基于多源传感融合的金属矿山大规模爆破振动监测方法

王海波

（招远市河西金矿有限公司，山东 招远 265402）

0 引言

金矿开采通常采用爆破方式，但是在爆破过程中，很容易出现矿山周围的冲击隐患。为进行金矿开采安全管理，应监测采矿过程中的爆破振动情况。

在相关的研究中，金属矿山超大规模爆破振动监测与分析方法[1]与基于EEMD-HHT 法的爆破振动效应监测方法[2]应用得广泛。前者主要是利用TC-4850 爆破监测仪对矿区爆破情况进行实时监测，划分爆破过程中的安全区域；后者主要是布置多个监测点，根据监测数据划分安全区域。

但是以上2 种方法得到的振动波衰减规律较为单一，影响矿山人员的后续判断[3]。多源传感融合技术能整合多个传感器数据，避免数据单一[4]。因此，该文基于多源传感融合技术，设计一种新的金属矿山大规模爆破振动监测方法。

1 方法设计

1.1 布设矿山大规模爆破振动监测点

炸药在矿山岩体中爆炸后，炸药的相关能量在一瞬间释放出来，形成的空气冲击波是影响周围居民安全的关键能量[5]。未形成空气冲击波的能量变成表面波与体波在地下扩散，很容易给矿山周围地层造成隐患。爆破振动波的类型如图1 所示。

图1 爆破振动波类型

如图1 所示，体波中的纵波与横波根据爆破振动方位的变化而变化，在任何方向的体波都会对地层造成影响。因此，在爆破前，布设矿山大规模爆破振动监测点。结合金属矿山爆破区域大小，合理地调节监测的布设数量[6]。为了保证监测点的振动有效监测，该文将监测点的水平测距范围设定为200m～500m，高程测距范围设定为150m～200m。根据爆破中心到监测点的距离，判定监测点的水平测距范围与高程测距范围。在监测点布设过程中，为保证监测得到有效数据，将所有监测点布置在相对较为完整的岩质边坡或者土质边坡等永久性边坡上，且监测点距爆区中心距离不能太远，以保证爆破能量充足，能够顺利传播。

此外，在这次金属矿山大规模爆破工程中，在正常爆破开展的条件下，为了尽量减少对临近边坡产生的影响，这次爆破产生的振动对临近边坡稳定性的影响数值需要控制在国家标准规定范围内，即50Hz 范围内振速8cm/s～12cm/s。监测点的主频率大于边坡固有频率。

1.2 基于多源传感融合处理爆破振动监测数据

为满足多源传感器的正常工作要求，将传感器布置于露出地面的台阶基岩处，呈水平形式放置传感器，使其与基岩牢固粘合，保证数据采集正常进行。在监测点周围安装传感器，每2 个监测点中间安装一个传感器。在第一个监测点与第二个监测点处安装前向雷达，该仪器的工作频段为76×109Hz～77×109Hz，能够监测到周围的10 个目标，最大监测距离约200 m，相对速度误差仅为±0.2km/h，可以保证监测的准确性[7]。在最后一个监测点与前一个监测点中间安装一个毫米波角雷达，该传感器的发射波段在76 GHz～77 GHz，能够监测40 个目标，保证整体监测效果。每个传感器所在的监测点数据是在该传感器坐标系中得到的，虽然在一定程度上可以保证监测的实时性，但是坐标数据无法统一。因此，该文利用多源传感融合技术，对监测数据进行整合处理，如公式（1）所示。

式中：x1为前向雷达监测到的水平振动数据；y1为前向雷达监测到的高程振动数据；x为当前前向雷达的横坐标；y为当前前向雷达的纵坐标；x0为初始横坐标；y0为初始纵坐标；β为振动波角度。毫米波角雷达的监测数据整合公式如公式（2）所示。

式中：nx1为毫米波角雷达监测到的水平振动数据；ny1为毫米波角雷达监测到的高程振动数据；nx为当前毫米波角雷达位置的横坐标；ny为当前毫米波角雷达位置的纵坐标。将上述传感数据进行多源融合，如公式（3）所示。

