基于小波分解的某礦山拉槽爆破振動監測

吳世寬

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

目前，在采礦工程中，鑿巖爆破仍然是金屬礦山破碎礦巖最主要的手段。拉槽爆破效果的好壞直接影響到后續爆破工藝及工程質量。影響爆破效果的因素有很多，例如所用炸藥的性能、爆破對象的物理性質、爆破的參數以及爆破工藝等，針對各因素對爆破影響程度的強弱，對爆破工藝進行改進，并對爆破參數進行優化，進而改善爆破效果。這就需要爆破設計人員充分了解爆破的性質。

國內外學者對爆破特性開展了大量的研究，凌同華等[1]利用爆破震動時能密度曲線積分值和爆破震動三要素間的關系，建立震動效應評估的定量指標。趙明生等[2]結合小波分析和RSPWVD 二次型時頻分析對爆破震動信號進行時頻分析，提高了信號時頻特征的精度。史秀志等[3]利用雙線性變換的二次型時頻分析技術，提高了爆破震動信號主頻的提取精度。李洪濤[4]對爆破振動的衰減影響因素進行了研究。閆長斌等[5]通過FLAC3D 模擬廠壩鉛鋅礦采空區在爆破震動作用下圍巖應力場變化，并對爆破震動作用下的圍巖穩定性進行了分析。

雖然眾多學者對井下爆破的振動特征及影響因素開展了大量的研究[6，7]，但成果多集中于生產爆破，拉槽爆破的特征研究鮮有報道，本文基于爆破振動監測技術，對拉槽爆破的爆破振動特征參量進行分析。

2 采場介紹

礦山采礦方法為嗣后充填的階段礦房法，礦房參數為：每分段高度10m；采場的長約為28m，寬17m，底柱高為10m，采場布置方向與礦體走向垂直，采場邊界與29 采礦房內礦體邊界重合；放礦所用炸藥為2#巖石改性炸藥。

3 監測設備

本次監測采用NUBOX-6016 型智能振動監測儀（如圖1 所示），是四川拓普測控科技有限公司設計。利用現場監測的爆破震動、噪音、沖擊等數據對此設備進行優化，NUBOX-6016 型智能監測儀參數見表1。該儀器可只對擬研究的特征信號觸發，并將傳感器接收的動態和靜態信號進行數字轉換并存儲，此設備最多允許2048 段分段采集。其配套有BM View 爆破震動專用測試分析軟件，TP3V-4.5 三維速度型傳感器以及TDEC API 動態鏈接庫。此設備不但體積小易安裝，并且設備非常堅固，耐用性好，監測精度高、其抗干擾能力強等優點。

表1 NUBOX-6016 型智能振動監測儀參數

圖1 NUBOX-6016 型智能振動監測儀

4 結果分析

爆破震動監測設備的工作頻率需大于5Hz，參照采樣定律，當信號采樣頻率5000Hz 時其對應的Nyquist（奈奎斯特）頻率是2500Hz。因此，爆破震動信號可分解至第10 層，則其對應的最低頻帶范圍為0～4.883Hz。借助小波分析，并采用二進尺度的變換后的各層重構信號頻帶范圍見表2。

表2 各層重構信號對應的頻帶范圍

為盡可能減少其他因素的干擾，選取爆破藥量、監測距離等因素取值基本相同的幾次數據。為避免監測信號出現失真現象，將信號采樣頻率設置為5000Hz。通過小波分析所監測震動信號，可得到10 個頻帶小波分解系數，并發現震動信號在尺度為9 的小波分解中，采用bd7 的方式誤差最小如圖2、圖3 所示。由香農（Shannon）采樣定理可得奈奎斯特頻率為2500Hz，各小波分解的10 個頻帶范圍可查表2 得知。

圖2 各頻帶的爆破振動分量小波頻帶能量分布

圖3 各頻帶質點的峰值振動速度分布

圖3 是各頻帶質點峰值振動速度。在x 方向上，各頻帶質點峰值震動速度均小于生產爆破，在y 方向和z 方向基本一致，這可能是因為拉槽爆破補償空間有限，x 方向為自由面法線方向，在該方向炸藥的能量更多的用來擠壓破碎礦巖，振動反射波相互干涉疊加或減弱，而振動速度較大由于礦巖的阻尼作用衰減速度也較快。此外，質點振動峰值速度最大的頻帶一般在156.25Hz 以后，但該頻帶能量所占比例并不高。頻率越高，質點振動速度越大，振動在傳播的過程中衰減也越快。

圖4 是各振動分量能量譜密度。拉槽爆破能量譜密度在x、z 方向分布頻帶范圍較廣，在y 方向分布頻帶范圍較窄。在x 方向上，兩次拉槽爆破主頻分別為100Hz 和191.2Hz，但在小于主頻的范圍，能量譜密度分布范圍較廣，這與圖2(a)中兩次拉槽爆破頻帶能量分布相匹配。

圖4 功率譜密度

5 結論

1)拉槽爆破x 方向質點振動速度較小，可能原因是該方向上炸藥的能量主要用來擠壓破碎巖石，大量的振動波相互干涉減弱和礦巖介質的阻尼作用。

2）振動在x、y、z 方向的分量能量分布頻帶范圍不完全一致，與質點峰值振動速度分布頻帶也不完全一致。

3）拉槽爆破x、z 方向的能量譜密度分布頻帶范圍較大，y 方向能量譜密度較小。