基于PEMD的露天邊坡不同高程爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜特征研究

劉連生 鐘抒亮 易文華 劉 偉 楊 硯 柴耀光

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

爆破振動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一種能量傳遞與轉(zhuǎn)化的過程,對(duì)其監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)信號(hào)包含爆破地震波傳播過程中的信息,通過研究爆破振動(dòng)信號(hào)的頻譜分布特征,可以揭示爆破地震波在邊坡中的傳播規(guī)律,對(duì)于分析爆破振動(dòng)下巖石邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義[1-2]。

由于爆破振動(dòng)信號(hào)通常受到噪聲干擾,為了更精確地提取爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特征信息,近年來一些學(xué)者采用了不同的信號(hào)分析方法對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理,從最開始的傅里葉變換[3],發(fā)展到現(xiàn)在的小波分析[4]、小波包分析[5]、EMD[6-7]等方法。 其中,傅里葉變換能分別從時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)特征進(jìn)行分析,但存在時(shí)域和頻域局部化矛盾的不足[3]。小波分析在時(shí)頻域中具有良好的局部化性質(zhì),但小波消噪時(shí)需要選擇合適的小波基才能具有較好的分解精度[4]。小波包分析在小波變換的基礎(chǔ)上,對(duì)小波分析忽略的高頻部分進(jìn)一步分解,從而提高了算法的高頻分辨率[5]。EMD可以根據(jù)信號(hào)特性將信號(hào)自適應(yīng)分解成若干有限個(gè)的本征模態(tài)分量(Intrinsic Mode Function,IMF),能準(zhǔn)確地表現(xiàn)出信號(hào)的頻率分布和能量幅值特性,而不依賴基函數(shù)的選擇[6-7]。為了選擇適合爆破振動(dòng)信號(hào)的處理方法,劉連生等[8]通過實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)對(duì)比分析了幾種信號(hào)去噪方法,發(fā)現(xiàn)EMD方法在去噪過程中更具有靈活性和自適應(yīng)性。但是EMD方法也存在一些缺陷,不能解決分解出的IMF出現(xiàn)的模態(tài)混疊問題[9-10],會(huì)對(duì)后續(xù)處理的信號(hào)特征信息產(chǎn)生干擾。韋嘯等[11]在集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)過程中通過添加白噪聲來抑制各IMF分量間的模態(tài)混疊,計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng),且降噪效果受殘留的白噪聲影響。易文華等[12]提出了改進(jìn)的正交經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法,利用互不混疊的IMF分量的正交性,消除了模態(tài)混疊現(xiàn)象,取得了更好的去噪效果。

為了更好地濾除邊坡爆破振動(dòng)信號(hào)中的噪聲,本研究基于PEMD方法[12]對(duì)露天礦邊坡實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理,并通過提取爆破振動(dòng)信號(hào)的頻譜分布特征,重點(diǎn)分析功率譜密度、瞬時(shí)能量等爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜參數(shù)隨著邊坡高程增加的變化特性,為邊坡爆破振動(dòng)安全控制方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 試驗(yàn)背景

試驗(yàn)區(qū)位于江西省上饒地區(qū)鉛山縣永平銅礦露天邊坡,邊坡巖體主要為灰?guī)r夾石英砂巖,巖體較破碎,巖石節(jié)理和裂隙發(fā)育。爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用加拿大Instantel公司生產(chǎn)的Blastmate III型振動(dòng)檢測(cè)儀,每臺(tái)測(cè)振儀共有4個(gè)通道,其中3個(gè)通道分別接X、Y、Z三向振動(dòng)傳感器,第4通道則配置有高壓麥克風(fēng)。為了反映真實(shí)振動(dòng)速度,本次試驗(yàn)以三向測(cè)量為主,爆區(qū)位于水平標(biāo)高+22 m的平臺(tái)采區(qū),在露天采場(chǎng)西側(cè)邊坡的臺(tái)階面布置1#～5#共5組測(cè)點(diǎn),相應(yīng)的水平標(biāo)高分別為+34 m、+130 m、+154 m、+178 m、+202 m。測(cè)點(diǎn)布置和邊坡地形如圖1、圖2所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意(單位:m)Fig.1 Schematic of the layout of monitoring points