式中：Xm为多源融合水平监测状态值；Xm-1为第m-1 个监测数据的状态值；βm为融合后的振动波角度；Mm-1为m-1时刻下的最佳估计值；Ym为多源融合高程监测状态值；h为振动波长度；Nm-1为m-1 时刻下的真实观测值。将多个传感器监测数据利用公式（3）融合后，将Xm与Ym放在监测平台中进行综合分析，提高监测效果。

1.3 构建金属矿山爆破振动监测平台

为了实现金属矿山大规模爆破振动的精准监测，该文将监测点监测到的数据、传感器传输的数据和多源传感融合数据等，存储在监测平台中，在平台中对爆破振动数据进行统一分析[8]。监测平台结构如图2 所示。

图2 爆破振动监测平台结构图

如图2 所示，爆破现场采集到的振动信号，通过爆破测振仪进行数据分析与存储，得出的峰值振速就是平台中的主要分析数据。在平台中3 通道进行同步分析，同时分析3 个传感器传来的振动速度。平台分析得出的峰值振速与实际值越相近，爆破振动监测效果越佳。

在数据分析与存储的过程中，考虑到一个爆破工程通常需要持续较长时间，监测平台搭建完成后持续循环监测爆破振动数据，因此平台中的监测数据量庞大。然而并不是所有的数据都需要长时间保存，金矿爆破工程中真正需要保存的是振动能级超过阈值的数据，这些数据才是真正的关键数据。那么该文搭建的爆破振动监测平台只需要对关键数据进行存储，在主机控制下，平台不停地采集数据，当数据量达到存储容量的一半时，系统发出中断信号到采集模块，数据传输到主机，并同时送至缓冲存储器。为保证这一过程顺利进行，在主机内设置3 个缓冲区，采集得到的数据循环输入这三个缓冲区，同时判断数据量是否超过阈值，如果未达到阈值，就继续采集并输入数据，如果超过了设置阈值，就自动发出报警信号，开始数据整合，整合完成后形成一套完整的数据包存储入盘。

2 试验

为了验证该文设计的监测方法是否具有使用价值，该文对上述方法进行了试验分析。最终的试验结果以文献[1]方法、文献[2]方法以及该文设计的基于多源传感融合监测方法进行对比的形式呈现。具体试验过程及试验结果如下所示。

2.1 试验过程

这次试验地点位于河西金矿，矿区土层厚度约30cm～70cm，能够保证这次试验的有效性。爆破振动监测方法是整个爆破活动的主要任务，将传感器布设在基岩站台，采用逐孔爆破的方式，执行矿山爆破任务。在地表采用42ms 延期导爆管雷管，孔内为400ms 延期的导爆管雷管。炮孔内并不存在水资源，采用铵油炸药作为爆破的炸药。这次试验布置了3 个爆破区域，爆破孔分别为16 个、12 个、18 个，孔径均为300m，孔深分别为16m、15m、18m。

合理地选择并正确使用采集仪器非常重要，直接影响金属矿山爆破振动监测结果的准确性和真实性。这次试验在选择爆破振动监测系统的采集仪器时，根据现场实际情况首先预估了被测信号的幅值范围和频率分布情况，依据“采集仪器幅值范围上限应高于被测信号幅值上限的20%，频响范围不低于被测信号频率分布范围”的原则，该试验选取由多个TCS-B3 型三轴振动速度传感器和TC-4850N 型无线网络测振仪组成的采集仪器。

将传感器与采集仪与监测平台连接，监测的数据直接上传到平台中进行分析，并对爆破振动波形进行分析，由此完成爆破振动监测。监测流程如图3 所示。

图3 监测流程图

如图3 所示，在进行爆破振动监测的过程中，布设的监测点与传感器的位置交错布置，2 个监测点之间安装1个传感器。监测点与传感器安装完毕后，调试采集仪器并进行爆破振动采集。在监测平台中得出爆破振动波形，如图4 所示。

