爆破振动对临近建筑物安全影响研究

胡 辉，李祥龙，石晨晨，胡启文，骆浩浩

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

爆破振动对临近建筑物安全影响研究

胡 辉，李祥龙，石晨晨，胡启文，骆浩浩

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

为了研究某露天矿采场爆破作业对附近选厂内建筑安全性的影响，采用爆破振动监测系统在选厂内对两次不同最大单孔药量下的爆破作业进行监测。基于希尔伯特-黄变换（HHT）分析法，对两种情况下监测产生的振动信号数据进行分析研究，结果表明：两种情况下爆破振动信号的优势能量频带都在0～10 Hz，且随着最大单孔药量的增加，振动频率有往低频集中以及瞬时输入能量增大的趋势；结合《爆破安全规程》（GB6722—2014）中对于工业建筑安全允许标准，确定该选厂建筑最大安全允许振速为2.5 cm/s。

临近建筑；爆破振动；HHT；EMD；质点峰值振速

0 引言

爆破作为一种重要的技术手段，在矿山开采过程中得到了广泛应用，给各个矿山企业带来了巨大的经济效益，也促进了国家经济社会的发展。随之而来的由爆破引起的各种安全问题，也得到越来越多人的关注。在爆破的过程中，产生的有毒有害气体、粉尘、飞石、冲击波、噪声以及爆破振动等，会对爆区附近的人、建（构）筑物和环境造成一定程度的影响，有时更会导致人员伤亡、财产损失以及环境破坏[1]。因此，自爆破技术发明应用以来，对其的研究就没有停止过。其中，爆破振动是造成爆区附近建筑物损伤，影响其稳定性的最重要因素[2-4]。由于爆破振动波在岩体中的传播及由其引起的地面振动是一个复杂的力学过程，受到各种因素的影响，如炸药性能、单孔装药量、总装药量、装药结构、填塞、起爆方式、延期时间、爆心距、传播介质以及地质地形条件等，其本身具有多变性、瞬时性和随机性等特征，这也给爆破振动的分析研究增加了难度[5-6]。因此，对生产爆破振动波进行监测，探索爆破振动波传播规律，确定建筑安全的质点峰值振速，对于保护建筑的稳定性和在建筑内进行生产活动的劳动者人身安全具有重要意义。

1 HHT分析法

爆破振动波作为一种非平稳随机信号，对其分析的方法从早期的傅立叶变换、快速傅立叶变换、短时傅立叶变换以及小波和小波变换到现在常用的希尔波特黄变换，逐渐从单纯的整体频域分析到局部时频变化分析，对振动波的分析更加灵活，也更加清晰透彻[7-11]。

希尔波特-黄变换（HHT）是对非平稳信号进行时频分析的一种非常有效的方法，在各个领域都得到了广泛应用[12-13]。该方法主要由两部分组成，即经验模态分解法（EMD）和Hilbert变换。EMD方法是HHT法的基础也是核心。EMD法分解信号波不需要像小波变换首先选择合适的小波基，能够将信号分解成多个频率自上而下的固有模态函数分量（IMF），具有很好的自适应性，并经过简单地分析就能够判断并去除原始波中的噪声波分量。对去除噪声分量后的各IMF进行重构，将可以得到更加符合实际的信号波形[14]。

对得到的IMF组合进行Hilbert变换可得到瞬时频谱，瞬时频谱综合起来即可得到Hilbert谱，它包括瞬时能量谱、边际谱、等高线能量谱以及三维谱等。Hilbert变换主要体现信号的局部化特性，不同的Hilbert谱能够反映时间、频率、能量三者之间不同的分布变化关系。HHT法能够从低频信号中分辨出奇异信号，很好地体现信号变化的主要特征，适用于具备突变和衰减速度较快的爆破振动信号分析。

