基于振動(dòng)波傳播規(guī)律的微差臺(tái)階爆破降振研究

周文海，王建勇，熊征宇

（1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福州350116；2.紫金山金銅礦，福建上杭364200；3.福建金山建設(shè)工程有限公司，福建上杭364200）

基于振動(dòng)波傳播規(guī)律的微差臺(tái)階爆破降振研究

周文海1，王建勇2，熊征宇3

（1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福州350116；2.紫金山金銅礦，福建上杭364200；3.福建金山建設(shè)工程有限公司，福建上杭364200）

在某露天礦實(shí)施逐孔臺(tái)階微差爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)過程對(duì)三個(gè)不同延期時(shí)間爆區(qū)進(jìn)行測(cè)振。對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)和波譜進(jìn)行分析研究，探究出爆破振動(dòng)過程中振動(dòng)波傳播規(guī)律以及波速峰值、主頻、頻帶能量、總能量等的變化特征。在此基礎(chǔ)上分析該特征與爆破振動(dòng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最大主頻、峰值速度、能量匯聚點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間和最大振動(dòng)位移出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)吻合。同時(shí)對(duì)峰值速度隨時(shí)間變化依據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，給出了速度波衰減方程。通過以上研究發(fā)現(xiàn)，改變微差時(shí)間來控制這些變量出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)可降低爆破振動(dòng)。所得理論可為今后爆破降振提供技術(shù)參考。

微差爆破；振動(dòng)速度；最大主頻；時(shí)速分布

自20世紀(jì)中葉開始，國內(nèi)外學(xué)者通過多種理論方式和試驗(yàn)方法對(duì)微差臺(tái)階爆破降振技術(shù)進(jìn)行研究，并總結(jié)出了不少的理論成果以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。較代表性的有：Morris通過對(duì)地震波傳播衰減規(guī)律研究，總結(jié)出振幅可作為微差爆破降振的判斷指標(biāo)［1］；Ghosh和Dement指出地震波峰值速度可作為載體來研究微差爆破降振措施，并首次將統(tǒng)計(jì)學(xué)原理應(yīng)用于該理論［2］；馬建興等以爆炸振動(dòng)破壞機(jī)理為理論基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建振動(dòng)降振模型［3-4］；凌同華等采用小波變換時(shí)能密度分析，將波段分層重構(gòu)和分辨分解，從能量變化的角度給出了降振舉措［5］；趙明生通過雷管段數(shù)對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特性影響分析來探究如何控制爆破振動(dòng)［6］等。本文以波動(dòng)學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過對(duì)地震波傳播過程中波速、主頻、功率譜、總能量等變化規(guī)律分析，研究各指標(biāo)變化與振動(dòng)位移關(guān)系，為微差臺(tái)階爆破降振措施提供全面的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

在某露天金屬礦進(jìn)行三次不同段別雷管的逐孔臺(tái)階微差爆破試驗(yàn)，孔內(nèi)采用10段（380ms）延期雷管，孔間、排間分別采用2、3、4段（25ms、50ms）、（25ms、75ms）、（50ms、75ms）延期雷管。試驗(yàn)過程采用Blast-UM型爆破測(cè)振儀對(duì)3個(gè)爆區(qū)產(chǎn)生的地震波測(cè)振，其中最大爆破振動(dòng)合成速度用V＝（最大合成速度為某時(shí)三軸速度矢量和最大值）計(jì)算。具體裝藥和測(cè)振儀器如圖1、2所示。

圖1 爆破裝藥圖Fig.1 The blasting charge

圖2 測(cè)振儀器圖Fig.2 The vibration test instrument

2 微差爆破地震波傳播規(guī)律

測(cè)振過程中，在距離爆區(qū)大約150m處安置儀器探頭，每個(gè)爆區(qū)安裝3～4個(gè)探頭。對(duì)測(cè)得的波形和數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，挑出較為完整和理想的波形和數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。Blast-UM型測(cè)振儀測(cè)得振動(dòng)波分別為x、y、z三軸速度，所以對(duì)速度進(jìn)行矢量合成可得合成速度。其中三個(gè)試驗(yàn)爆區(qū)測(cè)振波數(shù)據(jù)如表1。

表1 測(cè)振波數(shù)據(jù)表Table 1 The vibration test value

從測(cè)振波數(shù)據(jù)表中可以看出，隨著延期時(shí)間的增長，振動(dòng)波最大合成速度和主頻（FFT）都呈現(xiàn)遞減狀態(tài)；不難發(fā)現(xiàn)，主頻和速度的遞減幾乎趨于線性關(guān)系，只有個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)突變現(xiàn)象，由傅立葉變換可知道這種遞減關(guān)系存在線性收斂。原因是振動(dòng)速度與時(shí)間之間函數(shù)可表示時(shí)域信號(hào)，采用傅立葉變換（DTF）展開，依據(jù)振動(dòng)波疊加原理表明振動(dòng)波對(duì)微差時(shí)間存在收斂性，文獻(xiàn)［7-8］可以加以解釋。所以選擇合理的微差時(shí)間有助于降低爆破振動(dòng)。

對(duì)某測(cè)點(diǎn)三軸測(cè)振速度矢量合成可得最大合成速度，如圖3所示，該測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率譜如圖4所示。

