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露天边坡爆破地震波能量分布特征研究

2019-04-22张声辉刘连生钟清亮邱金铭

振动与冲击 2019年7期
关键词:频带裂隙高程

张声辉, 刘连生,2, 钟清亮, 邱金铭, 钟 文,2

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院,江西 赣州 341000;2.江西省矿业工程重点实验室,江西 赣州 341000;3.江西崇义章源钨业股份有限公司,江西 赣州 341300)

露天矿最终边坡的安全对于露天矿的安全高效开采起着至关重要的作用[1]。随着爆破作业的推进,最终边坡距离爆破点的高程差越来越大,易产生爆破地震波的边坡高程放大效应。然而爆破地震波对建(构)筑物的影响实质上是一种能量传递与转化的过程,这种传递与转化的过程受到爆破地震波能量分布特征的影响[2],还与建(构)筑物结构的动力特性有关。为此,研究爆破地震波在露天边坡传播过程中的能量分布特征,对保证最终边坡安全的基础上寻求经济合理的爆破开采技术具有重要的理论意义和现实工程价值。

在高程放大效应机理方面,一些学者通过对爆破地震波的观测,探讨了地形和高程对爆破地震波传播规律的影响,总结了爆破参数、地质地形条件等因素与高程放大效应的相关性。郭学彬等[1]通过对不同类型的坡面对爆破振动波的响应进行分析,认为高程放大效应实际上是一种坡面效应现象;胡学龙等[3]通过提出了等效路径及等效距离概念,在综合考虑了爆破振动多因素的影响下,得到了一种预测爆破振速峰值与地震波传播等效距离关系公式,间接有效反映了不同岩性及复杂地形对爆破地震波在传播路径中衰减特性的影响;韩宜康等[4]基于现场调查、振动台试验及理论计算分析,论证了边坡角度对高程放大效应有极大的影响,得出45°是其放大效应快慢的拐点。陈明等[5]基于静力学理论、数值模拟与现场监测对边坡爆破振动速度的高程放大效应进行了研究,发现在爆破振动荷载作用下,台阶部位岩体结构的振动响应会产生“鞭梢效应”,导致台阶部位岩体振动速度放大,且台阶边沿处的质点振动速度最大,但其应力、应变较同高程台阶坡脚处的小。Graizer[6]研究发现低速带岩层和地貌形态是质点振动放大效应的主要来源。Marrara等[7]采用爆破代替地震源分析振动放大效应,结果表明,爆源的特性和深度以及测量点的距离会导致不同的激励,当频率大于2 Hz时,监测区质点振动峰值速度放大效应明显。

爆破振动信号特征分析是研究爆破震动效应的最有效手段之一,不少学者通过对爆破振动的监测及其能量的分析,探讨了最大段药量、微差间隔时间以及雷管段数等爆破参量对爆破振动信号能量分布的影响。其中,凌同华等[8-10]采用小波包分析对不同爆破参数下监测到的振动信号进行能量分布分析,结果表明,单段爆破振动主要以中高频为主而多段爆破振动则以中低频为主,雷管段别的增加以及单段起爆药量的减小能增大爆破振动的主振频率,使得能量在各频带上分布更加均匀,有效降低爆破振动危害。张智宇等[11]利用小波包技术分析了爆破振动信号的能量分布特征随起爆方式改变的变化规律。石长岩等[12]通过小波分析技术,分析了爆破震动波在同一地下采场的能量分布规律,探讨了爆心距、总药量及传播方向对爆破地震波能量分布的影响规律。朱权洁等[13]利用小波包分析技术对爆破震动信号与岩石破裂信号的频带能量分布特征进行研究。Trivino等[14]在研究多种爆源不同起爆条件下能量和频率的变化规律时引入对平均频率的分析。龙源等[15]通过爆破震动观测数据的幅频分析和对爆破弹性区地震波传播的数值模拟,探讨了爆破地震波的幅频特性,指出爆破地震波的主震相的持续时间主要与介质阻尼系数、爆破能量大小形式以及微差爆破段间时差有关。张义平[16]系统分析了FFT、STFT、WT 和HHT 变换等时频分析了爆破震动信号的能量分布优缺点,得出HHT变换的EMD方法具有自适应性,克服了小波包分析的缺点;同时,也提出了应考虑IMF分量对建(构)筑物产生的放大效应影响。

