基于HHT的经验模态分解法的微差爆破延期时间识别方法研究

2023-05-30翟俊杰戴浩荣李勇明罗育乃骆宝坚陈小文陈咏城

企业科技与发展 2023年2期

翟俊杰戴浩荣李勇明罗育乃骆宝坚陈小文陈咏城

摘要：为优化爆破设计，降低爆破振动，需要准确地识别微差延期时间。为提高微差爆破延期时间的识别精度，在对比分析了小波变换法、基于HHT（Hilbert-Huang Transform，希尔伯特-黄变换）的EMD（Empirical Mode Decomposition，经验模态分解法）后，优选基于HHT的经验模态分解法对实测爆破振动信号进行分析，判断实际微差延期时间。结果表明，基于HHT的经验模态分解法具有自适应和高效性，识别精度高，误差低至10%以内，非常适合识别微差爆破实际延期时间。

关键词：HHT变换；经验模态分解；微差爆破；延期时间

中图分类号：TU746.5 文献标识码：A 文章编号：1674-0688（2023）02-0043-04

0 引言

爆破工程广泛应用在我国采矿、道路修筑、公路和铁路隧道开挖等建设工作中。当前的爆破工程，如采矿爆破、隧道开挖爆破、城市基坑爆破等广泛采用微差爆破方式以控制爆破危害，减弱爆破地震波对周边环境的影响。如何准确识别微差爆破实际延期时间，进而确定最佳爆破微差延期时间，是优化爆破设计和降低爆破振动危害的关键。微差爆破实际延期时间的识别，广泛采用傅里叶变换法、小波变换法［1］和基于HHT的经验模态分解法等对实测爆破振动波进行时频分析。在这一方面，大量的工程技术人员进行了研究，如宋光明［1］、张耀平［2］、刘志芳［3］、刘敦文［4］等，采用小波变换法识别微差时间；张义平［5］采用HHT分析爆破振动信号识别微差时间。上述研究虽然能够识别微差时间，但是和实际微差时间对比，其识别精度仍有待提升。本文对比分析了小波变换法和基于HHT的经验模态分解法的特点，优选基于HHT的经验模态分解法识别微差爆破实际时间，该方法具有自适应性和高效性，识别精度更高，误差可控制在10%内。

1 微差爆破延期时间的识别方法对比和优选

随着科技的发展，爆破振动信号的数字处理方法不断出现，动态信号处理分析技术获得了迅速的发展，如传统的快速傅立叶变换法（FFT）、以FFT为基础的时域局部化短时傅立叶变换法（STFT）、小波变换法及HHT变换法。目前，运用广泛的振动信号时频分析方法是小波变换法和HHT变换法，而在微差爆破延期时间的识别方法中，小波变换法和基于HHT的经验模态分解法是常用的方法。下面对两种方法进行对比分析。

1.1 小波变换法

傅里叶变换是信号处理的一种基本分析方法，能将满足一定条件的某个函数表示为三角函数或者它们积分的线性组合。小波变换是在傅立叶变换局部化思想的基础上发展而来的，同时能够克服傅里叶变换窗口大小不随频率变化的缺点，是一种常见的用于信号时频分析和处理的工具。小波变换是一种信号的时间—尺度（时间—频率）分析方法，它具有在时频两域都有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小（即窗口面积）固定不变但形状可以改变、时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，适合分析非平稳的信号和提取信号的局部特征，所以小波变换法被誉为分析处理信号的显微镜。傅里叶变换是将信号分解成一系列不同频率的正余弦函数的叠加，同样小波变换是将信号分解为一系列的小波函数的叠加（或者不同尺度、时间的小波函数拟合），而这些小波函数都是一个母小波经过平移和尺度伸缩得来的。小波变换可以说是傅里叶变换的发展和拓延，其实质是把一个能量有限的信号分解到两个维度所构成的空间，在变换过程使用的小波基函数是不具有唯一性的［2］，可以通过经验或者不断地开展试验选出最优的小波基函数。小波变换常见的形式有连续小波变换（CWT）、离散小波变换（DWT）等。

小波变换法在工程中的运用较为广泛。刘志芳等［3］对监测到的非平稳的爆破振动信号进行小波变换，从而进行时频特征分析，得到了实测非平稳爆破振动信号的各频带能量大小及其能量的分布规律，进而有效地指导工程技术人员设计后续的减振降振措施。刘敦文等［4］采用小波包分析方法（属于小波变换的一种）对实测爆破振动信号进行能量频谱分析，得到非平稳的爆破振动信号中不同频带上的能量分布规律。在此基础上，还提出一种根据爆破振动信号进行爆破危害评判的方法。