圖2 現(xiàn)場(chǎng)邊坡地形Fig.2 Local topography of slope

試驗(yàn)中炮孔采用梅花型布孔方式,一共布設(shè)了3排14孔,爆破方式為逐孔微差爆破,起爆方式為電網(wǎng)路起爆。爆破技術(shù)參數(shù)和爆破網(wǎng)路連接如表1和圖3所示。

表1 爆破主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of blasting

圖3 爆破網(wǎng)路Fig.3 Blasting network

1.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

為保證各高程測(cè)點(diǎn)的可靠性,安裝傳感器與測(cè)點(diǎn)牢固結(jié)合,試驗(yàn)中選取的測(cè)點(diǎn)均位于邊坡臺(tái)階的基巖上。此次試驗(yàn)對(duì)臨近邊坡的5次爆破進(jìn)行了監(jiān)測(cè),選取了其中一組典型的爆破振動(dòng)信號(hào),通過高程計(jì)算出各個(gè)測(cè)點(diǎn)與爆源間的距離。不同測(cè)點(diǎn)的爆破參數(shù)及監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。

由表2可知:爆破地震波在邊坡巖體中傳播,同一高程處質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度從大到小依次是徑向、垂向、切向。各測(cè)點(diǎn)巖體結(jié)構(gòu)完整性和節(jié)理裂隙發(fā)育并不相同,隨著高程的增加,質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨之衰減,但在4#測(cè)點(diǎn)處3個(gè)方向的峰值振動(dòng)速度出現(xiàn)明顯的高程放大現(xiàn)象,振動(dòng)強(qiáng)度增大[13]。爆破振動(dòng)主頻是指爆破地震峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)水平所對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率[14],此次試驗(yàn)爆破振動(dòng)信號(hào)的主頻范圍為25～80 Hz,由于區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率成分雜亂無序。

表2 不同測(cè)點(diǎn)的爆破參數(shù)及監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 2 Blasting parameters and monitoring results of different measuring points

2 爆破振動(dòng)信號(hào)去噪效果

本研究通過PEMD方法對(duì)監(jiān)測(cè)到的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。圖4為一組原始信號(hào)及其降噪信號(hào)。分別采用EMD方法和PEMD方法處理的同一組爆破振動(dòng)信號(hào)的傅里葉頻譜對(duì)比如圖5所示。

圖4 信號(hào)去噪對(duì)比Fig.4 Comparison of signal de-noising

分析圖4可知:處理得到的爆破振動(dòng)信號(hào)噪聲干擾更少,毛刺減少的同時(shí)曲線平滑效果更好,表明PEMD方法對(duì)于爆破振動(dòng)信號(hào)降噪效果較好。由于爆破振動(dòng)信號(hào)中優(yōu)勢(shì)頻帶主要集中在中低頻,而監(jiān)測(cè)引入的噪聲主要分布在高頻[5]。由圖5可知:在信號(hào)主要頻段中,經(jīng)PEMD處理信號(hào)在0～180 Hz振幅多高于EMD,而在180 Hz以上的振幅低于EMD,說明PEMD算法在濾除了多數(shù)高頻噪聲的同時(shí)不會(huì)消除原始信號(hào)中的有用成分。

圖5 信號(hào)去噪頻譜對(duì)比Fig.5 Comparison of de-noising signal spectrums

3 爆破振動(dòng)信號(hào)分析

3.1 爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜能量分布特征

爆破振動(dòng)信號(hào)的功率譜能從頻域角度較好地表征信號(hào)從低頻到高頻成分能量的組成情況。為了有效分析各頻率成分能量隨著高程的變化特征,繪制了各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)信號(hào)的功率譜,如圖6所示。