由于爆破地震波频率的复杂性,并涉及爆源条件、岩体特性、传播距离、高程等多方面因素的影响。因此,本文基于露天边坡对爆破地震波的能量分布特征研究,通过小波变换对实测爆破振动信号进行分解,探索露天边坡的爆破地震波能量在不同频带间的分布规律,为控制边坡安全提供相关依据。

1 小波分析及特点

小波分析(wavelet analysis)方法[17]是一种窗口大小固定但其形状、时间窗及频率窗皆能调整的时频局部化分析方法。使其对低频部分信号可以通过较低的时间分辨率提高频率的分辨率,对高频部分信号可以利用较低的频率分辨率而获得较高的时间分辨率,因小波变换具有的高低频分离的特点,可在不丢失原信号重要信息成分的前提下,表征出不同尺度的信号特征,广泛应用于各种复杂非平稳信号处理、时频分析、信噪分离并提取有用信号等领域。而爆破地震波在露天矿边坡岩体介质中传播时,因受爆源特征和场地性质的影响,其不同频带间的能量衰减程度存在差异,为对此研究,须利用小波分析技术将研究频率范围内的爆破地震波信号提取出来,因此,最优小波基的选取尤为关键。Daubechies小波系列具有较好的紧支撑性、光滑性及近似对称性[17],且在处理和分析包括爆破地震波在内的非平稳信号问题方面取得了成功的效果[18-20]。该小波系数具有不同正整数序列(dbN),且在爆破振动信号处理中用得最多的是db5和db8。

2 爆破振动信号能量分析

2.1 爆破振动监测

爆破振动测试采用加拿大Instantel公司生产的Blastmate III型测振仪,此仪器可接X,Y,Z三向振速传感器三个通道和高压麦克风一个通道,但本次未测试爆炸超压;测量范围:振速量程达254 mm/s;噪声88~148 dB;精度+/-5%或0.5 mm/s,取较大值;地震触发器:0.125~254 mm/s;采样率可分级设置,每通道1 024~16 000 Hz;能连续监测,存储300个振动波形。试验地点在江西省铅山县永平露天铜矿,测点布置在东部边坡台阶上,离台阶坡脚3 m位置处左右,台阶高度10 m,隔二个台阶并段一次,并段后高20 m,安全平台宽8 m,隔二个安全平台设一个清扫平台16 m,台阶坡面角65°,最终边坡角41°,共5个测点分布在不同高程。测点布置见图1,其中+171是剖面线坡顶标高,CK914、CK1101为地质勘探线钻孔剖面图[21]。实际边坡地形见图2。其爆破参数为:孔深11.0 m,超深1.0 m,孔径200 mm,孔距6.0 m,排距5.0 m,堵塞长度为5.0 m。采用混装乳化炸药,柱状药包中心埋深8 m,装药密度为1.1 g/cm3,炸药爆速为3 200 m/s。

边坡主要为灰岩夹石英砂岩,上部覆厚度较大的残坡积物和老窿堆积物,下部的岩体岩层接触面倾向与边坡面倾向相反,倾角近于水平。岩石节理,裂隙发育,裂隙面偶有硅质和金属矿物充填,多数为干裂隙。岩体较破碎。岩体物理力学性质参数,见表1。

表1 岩石物理力学参数Tab.1 Parameters of rock physical and mechanical

为保证测试数据的准确性,测试过程中传感器均安装在基岩上,以使其与测点牢固。根据测试条件的要求,对永平露天铜矿爆破生产开挖进行了22次爆破振动测试。选取了一组典型的爆破振动信号,其不同测点的爆破参数及监测结果见表2,其相应的爆破振动速度时程曲线和傅里叶频谱图见图3和图4。

图1 测点布置示意图(m)Fig.1 Arrangement of measuring points(m)

图2 边坡地形图Fig.2 The chart of slope topography表2 不同测点的爆破参数及监测结果Tab.2 Blasting parameters and monitoring results of different measuring points

