工程爆破中地震效应的分析及预测预报现状

孟 彪 赵国强 贾世杰

（1.新疆雪峰科技（集团）股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆雪峰爆破工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 爆破地震效应产生机理

1.1 产生机理

介质爆炸中的很大一部分能量转化为在介质中传播的波，包括冲击波、弹性应力波和弹性地震波。冲击波、应力波和地震波之间有密切的关系，在传播过程中，冲击波经过衰减转变为压缩应力波，而压缩应力波衰减变为地震波，传播速度冲击波比应力波衰减快且能量损失较大，但在波的作用范围上，冲击波比应力波小的多。冲击波和应力波都属于脉冲波，不具有周期性且都会对岩石造成不同程度的破坏，而地震波作为一种弹性波，其具有周期振动的特性，且地震波的抬升和下降的时间基本一致，此外地震波具有作用范围大但破坏强度小的特点，当岩石作为地震波的作用物时，它只能造成岩石内部裂隙或微小孔隙的扩张，并不能对其结构造成明显破坏。

1.2 主要特征

爆破地震波内含有丰富的成分，波系较为复杂。爆破地震波主要由面波和体波构成，面波继

续细分，其内部包括瑞丽波和勒夫波，体波包括p 波和s 波，p 波波速可达5-6 km/s，s 波的波速较p 波小，可达3-4 km/s，勒夫波具有震动幅度大、持续周期长的特点，传播时携带的能量较大，相比体波，它的传播速度较慢，且具有衰减慢的特点。体波和面波在工程爆破中所起的作用不同，体波在工程爆破中控制岩石破碎，面波控制产生地震效应。

2 爆破振动的影响因素

工程爆破活动对周围构筑物、建筑物损害控制因素较多，破坏机理复杂，控制爆破振动的因素主要有3 个方面，即振动幅度、振动频率、持续时间。按照产生及传播过程划分，可划分为爆源因素、传播介质因素、测点因素3 类，爆源因素中最大段药量起关键作用，其次炸药参数、孔网参数、装药结构也对爆破振动起控制作用。振动波在传播的过程中，主要是介质因素、爆心距离和高程效应影响着波的发展，其中爆心距为关键因素。

目前，在研究各控制因素对爆破振动的影响规律时，通常采用回归分析法、灰色关联法、显著性检验法和相关分析法等，应用较为广泛且成熟的是回归分析法。回归分析通常利用线性回归法或非线性回归法结合相应的爆破振动经验公式进行预测，依托现场测振数据，计算得到回归系数，揭示振动传播规律，对比线性回归法和非线性回归法，通常非线性回归法得到的经验公式，振动预测结果更接近真实值。

3 爆破振动测试

3.1 国外测试仪器应用现状

在测振仪的研发上，大部分国家都选择在多功能、便携式、网络化和数字化等方面谋求突破，国外振动测量仪表类型见表1。

3.2 国内测试仪器应用现状

国内，遵循智能、科学、精细、规范的原则，数字爆破测振因此正向更加有利爆破振动控制的方向发展。目前国内技术成熟且应用较为广泛的爆破振动监测仪器列举如下。1）TC-4850 型测振仪。由成都中科测控研发的智能爆破测振仪，常配套891-II 型速度/加速度传感器使用，自带液晶显示屏，现场直接设置各种采集参数，并能即时显示振动波形、峰值、频率， 无须电脑支持。具有集成度高、精度高、携带方便、坚固耐用等特点。2）TC-4850N 型网络远程实时爆破振动测振仪。由铁科院研发，除具有TC-4850 型测振仪的功能外，还具有无线信号接受和发射功能，能够运用3G网络远程操作，即使在没有网络的地方也可通过间接传输和专用VPN 通道传输到用户手中，流程安全可靠，极大优化了技术人员的工作环境。3）UBOX 爆破测振仪器。该仪器由四川拓普测控科技有限公司生产，配套相应的数据记录仪器的使用，该仪器携带便捷，测试数据处理正确且简单可靠。4）TOPBOX 振动信号自记仪。该仪器可离线工作，断电自动保存数据，不会造成数据丢失无无线网络传输功能，但该仪器年代久远，功能大多被先进产品替代。5）iSensor 三轴智能传感器。该仪器由四川拓普公司最新研发，支持离线监测、在线监测和无线监测，且具有一定的防水功能，可在恶劣天气下工作。离线检测时满电状态下可连续工作48 小时，关机数据自动保存在传感器中不丢失，离线状态下传感器独立工作，无需连接终端设备，测试结束后连接电脑可进行数据下载。在线状态下，传感器需连接电脑，实时控制仪器，实时下载测试数据，要求工作人员必须现场操作。无线状态下，支持WIFI 或手机热点连接，支持单台仪器工作或依托路由器完成多台仪器组网监测，具有在线监测的优点，但允许工作人员远程操控，此外该仪器可同时完成三通道的振速、频率、加速度监测，监测频率范围覆盖0.01Hz -1kHz，此外，其上还搭载“TopCloud 云端综合监测平台”。