由圖6可知:信號(hào)能量的優(yōu)勢(shì)頻段為10～100Hz,各成分含量在頻率軸上的分布不均勻且具有區(qū)域集中特征,其中徑向峰值功率譜密度最大,主振頻段集中的振動(dòng)能量最大。隨著高程的增加,主振頻帶的峰值振幅經(jīng)歷了“減小→增大→減小”的過程,表明爆破地震波傳播過程中出現(xiàn)高程放大現(xiàn)象,即出現(xiàn)放大效應(yīng)后振動(dòng)強(qiáng)度增大,之后隨之衰減;功率譜曲線的突峰數(shù)量逐漸減少,主振頻帶突峰往高頻方向移動(dòng),說明各頻率成分隨著高程增加趨于簡(jiǎn)單化,爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布的主振頻帶會(huì)得到提高。

圖6 不同測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜Fig.6 Spectrum s of blasting vibration signal for different monitoring points

在上述分析的基礎(chǔ)上,利用功率譜對(duì)一定頻段范圍內(nèi)的能量分布進(jìn)行分析,其中頻段范圍(fm,fn)內(nèi)能量Ef占爆破振動(dòng)總能量E的比例為[15]

式中,PEf為頻率范圍(fm,fn)內(nèi)的爆破振動(dòng)能量占比;fm和fn(m＜n)分別為爆破振動(dòng)信號(hào)頻帶的起始頻率和終了頻率;PSD為相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的功率譜密度。

由于優(yōu)勢(shì)頻率與結(jié)構(gòu)體的自振頻率接近程度有很大關(guān)系,當(dāng)兩者頻率相差較小時(shí),結(jié)構(gòu)體的響應(yīng)受爆破振動(dòng)頻率影響較大。因此,本研究將爆破振動(dòng)頻率劃分為5個(gè)頻段,頻段范圍分別為0～10 Hz,10～20 Hz,20～40 Hz,40～100 Hz和100 Hz以上[15],并繪制了不同振動(dòng)方向各信號(hào)在不同頻段的能量占比直方圖,如圖7所示。

圖7 爆破振動(dòng)信號(hào)各頻帶能量分布Fig.7 Distribution of the frequency band energy of b lasting vibration signal

結(jié)合圖6和圖7可知:通過計(jì)算10～100 Hz優(yōu)勢(shì)頻段的平均能量占比為64.2%～88.0%。隨著高程增大,信號(hào)頻段范圍在0～10 Hz的低頻部分能量占比總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì),大于100 Hz的高頻部分能量則以衰減為主,但爆破振動(dòng)低頻部分能量并不會(huì)單調(diào)增加,高頻部分能量也不會(huì)單調(diào)衰減,表明在節(jié)理裂隙發(fā)育的邊坡巖體上,各頻段能量受巖體中結(jié)構(gòu)面的影響較大,在邊坡的特定高程處爆破振動(dòng)的某部分頻率成分會(huì)出現(xiàn)選擇放大或衰減效應(yīng)。各頻段在同一高程處切向、垂向、徑向放大或衰減程度不一,說明相同巖體結(jié)構(gòu)對(duì)不同振動(dòng)方向的爆破振動(dòng)信號(hào)能量的放大與衰減效應(yīng)并不相同。

由于建(構(gòu))筑物的自振頻率一般在10 Hz以下,低頻能量越大及低頻能量占比越高不利于建(構(gòu))筑物的保護(hù),且優(yōu)勢(shì)頻段內(nèi)的能量占比大小是由振動(dòng)能量分布特征決定[16]。出現(xiàn)高程放大現(xiàn)象的信號(hào)4中,20～100 Hz頻段的能量增長(zhǎng)相對(duì)較大,主振頻帶區(qū)間大于建(構(gòu))筑物自振頻率,且0～10 Hz的低頻部分能量不超過總能量的6.6%,說明此次邊坡微差爆破取得較好的效果,有效分散了低頻部分能量所占比例。因此,在制定爆破振動(dòng)安全控制方案時(shí),應(yīng)該結(jié)合爆破振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率和建(構(gòu))筑物自振頻率,確定對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的能量大小,從能量分布特征角度來規(guī)范爆破安全判據(jù)。