测点最大段药量/kg高程差/m测点水平距离/m速度峰值/(mm·s-1)主频/Hz切向垂向径向矢量和切向垂向径向13 172201906.7314.5725.5887.15013.6023.3013.3023 172402861.7782.2862.1592.50819.5022.4028.2033 172503112.9213.8105.5886.5499.1922.3018.9043 172603304.0643.1752.9214.63028.4046.6020.3053 1728035013.085.84212.8315.327.2515.807.13注:切向和径向分别为水平垂直爆源和指向爆源的方向,垂向是指竖直方向

由图1、2可知,2号、4号测点处岩体结构完整性相对较差、节理裂隙发育,且2号测点左下方可见明显倾斜裂隙, 而1号、3号及 5号测点处岩体结构较完整、节理裂隙较少。从表2、图3和图4可以看出,随着高程的变化,各传播方向的质点振动峰值速度存在一定的高程放大效应;但爆破地震波在岩体结构不完整、节理裂隙发育的 2号及4号测点中传播时,其产生的振动频率成分相对复杂,爆破振速衰减显著。

2.2 反应谱分析

反应谱[22]是以SDOF黏性阻尼体系来模拟真实建(构)筑物,通过考察此黏性阻尼体系承受震动的反应特性,以震动加速度作为确定反应谱的输入,对体系自振频率与阻尼的组合情况绘制出反应谱曲线。而用反应谱值与爆破振动的峰值之比表示纵坐标,又称标准反应谱或动力放大系数。其曲线不但能反映震动的强弱,还可计算在一定震动强度的作用下结构体的动力反应,因此也能看作是震动频谱特性分析的一种方法。因受露天矿边坡监测背景的影响,爆破振动信号广泛存在噪声,刘连生等[23]通过小波阈值法、EMD、EEMD分别对露天爆破开采下所获的爆破振动信号进行去噪处理,对比分析发现EEMD去噪效果最好。本次爆破振动监测的物理量是质点振动速度,经EEMD分解及对所测得的质点振动速度进行低通消噪后再微分,而所获得的质点振动加速度时程曲线见图5。对于实际的建(构)筑物,其阻尼比ξ一般取0.02~0.05,而在工程抗震计算中常取结构震动阻尼比ξ=0.05[22]。利用MATLAB语言编制的三角插值解析公式法反应谱计算程序,输入震动阻尼比ξ=0.05及所推求的质点振动加速度信号。绘制出的爆破振动信号速度反应谱曲线和其对应的标准反应谱曲线如图6和图7所示。

(a)切向

(b)垂向

(c)径向图3 爆破振动速度时程曲线Fig.3 The time-dependent curve of blasting vibration velocity

图4 爆破振动信号的傅里叶频谱图Fig.4 Fourier spectrogram of blasting vibration signal

从图6和图7分析,爆破地震波在边坡岩体介质中传播时,随着高程的增加,两者反应谱曲线的“突峰”数量减少,其速度反应谱的峰值强度逐渐增强,边坡结构体的速度反应谱峰值所对应的周期也有增加的趋势,说明爆破地震波的频率成分趋于简单化,且边坡结构体对其响应的振动主频有往低频发展的趋势。虽然速度反应谱的峰值随高程的增加而增加,并在结构不完整的2号、4号测点逐渐衰减,可其相应的速度标准反应谱的峰值却没有明显的类似特点;各测点三向速度反应谱的峰值在垂向方向基本较小,但其垂向的动力放大系数却几乎更大。表明爆破地震波在边坡岩体传播过程中,速度放大倍数主要取决于结构体本身,不同的结构体对爆破地震波的选择放大作用不同,相同的结构体对不同传播方向的爆破地震波的选择放大作用也不一样。

(a)切向

(b)垂向

(c)径向图5 爆破振动加速度时程曲线Fig.5 The time-dependent curve of blasting vibration acceleration

