基于EEMD-HHT法的露天矿山深孔爆破振动效应研究

2022-12-05陈军凯郝向军张小军高文学

金属矿山 2022年11期

陈军凯魏正郝向军张小军高文学

(1.北京工业大学城市建设学部,北京 100124;2.内蒙古康宁爆破有限责任公司,内蒙古鄂尔多斯 017000)

工程爆破技术在我国国民经济建设中的应用与研究已有较长历史,爆破振动监测及其分析是爆破技术研究的重要内容。由于现代露天矿山剥离工程大多在地形、地质与爆区环境复杂的条件下进行,因此,对于露天矿山台阶爆破及其振动效应的研究具有重要的现实意义。

爆破振动信号具有瞬时、非平稳性的特点,其传播以及衰减规律较为复杂。近年来,众多学者采用边坡模型试验、数值模拟分析以及振动监测等方法研究振动高程效应,在地层条件、台阶高度、爆心距、坡面角、结构面产状以及鞭梢效应等对放大效应的影响方面取得显著的研究进展[1-9]。武旭等[10]对台阶地形爆破地震波的传播规律进行了数值模拟研究,得出振动速度放大效应的实质是爆破地震波在台阶上发生波形转换与叠加;陈涛等[11]应用FLAC3D软件对露天矿山台阶爆破进行了数值模拟研究,结果表明:坡脚处最易发生受拉及受剪破坏。随着电子雷管在爆破工程中的推广应用,合理的延期时间对控制爆破振动、降低大块率以及提高炸药能量利用率等方面的作用得到众多专家、学者的关注[12-16]。何理等[17]基于爆破地震波线性叠加原理对精确延期时间进行了优选研究,得出合理的延期时间为主振周期的0.4～0.6倍;李祥龙等[18]采用EMD-HHT法对爆破振动信号进行研究,得出振动合速度随着延期时间增加的发展趋势为“快速衰减—逐渐增加—快速递减”,采用振动速度错峰叠加时对应的延期时间减振效果最佳。

露天矿山爆破工程地质条件复杂、单次爆破规模大、持续时间长,且爆破振动会对周边环境造成一定程度的影响。目前有关电子雷管精确延时与爆破振动效应的研究成果多基于特定的背景工程,普适性有所不足。本研究依托鄂尔多斯星光露天矿山深孔控制爆破工程,基于电子雷管精确延时与EEMD-HHT信号分析技术对“高程效应”“鞭梢效应”以及爆破振动波能量分布特征进行研究,为有效控制爆破地震效应,确保台阶边坡在爆破振动速度放大效应影响下的稳定与安全提供参考。

1 台阶深孔爆破与振动监测

1.1 工程概况

鄂尔多斯星光煤矿位于桌子山背斜西翼,属于内蒙古高原低山丘陵区。矿区地形西北高东南低,海拔1280～1320 m。地形相对平坦,松散盖层厚度小。矿区东界发育有SN向的宽缓沟谷黑龙龟沟,其向南与棋盘井沟相汇,流向西南注入黄河。地层遭受风化剥蚀,与下伏地层山西组呈整合接触,各类岩石基本为易软化岩石。

矿区可采煤量为859.07万t,煤层最低选采厚度为0.8m。从煤层赋存条件、剥离岩层特性分析,露天矿为单体倾斜构造,岩、煤层倾角为5°～10°,煤层结构简单,矿区开采采用爆破方法剥离、单斗汽车运输工艺,剥离台阶高度设计为10 m,台阶坡面角为70°,剥离岩层台阶宽度为44 m。露天矿边坡体由第四系松散层及岩、煤层组成。岩、煤强度呈现非均质各向异性特点。

1.2 深孔台阶爆破设计

1.2.1 爆破参数设计

设计剥离岩层采用电子雷管精确延时松动控制爆破方案,台阶高度10 m,台阶坡面角70°;垂直钻孔,钻孔孔径ϕ=150mm;采用孔距a=6m、排距b=5 m的三角形布孔方式;岩石坚固性系数f=6～8,炸药单耗q=0.30 kg/m3;台阶孔深L=11.5m,其中超深h=1.5m,底盘抵抗线W=6.5 m。深孔台阶爆破参数取值见表1。