3.2 爆破振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)能量分布特征

《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[17]規(guī)定爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)選擇3個(gè)分量中最大振動(dòng)速度及主振頻率作為安全判據(jù)。徑向峰值振動(dòng)速度明顯高于切向和垂向,且其中徑向峰值功率譜密度值最大。由此可見,在本研究邊坡爆破中徑向相對(duì)容易發(fā)生破壞,爆破振動(dòng)信號(hào)在徑向更具有代表性。故在此選取徑向爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換[6]后對(duì)時(shí)間積分,繪制的瞬時(shí)能量譜如圖8所示。

圖8 不同測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)能量Fig.8 Instantaneous energy of blasting vibration signal of different monitoring points

由圖8可知:爆破振動(dòng)信號(hào)中瞬時(shí)能量分布主要時(shí)間段為0.25～0.50 s。由于每個(gè)炮孔起爆存在時(shí)間差,爆破振動(dòng)瞬時(shí)能量在不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了多個(gè)峰值,因起爆時(shí)間差較小(17 ms),多數(shù)相鄰?fù)环寰o密相接形成主峰段。結(jié)合圖3爆破網(wǎng)路,其中1#測(cè)點(diǎn)離爆源最近,主峰段先后峰值點(diǎn)時(shí)間間隔約為109 ms,這與整個(gè)爆破時(shí)間101 ms相差較小。隨著高程的增加,峰值瞬時(shí)能量表現(xiàn)為先增大后減小,變換過程與質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度不一致,這是由于峰值瞬時(shí)能量實(shí)質(zhì)上受當(dāng)前時(shí)刻的峰值振動(dòng)速度與頻率共同作用所致。峰值瞬時(shí)能量代表爆破振動(dòng)作用的最大荷載,從而引起較大的結(jié)構(gòu)位移增量,瞬時(shí)能量過大容易對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成破壞。邊坡出現(xiàn)高程放大效應(yīng)的測(cè)點(diǎn)處峰值瞬時(shí)能量達(dá)到最大,因此為減輕爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,在邊坡爆破采取相應(yīng)降震措施時(shí),應(yīng)考慮高程變化對(duì)振速、頻率、能量分布特征的影響,提高邊坡爆破振動(dòng)安全控制方案的適用性。

4 結(jié) 論

(1)節(jié)理裂隙發(fā)育邊坡在當(dāng)前起爆方式下,信號(hào)能量的優(yōu)勢(shì)頻段為10～100 Hz,其頻段內(nèi)的能量占總能量的64.2%～88.0%;同一高程、不同方向處的峰值振動(dòng)速度和能量大小分布并不相同,其中徑向峰值振動(dòng)速度最大,且主振頻帶內(nèi)集中的振動(dòng)能量最大,導(dǎo)致該方向爆破振動(dòng)信號(hào)對(duì)邊坡的影響較大。

(2)隨著高程增加,爆破振動(dòng)信號(hào)的各頻率成分趨于簡(jiǎn)單化,能量分布的主振頻帶會(huì)得到提高。對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的邊坡巖體,邊坡特定高程處爆破振動(dòng)的不同頻率成分會(huì)出現(xiàn)選擇放大或衰減效應(yīng),且相同巖體結(jié)構(gòu)對(duì)不同振動(dòng)方向的爆破振動(dòng)信號(hào)能量的放大與衰減效應(yīng)并不相同。在制定爆破振動(dòng)安全控制方案時(shí),應(yīng)結(jié)合爆破振動(dòng)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻率和邊坡自振頻率,確定對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的能量大小,從能量分布特征角度規(guī)范爆破安全判據(jù)。

(3)由于炮孔起爆的時(shí)間差,爆破振動(dòng)瞬時(shí)能量在不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了多個(gè)峰值。隨著高程增加,峰值瞬時(shí)能量表現(xiàn)為先增大后減小,且在邊坡出現(xiàn)高程放大效應(yīng)的測(cè)點(diǎn)處達(dá)到最大。因此,針對(duì)邊坡爆破采取相應(yīng)的降震措施時(shí),應(yīng)考慮高程變化對(duì)振速、頻率、能量分布特征的影響,提高爆破振動(dòng)下的邊坡安全性。