总药量对爆破振动信号频带能量分布的影响

田益琳， 田 靖

(河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司， 河北 唐山市 063700)

总药量对爆破振动信号频带能量分布的影响

田益琳， 田 靖

(河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司， 河北 唐山市 063700)

以研山铁矿露天开采工程为依托，采用定点观测的方法对矿区边坡进行爆破振动监测。根据爆破振动信号具有非平稳的特点，利用小波包分析技术对现场监测的爆破振动信号进行了时频特征分析。总结了不同总药量下的研山铁矿爆破振动信号能量频带分布规律，研究表明：总药量对爆破振动强度有较大影响，随着总药量的增加，其爆破振动信号频带的能量有增加的趋势；并且主振频带有向低频发展的趋势，不利于工程建(构)筑物的安全。

爆破振动；小波包分析；能量分布；总药量

0 引 言

爆破是矿山开采、岩土工程开挖中的重要工序之一，然而在爆破过程中产生的爆破地震效应对边帮的稳定及周边建筑设施的安全造成一定的负面影响。由于爆破振动波具有瞬变性、瞬时性的特点，尽管很多学者对其进行了研究[1￣3]，爆破地震效应依然是困扰采矿工程界的一大复杂课题[4]。

爆破振动信号分析是研究爆破振动危害的基础，也是控制爆破振动的前提[5]。随着小波包理论的发展及其在爆破振动信号分析领域的应用，使得爆破地震效应的研究取得了突破性的进展。凌同华等[5￣6]运用小波包分析技术研究了单段及多段爆破条件下的爆破振动信号频带能量分布特征。费鸿禄[7]等，采用小波包分析技术研究了隧道掘进爆破振动对地表影响。韩亮[8]等利用小波包分析技术探索了深孔台阶爆破在近区和远区的振动特征，发现最大段药量或爆心距增加时，近区及远区的能量均向低频带流动，近区的移动速度更快，同时近区及远区能量分布的频带宽度也将趋于集中，近区的频带宽度更宽。凌同华[9]等运用小波包技术研究了爆心距对爆破振动信号频带能量分布的影响。

目前国内外针对总药量对爆破振动信号频带能量影响的研究尚不多见，本文依托研山铁矿露天爆破现场工程，运用小波包技术，从频带能量的角度出发，探讨在不同总药量下的频带能量分布规律，研究成果对矿山露天爆破具有积极的指导意义。

1 研山铁矿地质概况及现场监测

研山铁矿隶属河北钢铁集团矿业公司，矿区所处大地构造位置为燕山褶皱带山海关隆起之昌黎凸起的西南边缘地带。矿区出露地层以前震旦系、震旦系和第四系为主，第四系地层大面积覆盖，基岩露头除在矿区东部和扒豆山一带有较连续的分布外，其它均为零星出露[10]。露天采场开拓运输线布置在东帮边坡其岩体风化比较严重，存在顺层层理面和垂直裂隙(如图1所示)。

图1 研山铁矿东帮黑云变粒岩层理分布

本次监测仪器选用Blast-UM型爆破振动监测系统，该监测系统是由爆破测振仪、振动传感器及信号处理器组成的。Blast-UM爆破测振仪监测的振动速度范围及频率范围依次为0.0047～33 cm/s、5～300 Hz。在东帮附近布设12个监测点。由于现场地质条件限制，12个监测点布置在东帮运输线路两侧并没有严格在一条直线上，监测点和爆区位置如图2所示，共对8个爆区所产生的爆破振动进行监测，1#～8#为爆区编号；(1)～(12)为测点编号。

图2 监测点与爆区的位置

2 爆破振动信号小波包分解

小波包分解[11￣12]是比小波分解更为精细的信号处理技术，把信号分解为低频和高频两部分并在下一层次的分解过程中，把低频继续分解为高频和低频。理论上爆破振动信号可以进行无穷次小波包分解，由于Blast-UM爆破测振仪监测最低监测频率为5 Hz，根据小波包分析原理，把爆破振动信号分解到第八层，每一频带宽为4.883 Hz，爆破振动信号分解后各层信号的频带范围如表1所示。

表1 爆破振动信号分解后各层信号的频带范围

注：Si,j表示第i层第j个小波包分解信号，j=0,1,2,…,2i-1；i=1,2,3,…，n

3 爆破振动信号各频带能量的征

将被分析爆破振动信号分解到第n层，设第n层分解各频带信号为Sn,j其对应的能量为En,j则有[12￣13]:

(1)