表1 国外振动测量仪表类型列举

现场测试结果如图1 所示，图1 为运用matlab 软件分析振动数据所得，图1（a）、图1（b）、图1（c）分别表示X、Y、Z 三通道所测得的振动波形图，此外监测仪器自带的分析软件Data Anlysis”也可进行一些简单的数据分析，比如绘制速度波形图、加速度波形图，还可通过标线的形式直接反馈波形任一点的峰值振速和主振频率，测试结果也可导出word 文字版报告、excel 原始数据表格和工程文件形式，用于后续分析。现场试验，该仪器现场测试效果突出。

3.3 监测点选择及仪器安装

在监测点的选择时要明确监测目的，明确是保护建筑物为目的或是矿山爆破以优化爆破参数、提高爆破方量为目的。当以保护建筑物为目的时，遵循“最近原则”、“最弱原则”、“最重要原则”。“最近原则”指当爆源附近有多个建筑物时，监测仪器放置在距离爆源最近的建筑物附近，距离近的建筑物更容易受到破坏，“最若原则”同理，即监测点布置在抗震能力最弱的建筑物附近，若有核电站等重要构筑物分布于爆源附近时，须遵循“最重要原则”，如被保护建筑物呈直线分布，布点时按照等距直线原则，以爆源为对称线向两测均匀布设。以矿山爆破优化为目的时，如监测某一地下矿山巷道或进路爆破振动时，遵循直线布点的原则布置测点，测振仪器通道指向爆心，布点间距按照对数原则，有利于测振数据的线性回归分析，布设测点一般不少于5 个。

4 爆破信号分析现状

图1 数据分析（电子雷管测振）

常见的测振信号分析方法主要有小波理论、傅里叶变换法、HHT 变换法等，几种方法在不同的时间节点上推动了对爆破振动的分析，随着技术的成熟，广大学者对集中分析方法做出了不断改进，但几种方法在振动信号的分析中仍存在着不同局限性。

常规傅里叶变换法（FT）可以形象、清晰地表示爆破振动下不同频率分布区域在各种爆破振动影响因素下的变化规律，但它无法将时间、频率结合分析得出时频分布规律，且该方法对于非平稳测振信号的处理情况也不乐观。基于上述问题，有学者提出了短时傅里叶变换法（STFT），该方法具备自适应得特点，且能够将时、频结合分析，反映测振信号时域、频域的变化规律，使得分析更加全面，但对于非平稳信号的分析，虽然最终可以获得相对平滑的时频分布，但对于剧烈波动的信号，在分析时易受时、频分辨率的影响，分析受到很大限制。

小波分析（WT）、小波包变换（WPT），弥补了傅里叶变换法在非平稳信号时频分析上的局限。小波分析同样具有一定的自适应变化性，其本质是基于一种时频窗口结构，对爆破振动信号进行区域精确分析，但在分析时须主观选取小波基底，因此容易造成误差，且小波基具有时长的限制，这些问题的存在使该方法受到一定的局限。小波包分析以小波分析视为基础，对小波分析时的局部模糊部分进行了精细解析，一定程度上优化了小波分析。

希尔伯特—黄变换（HHT），由于其在信号分析上的优越性，目前已被国内外众多学者广泛应用到爆破信号的分析中。分析包含两个步骤，EMD 分解和Hilbert 变换，EMD分解是HHT 法相对其他振动信号分析手段具有优越性的的关键，利用EMD 分解可以把非线性、非稳定性，以及具有各种波动尺度或各种发展趋势的信号逐一分解，得到具有不同尺度和在任意时刻具有平稳频率的IMF 分量。第二步，IMF 分量的Hilbert 变换，最终通过算法得到能够表征时间—频率—能量分布规律的三维图谱，通过该图谱可分析得到振动波能量在各频带范围的分布规律。

对比以上三种爆破振动信号分析手段，HHT 法具有以下优点。1）傅里叶变换法对于变化剧烈的非线性非平稳振动信号的分析存在较大的局限性，而小波分析和小波包分析尽管从理论上可以解析非线性非稳定振动信号，但从实际算法上并没有真正进行对非稳定信息的解析，HHT 通过EMD 分解和Hilbert 变换完成了对非线性非平稳信号的分析，突破了其他信号分析手段的难点。2）HHT 法的高度自适应性，决定了它可产生自适应基，这区别于傅里叶变换法和小波变换局限于一组固定先验基底的问题。3）HHT法分析后最终所得的是瞬时频率，能够展示局部特征，小波分析和傅里叶变换分析得到的频率，精度远不及HHT 分析得到的瞬时频率。

虽然运用HHT 法分析爆破信号具有更好的效果，但在某些方面，HHT 法也存在不足，如其在频率分辨方面，HHT 法存在高频区域对振动信号分辨率不高的问题，在振动信号的低频区域容易出现不合理成分的问题。

5 爆破振动预测预报模型研究现状

随着计算机技术延伸到采矿行业中，尤其在爆破领域，其大大推进了爆破振动强度的预测预报手段的进步，如先进的数值模拟手段和人工神经网络法等，逐步取代了经验公式预测和理论预测等传统的预测手段。