图4 爆破振动波形图

如图4 所示，爆破振动是根据爆破位置释放的空气冲击波、表面波以及体波等产生的振动。每次爆破的振动强度不同，振幅也随之变化。在爆破振动的初始阶段与余震阶段，振幅较小，在主震相处振幅较大。图中的振动波形存在初震相、主震相、余震相，也就是说，该波形图较为完整，能够监测到爆破振动从开始到结束的时间。为了更进一步得到监测效果，这次试验选取多个监测点，对各个监测点的峰值振速进行分析。

2.2 试验结果

在上述试验条件下，该文随机选取5 个监测点，监测点到爆破中心的距离不同，在443.26 m～1292.56 m 变化。矿山大规模爆破的主振频率在8.0 Hz～30.9 Hz 变化，持续时间为2.6 s～3.6 s。在其他条件一致的情况下，将文献[1]方法、文献[2]方法以及该文方法监测到的峰值振速进行对比。试验结果见表1。

表1 不同方法监测到的峰值振速

如表1 所示，这次试验选取的5 个监测点是根据金属矿山的实际情况进行布设，采集仪器编号分别为TM16010190012、TM16010190124、TM16010192450、TM16010193642、TM16010195536，传感器编号为028、029、030、031、032，爆破中心的位置坐标为（438.25，1014.32，89.43），传感器分布在爆破中心的周围。爆破开始后，各个监测点的实际峰值振速存在最小值min 与最大值max。

在实际峰值振速一致的条件下，文献[1]方法监测到的峰值振速，与实际峰值振速相差±0.1 cm/s，监测误差相对较大，难以对爆破后续环境进行有效地分析。文献[2]方法监测到的峰值振速，与实际峰值振速相差±0.05 cm/s，监测误差增大。而该文方法监测到的峰值振速与实际峰值振速相差±0.01 cm/s，监测点中的峰值振速最大值与最小值中，只存在一个监测误差，甚至监测点③与监测点⑤并未出现监测误差。由此证明，采用该文设计的基于多源传感融合方法监测的峰值振速更准确，能够根据该监测值进行后续的爆破分析，保障爆破后的矿山安全，符合该文研究目的。

为进一步验证该文方法的有效性，以爆破信号丢包率为指标，将该文监测方法与文献[1]方法、文献[2]方法进行对比。丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据组的比率，丢包率越低，表明监测平台的数据分析性能越好，反之丢包率越高，则表明监测平台的数据分析性能越差。3 种方法的监测数据丢包率对比结果见表2。

表2 不同方法监测数据丢包率（%）

如表2 所示，3 种监测方法的数据丢包率相差较大，可以明显看出，在50 次的试验监测过程中，文献[1]方法的数据丢包率数值在13.6%～16.2%，文献[2]方法的数据丢包率为16.8%～21.4%，这两种方法的数据丢包率相对较高。反观该文方法，监测数据的丢包率最高仅为3.2%，最低数值为2.0%，与其他两种方法相比具有明显优势，远远低于其他2 种方法的数据丢包率。这表明该文搭建的数据监测平台运行效果较好，对比金矿爆破振动数据的分析和存储效果较好。

3 结语

关于矿山爆破振动的研究较为广泛，对划分爆破安全区域有重要作用。在爆破振动过程中存在较大的安全隐患，爆破声音对周围的居民来说是一种噪声；过大的爆破振动导致矿山周围边坡受到损伤，影响矿山的整体经济效益。因此，该文利用多源传感融合技术，设计金属矿山大规模爆破振动监测方法。通过布设监测点、处理监测数据以及构建监测平台等方式，对爆破振动进行精准监测。根据监测得到的数据，划分一个安全的区域，该区域既不会对周围的居民造成干扰，又不会对矿山边坡造成损伤，保证金属矿山顺利开采，并保护环境。