基于小波分解的某矿山拉槽爆破振动监测

吴世宽

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 概述

目前，在采矿工程中，凿岩爆破仍然是金属矿山破碎矿岩最主要的手段。拉槽爆破效果的好坏直接影响到后续爆破工艺及工程质量。影响爆破效果的因素有很多，例如所用炸药的性能、爆破对象的物理性质、爆破的参数以及爆破工艺等，针对各因素对爆破影响程度的强弱，对爆破工艺进行改进，并对爆破参数进行优化，进而改善爆破效果。这就需要爆破设计人员充分了解爆破的性质。

国内外学者对爆破特性开展了大量的研究，凌同华等[1]利用爆破震动时能密度曲线积分值和爆破震动三要素间的关系，建立震动效应评估的定量指标。赵明生等[2]结合小波分析和RSPWVD 二次型时频分析对爆破震动信号进行时频分析，提高了信号时频特征的精度。史秀志等[3]利用双线性变换的二次型时频分析技术，提高了爆破震动信号主频的提取精度。李洪涛[4]对爆破振动的衰减影响因素进行了研究。闫长斌等[5]通过FLAC3D 模拟厂坝铅锌矿采空区在爆破震动作用下围岩应力场变化，并对爆破震动作用下的围岩稳定性进行了分析。

虽然众多学者对井下爆破的振动特征及影响因素开展了大量的研究[6，7]，但成果多集中于生产爆破，拉槽爆破的特征研究鲜有报道，本文基于爆破振动监测技术，对拉槽爆破的爆破振动特征参量进行分析。

2 采场介绍

矿山采矿方法为嗣后充填的阶段矿房法，矿房参数为：每分段高度10m；采场的长约为28m，宽17m，底柱高为10m，采场布置方向与矿体走向垂直，采场边界与29 采矿房内矿体边界重合；放矿所用炸药为2#岩石改性炸药。

3 监测设备

本次监测采用NUBOX-6016 型智能振动监测仪（如图1 所示），是四川拓普测控科技有限公司设计。利用现场监测的爆破震动、噪音、冲击等数据对此设备进行优化，NUBOX-6016 型智能监测仪参数见表1。该仪器可只对拟研究的特征信号触发，并将传感器接收的动态和静态信号进行数字转换并存储，此设备最多允许2048 段分段采集。其配套有BM View 爆破震动专用测试分析软件，TP3V-4.5 三维速度型传感器以及TDEC API 动态链接库。此设备不但体积小易安装，并且设备非常坚固，耐用性好，监测精度高、其抗干扰能力强等优点。

表1 NUBOX-6016 型智能振动监测仪参数

图1 NUBOX-6016 型智能振动监测仪

4 结果分析

爆破震动监测设备的工作频率需大于5Hz，参照采样定律，当信号采样频率5000Hz 时其对应的Nyquist（奈奎斯特）频率是2500Hz。因此，爆破震动信号可分解至第10 层，则其对应的最低频带范围为0～4.883Hz。借助小波分析，并采用二进尺度的变换后的各层重构信号频带范围见表2。

表2 各层重构信号对应的频带范围

为尽可能减少其他因素的干扰，选取爆破药量、监测距离等因素取值基本相同的几次数据。为避免监测信号出现失真现象，将信号采样频率设置为5000Hz。通过小波分析所监测震动信号，可得到10 个频带小波分解系数，并发现震动信号在尺度为9 的小波分解中，采用bd7 的方式误差最小如图2、图3 所示。由香农（Shannon）采样定理可得奈奎斯特频率为2500Hz，各小波分解的10 个频带范围可查表2 得知。

图2 各频带的爆破振动分量小波频带能量分布

图3 各频带质点的峰值振动速度分布

图3 是各频带质点峰值振动速度。在x 方向上，各频带质点峰值震动速度均小于生产爆破，在y 方向和z 方向基本一致，这可能是因为拉槽爆破补偿空间有限，x 方向为自由面法线方向，在该方向炸药的能量更多的用来挤压破碎矿岩，振动反射波相互干涉叠加或减弱，而振动速度较大由于矿岩的阻尼作用衰减速度也较快。此外，质点振动峰值速度最大的频带一般在156.25Hz 以后，但该频带能量所占比例并不高。频率越高，质点振动速度越大，振动在传播的过程中衰减也越快。

图4 是各振动分量能量谱密度。拉槽爆破能量谱密度在x、z 方向分布频带范围较广，在y 方向分布频带范围较窄。在x 方向上，两次拉槽爆破主频分别为100Hz 和191.2Hz，但在小于主频的范围，能量谱密度分布范围较广，这与图2(a)中两次拉槽爆破频带能量分布相匹配。

图4 功率谱密度

5 结论

1)拉槽爆破x 方向质点振动速度较小，可能原因是该方向上炸药的能量主要用来挤压破碎岩石，大量的振动波相互干涉减弱和矿岩介质的阻尼作用。

2）振动在x、y、z 方向的分量能量分布频带范围不完全一致，与质点峰值振动速度分布频带也不完全一致。

3）拉槽爆破x、z 方向的能量谱密度分布频带范围较大，y 方向能量谱密度较小。