表1 爆破参数取值Table 1 Values of blasting parameters

1.2.2 精确延选择

确定合理的延期间隔时间是实现控制爆破的关键。本研究采用长沙矿山研究院提出的经验式(1)对孔间延期时间进行计算:

式中,Δt1为孔间延期间隔时间,ms;W为底盘抵抗线,m,取6.5 m;f为岩石坚固性系数,取8。

基于式(1)计算,孔间延期时间为16.25～32.5 ms。由于露天矿山爆破炮孔数量较多,为了减小爆破振动总的持续时间,本研究设计孔间延期时间取值为17 ms。

根据延时爆破增加自由面的作用原理,先爆孔爆破形成的爆破漏斗,为后续炮孔爆破创造新的临空面,那么排间延期时间应该比前一排同列炮孔至少滞后1～2个孔间延期时间。排间延期时间设计可根据下式进行计算:

式中,Δt2为排间延期间隔时间,ms;k为后一排比前一排同列炮孔滞后起爆的孔数,取2;Δt1为孔间延期间隔时间,Δt1=17 ms。

基于式(2)计算,排间延期时间取43 ms。

1.2.3 起爆网路设计

结合矿山剥离岩层特性,综合考虑地形地质条件、爆破地震强度、岩石破碎效果、施工进度以及爆破网路可靠性等因素,设计采用数码电子雷管进行精确延时松动控制爆破,同排相邻3个孔为1个起爆单元、同时起爆,同排孔间延时17 ms,排间延时43 ms。起爆顺序如图1所示。

图1 电子雷管起爆网路示意Fig.1 Schematic of electronic detonator initiation network

1.3 测点布置

本次爆破振动监测位于台阶平台,采用 TC-6850N测振仪,采样频率为1～50 kHz。各级台阶高度为10 m,坡度为1∶0.36,共布置4台爆破振动监测仪器,编号分别为 1#、2#、3#、4#。其中,1#、2#测点布置在1 238 m平台,水平距离为25 m,3#、4#测点布置在1 248m平台,水平距离为25m,测点详细布置如图2所示。

图2 爆破振动监测点布置Fig.2 Layout of blasting vibration monitoring points

2 爆破振动监测结果分析

2.1 质点振动速度分析

星光露天矿山爆破试验各测点的质点峰值振动速度见表2,测点振动速度—时程曲线如图3所示。

表2 爆破振动速度监测数据汇总Table 2 Summary of blasting vibration velocity monitoring data

图3 各测点振动时程波形Fig.3 Vibration time history waveform of each measuring point

以1#测点为例对整个爆破过程进行分析,爆破荷载作用开始时,质点振动速度先逐渐增大到一个峰值,后随着爆破荷载作用时间的推移逐渐衰减;由于采用电子雷管精确延时起爆,爆破振动信号出现若干个峰值,约在1.2 s后趋近于0。质点峰值振动速度存在高程放大效应现象如表3所示。由表3可知:振动速度高程效应放大系数具有显著的方向性,表现为垂向(Z方向)>径向(X方向)>切向(Y方向);同时,受到坡脚处岩石夹制作用影响以及与爆源距离的增加,坡面处振动速度放大程度大于坡脚处。

表3 高程效应放大系数Table 3 Elevation effect amplification factors

在相同高程台阶平面上,1#、3#测点各向峰值振动速度均大于2#、4#测点,1#、3#测点位置岩体靠近台阶外缘,2#、4#测点靠近内缘边坡坡脚,爆破振动下台阶外缘岩体的“鞭梢效应”以及内缘边坡坡脚处岩体受到的夹制作用,使得2#、4#测点处的质点峰值振动速度小于 1#、3#测点。

通过以上分析可知,星光矿山爆破振动速度在水平与垂直方向均存在局部放大效应。因此,台阶爆破施工作业时,应基于系统的监测分析,优化爆破参数与延期时间;同时结合实际工况,采取孔内间隔装药多点起爆、设立减振孔(沟)、预裂爆破等措施控制爆破地震效应,确保各级台阶边坡在爆破振动速度放大效应影响下的稳定与安全。