式中，xj,k(j=0，1，…，2n-1；k=1,2，…,m，m为离散信号的采样点数)表示重构信号Sn,,j的离散点幅值。

设被分析爆破振动信号总能量为E0，则有:

(2)

各频带信号能量占信号总能量的比例为:

(3)

由式(1)，(2)，(3)可以得到爆破振动信号各频带能量占信号总能量的百分比。

为了分析总药量对爆破振动信号频带能量分布的影响，应尽可能的排除最大段药量、爆心距、雷管段数、场地条件等因素的影响。为此，选取不同炮次爆破时所记录的四条信号进行分析，其编号为S-1、S-2、S-3、S-4，其爆破条件和监测点的监测参量见表2，相应的爆破振动速度的时程图见图3。

图3 爆破振动信号垂直方向的时程曲线

信号编号总药量Q/kg最大同段药量/kg爆心距/m峰值振动速度/(cm/s)S-16350750427．260．1271S-220300750411．950．2578S-321400750402．100．2242S-425255750419．310．3369

对图3所示的爆破振动信号进行小波包分析，便得到总装药量不同的4个信号的各频带能量分布(见图4)，为了方便比较将不同能量频带的能量分布及其所占总能量的比例列于表3。根据表3可以得出，4个爆破振动信号在0～156.2 Hz间的能量分别占总能量的99.98%、99.99%、99.97%、99.99%，表明虽然研山爆破振动信号能量在频域上分布比较广泛(0～1250 Hz)，但是绝大多数能量集中在0～156.2 Hz之间，因此分析研山铁矿爆破振动信号能量时应以156.2 Hz以下的频域段为主。

表3 不同能量频带的能量分布及其所占总能量的百分比

从图4和表3中可以看出，信号S-1、信号S-2、信号S-3、信号S-4这4个信号对应的总药量依次递增，其频带所携带的总能量依次为5.7×10-4，15.8×10-4，16.108×10-4，25.171×10-4J，即在其他参数基本相同的条件下，随着总药量的增加，其爆破振动信号频带的能量有增加的趋势。表明爆破振动强度不仅仅取决于最大同段药量，总药量对爆破振动强度也有较大影响，实测的爆破振动速度也印证了这一分析。

信号S-1、信号S-2、信号S-3这3个信号对应的总药量依次递增，由表3知：低于19.53 Hz频带所携带能量占总能量的百分比依次为57.99%、74.64%、84.25%，即随着总药量的增加，中低频信号所占能量的比重增加，爆破振动主频带有往低频发展的趋势，由于工程建(构)筑物本身的固有频率较低，这显然不利于工程建(构)筑物的安全。

图4爆破振动信号的频带能量分布

4 结 论

本文采用定点观测的方法对研山露天铁矿进行爆破振动监测，运用小波包分析技术对爆破振动信号进行时频特征分析，得到了爆破振动信号在不同频带上的能量分布规律，重点分析了总药量对频带能量分布的影响，总结如下：

(1) 研山爆破振动信号能量在频域上分布比较广泛(0～1250 Hz)，但是绝大多数能量集中在0～156 Hz之间。

(2) 总药量对爆破振动强度有较大影响，随着总药量的增加，其爆破振动信号频带的能量有增加的趋势。

(3) 随着总药量的增加，爆破振动主振频带有向低频发展的趋势，不利于工程建(构)筑物的安全。

[1]杨仁树,付晓强，杨国梁，等.EMD和FSWT组合方法在爆破振动信号分析中的应用研究[J].振动与冲击，2017，36(2)：58￣64.

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[5]凌同华，李夕兵.多段微差爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24(7)：1117￣1122.

[6]凌同华，李夕兵.单段爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析[J].振动与冲击，2007，26(5)：41￣43.

[7]费鸿禄，曾翔宇，杨智广.隧道掘进爆破振动对地表影响的小波包分析[J].爆炸与冲击，2017，37(1)：77￣83.

[8]韩 亮，辛崇伟，梁书锋，等.深孔台阶爆破近远区振动特征的试验研究[J].振动与冲击，2017，36(8)：65￣70.

[9]凌同华，李夕兵，王桂尧，等.爆心距对爆破振动信号频带能量分布的影响[J].重庆建筑大学学报，2007，29(2)：53￣55.

[10]王 先，张树伟.爆破地震对司家营矿区露天边坡影响研究[J].金属矿山，2012(04)：1￣4.

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[12]胡昌华，张军波，夏 军，等.基于MATLAB的系统分析与设计-小波分析[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

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田益琳(1985-)，男，河北唐山人，工程师，主要从事爆破工程方向研究,Email:541426416@qq.com。