2 爆破振动监测与信号分析

2.1 工程背景

某露天多金属矿在爆区附近的沟谷中建立了一座选厂，选厂的两侧都是较高的岩石边坡，选厂内建筑主要为砖混钢架结构。据在选厂内的工作人员反映，在爆破时经常会感到较强的震感，给厂区内的工作人员造成很大的心理压力，严重影响厂区的正常工作秩序，也影响着选厂的正常生产。因此，需要对爆破振动信号在选厂内的传播特性进行研究，提前做好预防控制措施，避免发生不可预知的危险。

2.2 爆破振动监测

对连续两次的爆破作业进行振动监测，爆破区域是距离选厂较近的1340平台，岩性主要是以片岩为主，总药量分别是9 912 kg和9 276 kg，最大单孔药量为432 kg和192 kg，使用高精度导爆管雷管逐孔起爆。在选厂内建筑的外墙边，分别放置3套NUBOX-8016测振仪，对两次爆破的爆破振动进行监测。爆破振动监测数据如表1所示。

表1 爆破振动监测数据Tab.1 Monitoring data of blasting vibration

2.3 基于HHT法的信号处理及分析

通常采用爆炸振动波的垂直振动速度（通道Z）作为研究的对象。分别选取在两种最大单响药量情况下，Z方向质点峰值振速最大的两组信号作为分析对象，分别记做 S1（432 kg）和 S2（192 kg），两组信号的Z方向的振动波形图如图1和图2所示。

图1 S1原始波形图Fig.1 Original oscillogram of S1

图2 S2原始波形图Fig.2 Original oscillogram of S2

2.3.1 振动信号的EM D分解

对测得的S1和S2爆破振动信号运用仪器配套BM View软件将波形数据导出，并除去负延时和波形后的数据，进而运用MATLAB2014a软件对保留的有波形的信号数据做EMD分解，从高频到低频，依次得到S1和S2的各IMF分量，如图3和图4所示。

图3 S1的IMF分量Fig.3 The IMF components of S1

图4 S2的IMF分量Fig.4 The IMF components of S2

从图3和图4中可以看出，IMF1～IMF3频率最高，但是所占能量却是最少，这可能是进行爆破振动监测时引入的厂房内机器振动的噪声，应当舍去；IMF4～IMF11属于振动信号的优势频率，含有信号的绝大部分能量，是进行研究的主要对象；IMF12可能是信号本身的趋势或仪器的飘零。

对信号S1和S2的各IMF分量进行重构及重构的误差如图5和图6所示。重构后的信号波形更符合爆破振动波的实际情况。

2.3.2 边际谱分析

对重构后的S1和S2信号，进行边际谱分析。从信号的边际谱中可以看出能量在频率带上的集中程度。S1和S2信号的边际谱如图7和图8所示。

从图7和图8可以看出，爆破振动信号S1和S2的能量都主要集中在0～20 Hz的频带内，S2和S1能量峰值相差不大，但是在峰值处的频率S2比S1稍大。同时，可以从图中发现，S1比S2在0～10 Hz低频带内信号的能量成分所占比重更大，能量有随着最大单响药量增加而往低频带发展的趋势。

图5 S1的重构信号及其误差Fig.5 Reconstructed signal and its error of S1

图6 S2的重构信号及其误差Fig.6 Reconstructed signal and its error of S2

图7 S1的边际谱Fig.7 Marginal spectrum of S1

图8 S2的边际谱Fig.8 Marginal spectrum of S2

2.3.3 瞬时能量谱分析

边际谱虽然能够反映能量在频带内的集中情况，但是不能反映出能量在时间上的分布情况。瞬时能量谱能够直观的反映能量随时间的变化情况。S1和S2信号的瞬时能量谱如图9和图10所示。