2.2 振动信号的EEMD-HHT分析

EEMD-HHT算法是在HHT算法上的改进[19-20]。EEMD分解可以用于提取和去除爆破信号中的高频噪声和低频趋势项,Hilbert变换可以得到爆破信号中时域、频域和能量的对应关系。该算法不仅能够使得信号在不同尺度上具有连续性,而且有效减弱了模态混叠现象,相比EMD算法计算精度更高。本研究随机取2#测点切向(Y方向)振动速度为例进行EEMD-HHT分析,采样时间为1.4 s,如图4、图5所示。

图4 2#测点爆破振动速度—时程曲线Fig.4 Time-history curve of blasting vibration at No.2measuring point

图5 EEMD分解结果Fig.5 EEMD decomposition results

根据图5,台阶边坡爆破振动信号被分解为c1～c10及余量共11个IMF分量,各阶分量按照频率大小由高到低排列。将原始信号进行EEMD分解后,可以看出,c1分量是高频噪声,出现在整个信号采集的过程中,其波形特点为高频低能波长短;而余量表示信号中的低频直流分量,体现了爆破振动监测系统的零点漂移和信号偏离基线的趋势,属于边坡岩体振动响应信号中的低频趋势项,应将两者在原始信号的基础上去除。

将分解之后的每一个IMF分量所包含的能量值绘制成如图6所示的柱状图。可以看出,c2～c7分量占有原始信号能量的95%以上,其中c4分量所含能量最大,且随着分量频率的减小逐渐衰减。c2～c7表现出爆破振动信号最显著的信息,是影响边坡稳定性和爆区附近建(构)筑物安全的主要部分,应予以重点关注;c8及以后分量波动的频率逐渐减小,波长逐渐增大。

图6 IMF层所含能量分布Fig.6 Energy distribution of the IMF

图7至图9分别为经过Hilbert变换得到的边际谱、瞬时能量与Hilbert能量谱分布图。根据图7,原始信号所包含的频率成分非常丰富,但大部分分布于100 Hz以下,信号优势频率主要集中在10～50 Hz,振动主频为47.45 Hz,高频成分所含能量逐渐衰减。由图8可知:基于电子雷管精确延时起爆,能量主要分布在0.02～1.08 s,最大瞬时能量值出现在0.187 s左右,与原始信号峰值振动速度分布规律基本一致。根据图9,原始信号得到的各个IMF分量以频率—时间—幅值图的形式表现,波动能量主频率为10～50 Hz,并且以低频段为主,而高于50 Hz的频段,散点越密集表示能量越大。

图7 Hilbert边际谱Fig.7 Hilbert marginal spectrum

图8 瞬时能量分布Fig.8 Distribution of instantaneous energy

图9 信号Hilbert能量谱Fig.9 Hilbert energy spectrum of the signal

通过上述HHT方法,分析4个监测点3个方向的振动速度原始信号,得出各个信号所对应的主频如表4所示。由表4可知:4个监测点各个方向主频均分布在10～50 Hz,主频大小具有方向性,每个测点均为垂向(Z方向)>切向(Y方向)>径向(X方向)。根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014),当振动主频满足10 Hz

表4 爆破振动信号主频汇总Table 4 Summary of main frequency of blasting vibration signal

3 爆破效果分析

台阶爆破不同时刻的破岩过程如图10所示。岩体在炸药爆炸能量和介质中潜在位能的共同作用下,呈现鼓包、松动、崩塌、坍滑等物理力学过程。现场高速摄像表明,爆破未见飞石,爆后边坡稳定,破碎岩体全部坍塌在设计范围以内。

图10 爆破破岩过程Fig.10 Process of breaking rock by blasting

现场形成的爆堆岩体块径效果如图11所示。

图11 爆破破岩效果Fig.11 Blasting and rock breaking effect

由图11可知:电子雷管精确延时爆破设计使得需要开挖的岩体得到充分破碎,破岩块度均匀,达到设计要求,剥离后能够看到清晰的边坡轮廓,这也证明了爆破设计参数选取的合理性。数码电子雷管精确延时起爆,能够实现降低爆破振动对保留边坡岩体扰动影响的目标,同时确保岩体破碎块度满足设计要求,降低了后续开采难度和成本。