小波变换的优点在于，在时域和频域都具有良好的局部分析能力，以及线性、平移不变性、伸缩不变性、自相似性等特点，对于处理非线性的爆破振动信号具有一定的优势。但实践表明，采用小波变换识别实际微差爆破延期时间时，小波基函数的选取对于识别精度具有较大的影响，在很大程度上决定了识别效果。通过构造合适的小波基函数进行微差爆破延期时间的识别，具有较高的识别精度。但是，合适的小波基函数的选取，需要工程技术人员具备扎实的理论功底和丰富的实践经验，并且要不断地进行试验，因此制约了小波变换法在微差爆破实际延期时间识别中的应用。

1.2 基于HHT的经验模态分解法

HHT是1998年由黃锷提出的一种处理非线性非平稳信号的分析方法［5］，它由经验模态分解（EMD）和希尔伯特变换组成。该方法首先用EMD将非线性非平稳的复杂信号（如爆破振动信号）分解成有限个固有模态函数（IMF），然后对IMF分量进行希尔伯特变换，从而得到能量分布谱图。

研究人员针对应用HHT变化法分析爆破振动信号的效果进行了一些探索，例如张智宇等［6］为分析断层对爆破地震波传播规律的影响，运用HHT将分量变换得到的HHT三维谱、能量分布图、边际谱及瞬时能量图加以分析判断，使用经验模态EMD进行不同频段的信号分解，首先分解高频段再过渡到低频段，直到最后残余分量。张义平［5］研究地下浅孔爆破振动信号，运用基于HHT法和EMD法分解信号的峰值振速、频率和振幅，根据分解的结果和特征分析爆破振动强度及最大荷载区域，以及建（构）筑物在爆破作业下，对爆破振动的动态响应情况，取得了良好的效果。刘建伟等［7］运用经验模态分解法对爆破现场进行振动监测，采集爆破振动信号数据，对测点X、Y、Z 3个方向的爆破信号进行分析，通过EMD能量熵求得信号主能量分量，确定主能量频带，从而提出相应的安全措施，更好地保障爆破区域的振动安全，控制爆破振动的危害。李建军［8］为控制爆破振动危害，采用HHT分析法对爆破区域附近的既有铁路接触网铁塔基础处产生的爆破振动进行处理和分析，经过处理得到爆破振动信号的时频谱、边际谱和瞬时能量，这些分析结果能够改善爆破效果，控制爆破振动危害，同时可为类似的爆破施工提供参考数据。

采用基于HHT的经验模态分解法识别微差爆破实际延期时间，是将微差爆破振动信号经过EMD分解成若干的IMF分量，然后求解IMF主成分分量的包络图，根据包络特征识别实际延期时间。该方法具有完全的自适应性，不同于小波变换和傅里叶变换，HHT能够产生自适应基，克服了小波变换需要工程技术人员自主选择合适的小波基的缺点，避免了主观选择对分析结果的影响。该方法不受海森伯格测不准原理的制约［9］，而小波变换分析法会受到海森伯格测不准原理的制约［10］，时间窗口和频率窗口的积必须小于1/2，即无法同时提高时间精度和频率精度，只能为了提高时间精度而降低频率精度，或者为了提高频率精度而降低时间精度，从而给信号分析带来不便。此外，采用基于HHT的经验模态分解法求出的瞬时频率具有局部性，并且能够精确地绘制时间—频率—幅值三维图；而采用小波变换等方法得到的瞬时频率是区域性或全局性的，无法真实地反映瞬时频率的特征。显然，采用基于HHT的经验模态分解法（EMD）在识别实际延期时间方面更加高效。

综上所述，与小波变换相比，采用基于HHT的经验模态分解法（EMD）识别微差爆破实际延期时间，具有自适应性，不需要技术人员选取基函数，避免了主观因素的影响，因此更加高效。

2 基于HHT的经验模态分解法（EMD）在实际工程中的应用

某矿业公司采石场，矿区产出的岩石为灰岩，为泥晶结构，上覆剥离层厚度较薄。该爆破作业项目爆区南侧约50 m范围内有房屋和铁皮棚，东南侧约300 m为水泥厂破碎站；西侧约280 m有高速公路经过（矿区西侧距高速310 m范围设置为禁采区）；东北侧约380 m为村庄；矿区约400 m范围外有一条110 kV的高压线，从北向西再转向东进入水泥厂（水泥厂专用线路）；其他方向300 m范围内无民房及其他重要设施。采场范围周边环境复杂，有高速、村庄、高压线、水泥厂等设施，需要严格控制爆破振动危害。采用微差爆破进行开采，需要合理设计微差时间，优化爆破设计，进而改善爆破效果。