图6 速度反应谱图Fig.6 The response spectrum of vibration velocity

图7 速度标准反应谱图Fig.7 The standard response spectrum of vibration velocity

2.3 不同频带间信号的相对能量分布特征

从前面的分析可以发现,实测爆破地震波信号主频的多变性和频率成分的复杂性,因此利用小波变换来分析各测点信号不同频带间相对能量的分布特征,频带间信号的相对能量是指该频带信号能量占全频带信号能量的百分比。本次测试信号的采样率为2 048 Hz,故其奈奎斯特(Nyquist)频率为1 024 Hz。采用db8[24]小波基对原始信号进行6个层次的分解,重构可得到如下7个频带,第1频带0~16 Hz,第2频带16~32 Hz,第3频带32~64 Hz,第4频带64~128 Hz,第5频带128~256 Hz,第6频带256~512 Hz,第7频带512~1024 Hz。并绘出了各信号在不同频带间的相对能量,如图8所示。

图8 各信号在不同频带间的相对能量Fig.8 Relative energy between signals at different frequency bands

从图8可以看出,信号1与信号3的相对能量分布都主要集中在前三个频带,切向、垂向及径向分别为97.41%与98.83%、96.75%与98.67%及98.89%与98.98%,水平方向上主振频带在0~16 Hz,竖直方向上却在16~32 Hz;信号5的能量分布百分比在前两个频带达96%以上,其他所有频带间的相对能量不足4%,而主振频带都在0~16 Hz。但由于节理裂隙发育的影响,信号2与信号4的能量主要分布频带逐渐变宽, 在第四频带(64~128 Hz)也出现了一定的相对能量分布,百分比在2.17%~8.08%之间,其主振频带也发生了很大改变;信号2的16~32 Hz频带相对能量在各向上均是最大,而信号4水平方向在16~32 Hz频带、竖直方向在32~64 Hz频带的相对能量最大。分析可知,爆破地震波在边坡岩体中传播时,随着高程的增加,爆破振动信号相对能量主要分布频带逐渐变窄,主振频带也越来越趋向于低频带;而若岩体节理裂隙发育,其相对能量主要分布频带逐渐变宽,主振频带有往高频带发展的趋势。

岩体是由结构面和结构体两部分组成的,结构体被不同类型的结构面(断面、断层以及节理裂隙等)在空间按任意组合划分而成。结构面对爆破地震波的散射作用使其在露天边坡传播过程中影响甚大。因爆破地震波在节理裂隙处产生透、反射时需消耗更多的能量,可以认为爆破地震波在裂隙岩体中的传播的衰减速度比在一般连续介质中更快,主要表现在透射波振幅的降低和过滤高频波两个方面。张立国等[25]和高富强等[26]通过量纲分析得到的频率预测公式;焦永斌[27]采用的爆破振动频率预测公式间接反映多种因素对爆破振动频率的影响,为提高对爆破振动频率的预测。

宋光明[28]利用铜山口铜矿、姑山铁矿及海南铁矿的岩体(岩土混合体)基本质量指标BQ值以及完整性系数Kv来量化传播介质特性,通过对不同岩层地质条件下产生的爆破振动进行小波包分析,发现单段波形小波包各细节信号的主振频带分布范围随着传播介质的完整性系数Kv值减小而增大,优势频率值随Kv值减小而增加;宋全杰等[29]认为单一应力波通过层理多次透反射后将产生有一些相位差的多个应力波,经叠加后使频率变高,且振动能量有往高频段向移动;徐松林等[30]发现赋存在各种压力环境中的岩体,其孔隙流体压力在低频率范围内对频散特性影响很大,且随着孔隙流体压力的增大,其频散变化程度越强,但对高频率范围影响很小。

永平露天铜矿的实际地形(见图2)是由不定倾向节理裂隙及其发育情况不一的岩土介质构成的,从结构动力学角度讲,在爆破荷载激励下属于多自由度有阻尼振动系统,且存在多阶固有频率,而岩体完整性系数相对较小的2号及4号测点,其结构多振型特征就越明显。从频谱图4可知,若将较为明显的“突峰”都表示成一个优势频率,信号2和信号4的个别优势频率和主振频率的幅值相差并不大,说明其频率成分的复杂程度和主频的多变性都较其他信号强。因此,在节理裂隙发育的2号及4号测点,其相对能量主要分布频带逐渐变宽,主振频带有往高频带发展的趋势,这是由于实际地层裂隙发育岩体结构的多振型对爆破地震波作用的响应结果。

