露天礦爆破時磚混結構房屋振動響應的模態參數識別與爆破減振方法?

張國勝 郭 斌 劉永亮 張云鵬 楊 曦

①河北鋼鐵集團礦業有限公司(河北唐山，063000)

②華北理工大學河北省礦業開發與安全技術重點實驗室(河北唐山，063000)

引言

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

爆破振動信號為非常典型的非平穩信號[9]。朱權潔等[10]充分利用小波包技術，分析了礦山生產產生的爆破信號，并與巖石破裂產生的信號進行了對比，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行了采集，運用希爾伯特黃變換(Hilbert Huang transform，HHT)和經驗模態分解(empirical mode decomposition，EMD)對不同雷管延期時間的瞬時能量進行了分析。趙國彥等[12]采用頻率切片小波變換(frequency slice wavelet transform，FSWT)對巖體微振和爆破振動信號在不同頻域的能量比例進行了研究。Trivi?o等[13]對不同爆破條件下的爆破地震波進行分析，確定了其能量和頻率的變化規律。

針對礦區周邊的單層磚混結構房屋的地基與墻壁，根據運籌模態分析(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，獲取其模態參數，分析爆破地震波不同頻段的貢獻率，并確定其頻域能量特征。提出了爆破減振方法，并進行了數值模擬驗證。

1 工程概況與監測方法

某礦露天生產爆破時，對采場附近單層磚混結構房屋進行監測，獲取振動響應信號數據。監測點距離爆區820 m。

露天生產爆破采用逐孔起爆技術。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)；礦石孔網參數(7～8)m×(6～7)m；巖石孔網參數(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，主要監測單層磚混結構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參數計算

根據現場爆破振動監測結果，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行EMD處理，就可以得到不同的數據序列，每個序列稱為固有模態函數(instrinsic mode function，IMF)，然后分別對IMF進行HHT處理，得到相應信號在11階固有模態下的分解信號。以地基在Y方向的爆破振動信號為例，結果見圖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，進行方差貢獻率分析，得到房屋地基X、Y、Z3個方向的IMF貢獻率，如圖3所示。觀察可知:3個方向的信號在5、6階的IMF貢獻率均較高；其中，第5階的IMF貢獻率略高；7、8、9階次之；其他序列IMF貢獻率過低，可忽略不計。

圖3 地基測點IMF分量的貢獻率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貢獻率較高。

圖4 IMF1～IMF11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參數計算

在開展地基爆破振動信號監測的同時，在墻壁進行鉆孔，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的監測工作。得到單層磚混結構房屋墻壁各個測點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行EMD處理，就可以得到相應信號在10階固有模態下的分解信號。B2測點在Y方向的爆破振動信號處理結果如圖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

根據現場爆破振動監測與上述計算結果，進行方差貢獻率分析，得到單層磚混結構房屋墻壁B2測點X、Y、Z3個方向的IMF貢獻率，如圖6所示。觀察可知，3個方向信號的主導IMF貢獻率并不相同。X方向，6階IMF貢獻率最高；Y方向，4階IMF貢獻率最高；Z方向，5階IMF貢獻率最高。與地基各階IMF貢獻率相比，存在明顯差異。這說明單層磚混結構房屋墻壁的動力響應與地基的動力響應相比，其起主導作用的振動頻率并不相同。

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

對單層磚混結構房屋墻壁B2測點Y方向各個序列的振速時程信號分別進行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貢獻率最高；Y方向，在54.67 Hz的IMF貢獻率最高；Z方向，在23.43 Hz的IMF貢獻率最高。

圖7 IMF1～IMF10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

為進一步分析不同位置的頻域能量變化規律，對各個測點Y方向的爆破振動信號進行降噪處理后，進行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，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，國內多以GB6722—2014《爆破安全規程》為依據，對爆破地震波是否對房屋安全產生不利影響進行判定。其中，采用保護對象所在地質點峰值振動速度和主振頻率為主要依據。但是，從上述分析結果中可以看出: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，只以所在地質點的振速和主頻為依據，判別房屋的穩定性，可能會產生一定的誤差。同時，房屋是由不同結構組成的，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。故不同結構對爆破地震波會產生不同的響應，并帶來不同的損傷，這還需要作進一步的研究。

3 爆破減振技術

應用數碼電子雷管可以利用合理的延期起爆時間和裝藥結構，使不同的爆破地震波波形峰谷疊加，進而達到減小爆破振動效應的目的。

應用Ls-DYNA建立數值模型，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狀態方程。根據礦山實際，并參考前人經驗，確定狀態方程參數如表1所示；巖石材料的力學參數見表2。

圖9 裝藥模型Fig.9 Charge model

表1 狀態方程參數Tab.1 State equation parameters

提取A點的爆破振速(圖10)，最大值達到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生峰谷疊加效應(圖11)，進而達到減小爆破振動效應的目的。同時，起爆的總藥量沒有改變，但在相同距離上，B點的質點振速峰值為90 cm/s(圖12)，較原來減小了10%。

圖10 連續裝藥A點的質點振速Fig.10 Particle vibration velocity of Point A in continuous charge

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

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

為進一步驗證方法的可行性，建立單層磚混結構房屋數值模型(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據。然后，在模型底面分區域間隔半個周期，分別施加地震波，并采集房屋地表與墻壁振動數據。結果如表3所示。疊加后振速明顯小于疊加前振速，進一步確定了模擬的準確性。

圖13 單層磚混結構房屋數值模型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 結論

通過對礦區周圍單層磚混結構房屋爆破振動信號的采集，根據OMA方法相關理論，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行分析，得出以下結論:

1)確定了單層磚混結構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貢獻率，地基與墻壁的IMF貢獻率存在明顯差異，地基高頻序列(54.67 Hz)的IMF貢獻率較高，墻壁低頻序列(23.43 Hz)的IMF貢獻率較高。

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，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，低頻能量逐漸減小；在高頻段，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，使爆破地震波出現峰谷疊加現象，可以減小爆破振動效應，降低質點振速。