图9 S1的瞬时能量谱Fig.9 Instantaneous energy spectrum of S1

图10 S2的瞬时能量谱Fig.10 Instantaneous energy spectrum of S2

从图9和图10中可以看出，S1和S2信号都是由多雷管逐孔起爆叠加引起的结果。S1的能量主要集中在0～0.7 s的区域内，S2的能量主要集中在0～1.6 s，S1信号在0.15 s左右达到峰值，S2信号在0.8 s左右达到峰值，且S1峰值振速约为S2峰值振速的2.7倍，与S1的最大单孔药量是S2的最大单孔药量的2.25倍较为接近。这说明，最大单孔药量是影响最大瞬时能量的重要因素，振动信号的瞬时能量随着最大单孔药量的增加而增加。

瞬时能量过大，很容易超越建筑本身承受能力，建筑会出现一定程度的损伤，这些损伤又会使建筑对爆破振动的承受能力降低，因此，需要控制在选厂附近爆破时的炸药单耗，降低单孔最大装药量，以保证建筑的安全。

2.3.4 三维谱分析

爆破振动信号的三维谱，其三个坐标轴分别代表了信号的时间、频率和能量。在三维谱中能直接反映能量随时间和频率变化的分布情况。三维谱中的颜色越亮，表示能量越高。从S1和S2的三维谱中可以看出，S1的能量主要集中在0～0.8 s、0～25 Hz范围内，S2的能量主要集中在0～1.6 s、0～30 Hz范围内，与边际谱和瞬时能量谱分析的结果基本相符。S1和S2信号的三维谱如图11和图12所示。

图11 S1的三维谱Fig.11 3D spectrum of S1

图12 S2的三维谱Fig.12 3D spectrum of S2

结合边际谱、瞬时能量谱和三维谱对S1信号和S2信号分析的结果可以看出，两次爆破的爆破振动信号的能量几乎都集中在0～20 Hz频带内，而且优势频带能量都集中在0～10 Hz范围内，能量峰值分别在0.15 s、5 Hz和0.8 s、7 Hz左右。这已经非常接近一般构筑物1～5 Hz的自振频率[15]，虽然振速较小，但也极有可能引起建筑的共振，因此分析建筑物安全性时需要重点考虑0～10 Hz低频带。

研究发现，当质点的振速较大时，振动频率也较大，这样不易与建筑物发生共振；当质点的振速较小时，振动频率也相对较小，易与建筑物发生共振现象，对建筑物的危害较大[16]。这就要求当质点的频率较小时，振动速度也要小于其相应的安全阈值。《爆破安全规程》（6722—2014）[17]中对工业建筑物的安全允许标准，当f≤10 Hz时，安全允许质点振动速度范围是2.5～3.5 cm/s，因此，为了确保选厂的安全，选取该区域建筑最大安全允许振速为2.5 cm/s。

2.4 减振措施

通过对两次爆破振动信号的HHT分析可以发现，采场的爆破作业暂时未造成采场内建筑的明显破坏，但有时质点振动频率在低频带内集中时，可能引起选厂内的建筑共振，引发未知的危险，因此提出减振措施。

（1）由于选厂是建在采场外的沟谷中，从地形上本身就有一定的减振作用，因此就不在选厂前再开挖减震沟。但是爆破区域靠近选厂时，在选厂方向，爆区后排预先布置一排或多排减振孔，孔深要大于或等于炮孔深度，减振孔可以有效地降低爆破振动速度。

（2）通过小规模的爆破试验，对爆破参数重新进行优化，确定合理的孔网参数、降低单孔装药量和优化爆破的延期时间，减少单孔爆破振动波之间的在岩体内的合成，以达到降低振动速度的目的。

（3）选用新型的高精度数码电子雷管，提高延期时间的准确性，避免因雷管的精确度导致多孔同爆现象的发生，从而使爆破振动速度和频率超过建筑的承受阈值，造成事故的发生。

3 结论

（1）运用HHT分析方法对两次不同最大单孔药量下的爆破振动信号进行分析发现，随着最大单孔药量的增加，振动的频率有往低频发展的趋势；同时，最大瞬时输入能量也随着最大单孔药量的增加而增大。因此，在靠近选厂较近区域进行爆破作业时，应严格控制最大单孔装药量，避免共振现象的发生以及最大瞬时能量超过建筑的承受而造成破坏。