5.1 经验公式预测

各国学者考虑药量、爆心距等因素提出经验公式在各国爆破领域广泛应用，如中国广泛运用的萨道夫斯基公式、美国矿务局的经验公式、日本的经验公式、英国1950 年莫里斯经验公式、1978 年瑞典郎格福尔斯公式、P.B.Attewell 等人的经验公式以及印度采用的标准公式。经各国学者大量实验证明，这些经验公式虽形式各异，但预测效果差异不大。

经验公式预测法较为传统且由于爆破振动的影响因素诸多，若只考虑药量、爆心距等因素，无法对振动强度进行准确预测，预测精度不是很高，随着人工神经网络法的出现，使多种控制因素加入对爆破振动的预测，使得预测结果精确度提高。

5.2 人工神经网络法

图2 为BP 神经网络拓扑关系图，如图所示BP 神经网络模型内部包括隐含层、输入层、输出层，通过特定类型的可微函数，实现各神经元之间的信息传递，据此可以建立输入层和输出层的映射关系，此映射具有非线性特征，映射建立后将控制爆破振动的各参数按照各神经元之间的映射关系转化为数学运算，通过计算最终得到预测值。具体数学运算步骤如下式。

神经网络中节点i 的输入：

式中：i、k 为神经元，W为神经元间的连接权；O为加二点k 的输出值。

输出层表达：

式中：f 为节点间的相互作用函数，且通常sigmoid 型函数，I为线性加权求和得到的神经元静输入， e 为sigmoid 函数中一个指数函数的底。

第i 个样本的误差测度可以定义为：

式中：y 为期望输出值；o 为实际输出值。

整个样本的误差测度值为各样本误差的加权值：

式中：E为某个样本的误差测度值，n 表示此次运算中共n 个样本，i 表示全部样本中的某一个样本，i 从1 开始。

修正误差：

式中：W与W＇分别为隐藏层到输出层误差修正前后的误差，表示学习效率。

图2 BP 神经网络拓扑关系图

爆破振动信号作为一种非线性、非平稳的信号，运用人工神经网络法处理时具有很大优势，对于原数据，人工神经网络分析时不需要提前假设分布类型，直接可以用于权值训练，除此之外神经网络法可加入多种振动控制因素综合分析，弥补了经验公式预测模型的不足。虽然人工神经网络法在诸多领域已经得到了很好的应用，但需要继续拓展的方面还有很多，如神经网络法可与小波分析、混沌、粗集理论、分形理论、证据理论和灰色系统等的融合，使振动波分析、图像处理以及运算复杂程度等方面得到优化。

5.3 数值模拟预测

作为被各领域广泛运用的学科，计算机技术很大程度上推进了各领域的研究，计算机数值模拟技术成为重要的爆破振动预测手段，国内外出现了众多的模拟软件与方法，例如，数值模拟手段主要有离散元法、有限差分法、有限元法等，模拟软件主要有MIDAS/FIEA 有限元分析软件、ABACUS 有限元软件、ANSYS/LS-DYNA、AUTO- DYN、FLAC3D、UDEC /3DEC 等。

史秀志运用ANASYS/LS-DYNA 软件，研究了阶段运输巷道在爆破作用下振动变化规律，通过分析得出深孔爆破下微差时间的设置将直接影响爆破信号的时-频变化规律的结论。龚斌以某隧道爆破为研究对象，运用MIDAS/GTS 数值模拟软件对V 级围岩条件下小间距隧道开挖进行爆破振动数值模拟，研究了爆破对小间距隧道的影响规律。周清运用FLAC3D，通过在多种控制因素条件下模拟得到隧道先行支护点的振动速度变化情况，结果表明隧道埋深、测点与隧道围岩间距与振动速度变化的规律。杨风威、李海波结合三维离散元数值软件3DEC，展开了模拟露天边坡台阶爆破作用下质点振速、质点位移的工作，模拟结果与现场实测值对比，结果表明数值模拟得分析结果误差控制在15% 以内，得到了在爆破作用下边坡位移情况和塑性区的分布规律。经国内外学者的研究，表明了数值模拟在爆破振动预测预报方面的实用性，对现场爆破实践具有重要指导意义。

6 结语

通过分析表明：1）TDEC 研制的iSensor 三轴智能传感器可远程操控，可离线工作，操作简单，测试准确，爆破现场测试效果突出。2）几种爆破信号分析手段有各自优点，HHT 法可适用于分析非线性、非稳定性爆破振动信号，且不拘束于一组固定的信号基底，分析效果优于其他几种方法。3）智能预测预报模型中，神经网络法应用广泛，其与小波分析、混沌、粗集理论、分形理论、证据理论和灰色系统等的融合将使振动波分析、图像处理以及运算复杂程度等方面得到极大优化。4）数值模拟预测在解决工程爆破问题中具有明显优势，但是其在模拟过程中容易出现系统误差，其在实际工程中须结合现场实测数据，作为验证实践所得理论具有重要意义。5）随着科学的发展和科技的进步，诸多先技能手段进入工程爆破领域，推动了该行业的发展，与此同时，对爆破地震效应的预测预报正逐步向信息化、智能化方向发展。