2.4 频带间信号能量的放大效应分析

从小波变换分解得到的不同频带间信号的相对能量分布特征来看,发现所测爆破振动信号的能量分布百分比在前3个频带均占90%以上,所以下面只对全频带及前3个频带间信号能量的放大效应进行分析,以爆破振动信号1的能量值为参照,分析其他经高程和节理裂隙等共同作用下的爆破振动信号能量的放大系数变化。频带间信号能量放大系数变化趋势,如图9所示。

图9 全频带及前3个频带间信号能量的放大系数变化趋势Fig.9 Amplification trend of signal energy between full band and the first 3 bands

结合图8和图9分析可知,在既定的坡形中,随着高程的增加,爆破振动信号的能量存在高程放大效应,且在不同频带间的放大系数有一定的差异,是由于爆破地震波在边坡岩体中传播时,各频带间信号的相对能量分布特征发生了变化。信号5在0~16 Hz频带的能量放大效应最为明显,16~32 Hz频带次之,而在32~64 Hz频带的信号能量出现衰减,是因为随着高程的增加,爆破振动信号的主振频带越来越趋向于低频带,高频带信号的相对能量分布较少。这说明,在露天矿爆破作业开挖时,爆破地震波在边坡岩体传播过程中,高频部分逐渐衰减,致使边坡岩体表面的爆破地震波能量主要聚集在低频部分,这就给自振频率小的边坡带来了极大失稳破坏的可能性。而在边坡岩体结构不完整、节理裂隙发育情况下的信号2、信号4,虽然有着高程的增加,但其爆破振动信号的能量损失较大,各频带的信号能量衰减明显,但切向、垂向、径向衰减程度不一样。信号3、信号5同样也经过了岩体结构不完整、节理裂隙发育的传播路径,信号3在切向上衰减最大,垂向弱之,径向放大;信号5却仍然表现出了显著的能量放大效应,切向最强,径向次之,垂向最弱。分析表明,边坡对爆破地震波的响应是在节理裂隙、高程等众多方面因素影响下呈现出来的结果,其信号能量体现出的衰减及放大效应,与各影响因素的占比有关,或者说是取决于结构体本身,不同的结构体对爆破地震波的选择放大作用不同,相同的结构体对不同传播方向的爆破地震波的选择放大作用也存有差异。

3 结 论

本文基于小波分析技术及分应谱分析方法,根据实测永平露天矿边坡爆破振动信号分析其能量的分布特征,主要得到以下结论:

(1)随着高程的增加,爆破地震波的频率成分趋于简单化,主频有往低频发展的趋势,而节理裂隙的存在,会使爆破地震波的频率成分复杂化。

(2)爆破振动信号的能量主要分布在0~64 Hz,各信号在不同方向上的主振频带有差异,水平方向的主振频带几乎都比垂直方向的低一个频带;随着高程的增加,爆破振动信号能量主要分布频带逐渐变窄,主振频带趋向于低频带;岩体节理裂隙愈发育,其相对能量主要分布频带逐渐变宽,主振频带有往高频带发展的趋势,这是由于实际地层裂隙发育岩体结构的多振型对爆破地震波作用的响应结果。

(3)在既定的坡形中,边坡爆破地震波的爆破振动速度与能量存在一定的高程放大效应,频带间能量的放大系数存在差异,主要与不同高程的信号各频带间的相对能量分布特征变化有关。爆破振动速度和能量放大倍数与节理裂隙、高程等影响因素的占比有关,或者说是取决于结构体本身,不同的结构体对爆破地震波的选择放大作用不同,相同的结构体对不同传播方向的爆破地震波的选择放大作用也存有差异。

致谢:本研究是由国家自然科学基金资助项目(51404111,51504102)、中国博士后科学基金资助项目(2014M562529XB)、江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ160643)、江西理工大学重点学科资助项目(3304000004)、江西理工大学清江青年英才支持计划资助,在此表示感谢! 本文的现场试验工作得到江铜集团永平铜矿领导和生产技术部、露天采场等部门的大力支持和帮助,在此向他们致以衷心的感谢!

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