（2）综合分析边际谱、瞬时能量谱和三维谱得出：在分析该区域建筑安全性时应重点考虑0～10 Hz低频带，结合《爆破安全规程》（6722—2014），确定该区域建筑最大安全允许振速为2.5 cm/s。

（3）通过实践表明：在爆区后排打减振孔、降低单孔装药量、选取合理延期时间以及选用高精度的数码电子雷管都能对减振产生明显的效果。

（4）在分析该选厂建筑安全性的时候，只考虑了爆破振动对建筑本身的稳定性影响，未能分析该选厂两侧边坡的稳定性对其造成的危害，需要进一步对选厂两侧的边坡的稳定性进行研究。

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（编辑：刘新敏）

行业信息

D

矿山企业矿权转让信息

怒江江钨浩源矿业有限公司

矿区下设五个矿段，五个矿段均有独立生产系统，同时开采相互不影响。矿区面积13.766 8 km2。矿区保有（122b+332+333类）锡+钨工业及低品位矿石量953.02万t，其中锡矿体矿石量484.80万t，钨矿体矿石量420.16万t，锡、钨共生矿体矿石量48.06万t；锡金属量25 946 t，平均品位0.49%；钨金属量17 195 t，平均品位0.37%。钨、锡金属量合计43 141 t。

矿山新建有生产规模1 000 t/d的选厂和配套的白河尾矿库；新建20 t储量炸药仓库一座、五层办公楼一栋、五层生产综合楼一栋、材料库及四层选厂住宿楼一栋、井下六大安全系统建设、尾矿库在线监测系统等项目。

矿山供电工程齐全，交通便利。

江西省岿美山钨业（定南县）燕潭萤石矿

江西省岿美山钨业（定南县）燕潭萤石矿详查区位于赣州市定南县岿美山镇管辖。矿区有公路通往定南县城，路程大约35km，与105国道，赣粤高速公路、京九铁路相接，交通便利。定南县燕潭萤石矿详查权形式：探矿权；详查探矿矿种：萤石矿；详查面积：1.43km2。估算333资源矿石量132.49万t，CaF2资源量 40.11万t，CaF2平均品位30.3%，平均真厚度5.94m，延长650m，延深380m（其中较好矿段矿石量56.34万t，CaF2资源量22.20万t，CaF2平均品位39.4%，平均真厚度5.43 m，延长300 m，延深350m。）

探矿区内有居民，有公路和多条电路通过矿区，用电较为方便。

联系人：李先生

联系电话：0791-86219536

The Influence of Blasting Vibration on the Safety of Adjacent Buildings

HU Hui,LI Xianglong,SHI Chenchen,HU Qiwen,LUO Haohao
(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,Yunnan,China)

To study the influence of a blasting operation on the safety of the nearby buildings,the blasting vibration monitoring system was used to monitor the blasting operation under two different maximum single hole doses in the electromechanical plant.Based on the Hilbert-Huang Transformation (HHT)analysis method,the vibration signal data of the two cases are analyzed.The results show that the dominant energy band of the blasting vibration signal is 0～10 Hz in both cases,and with the increase of the maximum single hole dose,vibration frequency to the low frequency concentration and instantaneous input energy increase trend;combined withquot;Safety regulations for Blastingquot;(GB6722-2014)for industrial building safety allowable standards to determine the maximum safety of the plant construction allowable vibration speed of 2.5 cm/s.

building;blasting vibration;Hilbert-Huang Transformation (HHT);Empirieal Mode Decomposition;peak particle vibration velocitie

TD235

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.008

2017-09-01

国家自然科学基金（51564027；51304087；41362013）

胡 辉（1990-），男，河南固始人，硕士研究生，主要从事爆破工程、安全工程方面研究。

李祥龙（1981-），男，安徽淮北人，博士，教授，主要从事爆破工程、岩土工程和采矿工程方面教学科研工作。