为探索最佳的减振微差时间，首先需要准确识别微差爆破延期时间。为监测基于HHT的经验模态分解法识别微差爆破延期时间的效果，工程技术人员在该采石场进行爆破试验。

爆破试验采用与实际生产爆破相同的炮孔孔径和炸药，爆破网络也是相同的。根据同类工程经验，结合石场现有机械设备和生产条件，深孔爆破钻孔孔径为d=140 mm。采用梅花形布孔，垂直钻孔方式钻凿炮孔。φ140 mm的炮孔使用φ110 mm的乳化炸药，起爆药包使用乳化炸药制作。装药结构采用连续装药，每个炮孔使用2个起爆药包，分别置于炮孔底部约1/4处和炮孔上部3/4装药处。

炮孔装药前，必须对炮孔参数进行检查验收，测量炮孔位置、炮孔深度是否符合设计要求，否则不能装药。若炮孔过深则应用岩粉等填塞物填塞至符合设计深度；若炮孔中间被碎石堵塞，可采用炮棍掏捣穿通；若炮孔中有水，应用压缩气体或吸水物等将水排净。装药后，炮孔未装药部分应用填塞物进行填塞，采用黏土和岩粉作为充填材料，按1∶3的配比混合而成，其含水量约20%。要求用炮棍适当加压捣实，要全部连续填塞。

采用电子雷管爆破技术。针对深孔，装填至少1个电子雷管，孔内各电子雷管通过爆破脚线并联的形式连接，最后通过专用的电子雷管起爆器进行起爆。为提高破碎效果，减少振动和对附近村庄或高压输电线路的影响，可采用逐孔起爆方式。逐孔微差爆破的延期时间统一设置为3 ms，采用单排，布设6个炮孔。

电子雷管网络应使用专用的起爆器起爆，使用专用起爆器前应进行全面检查。装药前应使用专用仪器检测电子雷管，并进行注册和编号。应按说明书要求连接子网络，雷管数量应小于子起爆器规定的数量；子网络连接后应使用专用设备进行检测；按说明书要求，将全部子网络连接成主网络，并使用专用设备检测主网络。

爆破振动监测采用低频型TC4850型测振仪，各传感器的X方向指向爆心，传感器布置在边坡坚硬的岩体上，用石膏黏连，形成刚性连接。对爆破监测得到的振动信号，使用MATLAB软件进行HHT分析。波形分析以某年8月23日1号机X方向的测震数据为例进行说明。首先，对实测波形进行EMD分解，使用MATLAB軟件的EMD程序包实现分解，得到原始波形图和分解后的IMF波形图。通过对各个IMF分量和原始振动信号进行功率谱密度分析，得到了构成爆破振动信号的主要组成成分和具有较大的振动幅值IMF分量。通过绘制原始爆破振动信号能量谱得到了爆破振动信号能量随瞬时频率、时间的变化关系。选取具有代表性的IMF分量绘制包络图，然后进行识别和分析，从而根据包络特征分析得出实际的延期时间。

分解后的IMF分量中，IMF4～IMF7为主成分IMF分量，对主成分IFM4分量进行分析，得到包络图，可从包络图中观察到明显的突峰，这些突峰即微差爆破的起爆时刻（从-200 ms开始记录振动数据）。通过观察和记录获得识别的时间间隔（见表1）。与实际设计的延期时间对比发现，识别的平均误差为8.46%，识别的延期时间精准可靠。

3 结论

通过对比分析小波变换法和基于HHT的经验模态分解法的特点，以及基于HHT的经验模态分解法识别微差爆破实际延期时间在实际工程中的运用，可以得出以下结论。

（1）采用小波变换识别微差爆破实际延期时间，小波基函数的选取决定了识别的精度和效果，受工程技术人员的主观因素影响较大。

（2）基于HHT的经验模态分解法（EMD）识别微差爆破实际延期时间，具有自适应和高效性。

（3）实践表明，采用经验模态分解法（EMD）识别微差爆破实际延期时间，误差控制在10%以内，对后续的微差时间优化具有指导意义。

4 参考文献

［1］宋光明，曾新吾，陈寿如，等.基于波形预测小波包分析模型的降振微差时间选择［J］.爆炸与冲击，2003（2）：163-168.

［2］张耀平，曹平，高赛红.爆破振动信号的小波包分解及各频段的能量分布特征［J］.金属矿山，2007（11）：42-47.

［3］刘志芳，张光雄，杨军，等.小波分析在别矿爆破振动测试中的应用研究［J］.工程爆破，2013，19（4）：10-13，41.

［4］刘敦文，粟闯，龚运高.一种基于爆破振动信号小波分析的爆破危害评判新方法［J］.中南大学学报（自然科学版），2010，41（4）：1574-1577.

［5］张义平.爆破震动信号的HHT分析与应用研究［D］.长沙：中南大学，2006.

［6］张智宇，张智，黄永辉，等.基于HHT频谱分析研究断层对爆破地震波传播的影响［J］.有色金属（矿山部分），2021，73（4）：138-144.