表1 爆破振動信號分解后各層信號的頻帶范圍

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

3 爆破振動信號各頻帶能量的征

將被分析爆破振動信號分解到第n層，設第n層分解各頻帶信號為Sn,j其對應的能量為En,j則有[12￣13]:

(1)

式中，xj,k(j=0，1，…，2n-1；k=1,2，…,m，m為離散信號的采樣點數)表示重構信號Sn,,j的離散點幅值。

設被分析爆破振動信號總能量為E0，則有:

(2)

各頻帶信號能量占信號總能量的比例為:

(3)

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

為了分析總藥量對爆破振動信號頻帶能量分布的影響，應盡可能的排除最大段藥量、爆心距、雷管段數、場地條件等因素的影響。為此，選取不同炮次爆破時所記錄的四條信號進行分析，其編號為S-1、S-2、S-3、S-4，其爆破條件和監測點的監測參量見表2，相應的爆破振動速度的時程圖見圖3。

圖3 爆破振動信號垂直方向的時程曲線

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

對圖3所示的爆破振動信號進行小波包分析，便得到總裝藥量不同的4個信號的各頻帶能量分布(見圖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。根據表3可以得出，4個爆破振動信號在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信號能量在頻域上分布比較廣泛(0～1250 Hz)，但是絕大多數能量集中在0～156.2 Hz之間，因此分析研山鐵礦爆破振動信號能量時應以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S-1、信號S-2、信號S-3、信號S-4這4個信號對應的總藥量依次遞增，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，即在其他參數基本相同的條件下，隨著總藥量的增加，其爆破振動信號頻帶的能量有增加的趨勢。表明爆破振動強度不僅僅取決于最大同段藥量，總藥量對爆破振動強度也有較大影響，實測的爆破振動速度也印證了這一分析。

信號S-1、信號S-2、信號S-3這3個信號對應的總藥量依次遞增，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，中低頻信號所占能量的比重增加，爆破振動主頻帶有往低頻發展的趨勢，由于工程建(構)筑物本身的固有頻率較低，這顯然不利于工程建(構)筑物的安全。

圖4爆破振動信號的頻帶能量分布

4 結 論

本文采用定點觀測的方法對研山露天鐵礦進行爆破振動監測，運用小波包分析技術對爆破振動信號進行時頻特征分析，得到了爆破振動信號在不同頻帶上的能量分布規律，重點分析了總藥量對頻帶能量分布的影響，總結如下：

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

(2) 總藥量對爆破振動強度有較大影響，隨著總藥量的增加，其爆破振動信號頻帶的能量有增加的趨勢。

(3) 隨著總藥量的增加，爆破振動主振頻帶有向低頻發展的趨勢，不利于工程建(構)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。