圖3 實(shí)測(cè)某波段最大合成速度圖譜Fig.3 Measured maximum synthesis speed of a wave band

通過對(duì)三個(gè)爆區(qū)測(cè)振頻率譜和最大合成速度、主頻隨時(shí)間變化圖分析得出：1）爆破振動(dòng)能量信號(hào)主要分布在0～20Hz，基本上分布在低頻頻帶，峰值速度大多集中在主頻幅值較大的時(shí)間點(diǎn)上。2）隨著微差時(shí)間的增大，主頻持續(xù)時(shí)間增大，但主頻幅值減小，原因是微差時(shí)間的不同導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)在傳播過程中相位交錯(cuò)疊加，拉遠(yuǎn)了疊加密度，催使波峰和波谷的衰減［9］。3）隨著微差時(shí)間的增大，爆區(qū)振動(dòng)波出現(xiàn)最高主頻對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)逐漸分散，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性變差。故通過對(duì)振動(dòng)波主頻變化分析，選擇合理的微差時(shí)間有效控制主頻疊加，可作為降振減災(zāi)措施。

由波動(dòng)學(xué)理論，通常認(rèn)為地震波衰減呈指數(shù)衰減，采用數(shù)學(xué)模型，對(duì)爆區(qū)合成速度隨時(shí)間變化建立函數(shù)關(guān)系。為研究方便，用Origin軟件進(jìn)行一階指數(shù)衰減擬合，即最大合成速度隨時(shí)間變化函數(shù)υ＝，A1是強(qiáng)度因子，λ1是衰減因子。具體見表2、3。

圖4 實(shí)測(cè)某波段頻率譜Fig.4 Measured frequency spectrum of a wave band

圖5 最大合成速度—時(shí)間分布圖Fig.5 Distribution diagram between largest synthesis speed and time

圖6 主頻—時(shí)間分布圖Fig.6 Distribution diagram between dominant frequency and time

表2 爆區(qū)時(shí)間—速度衰減參數(shù)表Table 2 Attenuation parameters of blasting area time and velocity

表3 爆區(qū)時(shí)間—速度衰減方差表Table 3 Attenuation variance of blasting area time and velocity

使用ANSYS軟件對(duì)某實(shí)測(cè)振動(dòng)三軸及合成速度數(shù)據(jù)擬合，得出速度隨距離傳播的預(yù)測(cè)圖，如圖5所示；同樣對(duì)該波段最大合成速度圖譜進(jìn)行一階微分預(yù)算，可得速度變化率圖譜。

從圖7中可以看出，振動(dòng)波傳播速度隨距離呈遞減趨勢(shì)，主要原因是隨振動(dòng)波的傳播，能量出現(xiàn)衰減導(dǎo)致速度衰減。由擬合的速度衰減圖可有效判斷距爆源特定位置建筑物的振動(dòng)情況，為有效控制地震波對(duì)于爆區(qū)建筑物破壞提供參考［10-11］；對(duì)圖3中的最大合成速度進(jìn)行一階微分運(yùn)算，得到圖8中速度變化率圖譜，從兩圖中不難發(fā)現(xiàn)，速度變化率最大點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間和最大合成速度峰值最大的突變點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)期基本吻合。由此說明該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)作用最為顯著，以此可作為最大振速的判據(jù)，為降振減災(zāi)提供有力的理論參考。

圖7 三軸及合成方向預(yù)測(cè)速度圖Fig.7 Prediction velocity diagram of three axis and synthetic direction

圖8 實(shí)測(cè)某波段最大合成速度變化率圖譜Fig.8 Measured maximum synthetic velocity change rate of a wave band

3 降振時(shí)間點(diǎn)的確定

微差爆破過程中，炮孔按照毫秒級(jí)別的間隔順序依次起爆，使得爆破速度和能量在時(shí)間和空間上分散，以致于減弱爆破強(qiáng)度，有效地降低地震效應(yīng)應(yīng)當(dāng)使得地震波波速在時(shí)間軸上完全分離［12］，所以理論上應(yīng)當(dāng)選取延期時(shí)間…（t′為地震波振動(dòng)周期）。由于振動(dòng)波傳播為多種子波疊加而成，很難用理論時(shí)間來控制具體微差起爆。而地震波傳播過程中，縱波速度最快，先起爆炮孔振動(dòng)波波頭在傳播過程中會(huì)被后起爆炮孔縱波趕上疊加。最佳的防振微差時(shí)間應(yīng)當(dāng)是后起爆炮孔的縱波趕上先起爆炮孔橫波初至的時(shí)間點(diǎn)之后，該點(diǎn)是速度波首次出現(xiàn)最大峰值速度突變的點(diǎn)，因?yàn)樵擖c(diǎn)的出現(xiàn)只受到最先起爆相鄰炮孔產(chǎn)生的振動(dòng)波疊加效應(yīng)［13］的影響。具體見圖9。

圖9 子波疊加圖Fig.9 Stacking chart of wavelet

凌同華、李夕兵提出基于小波變換的時(shí)—能密度法［5］，其主要對(duì)爆破地震波傳播過程中能量突變點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)分析，即小同頻帶波段能量隨時(shí)間有較大變化的特點(diǎn)研究可確定微差降振措施；鑒于研究的簡(jiǎn)單和方便性，將小波變換的時(shí)-能分析轉(zhuǎn)化為時(shí)-速分析。通過微差爆破頻段波狀分析，進(jìn)而確定速度波段中主要的突變點(diǎn)，就可以確定延期爆破過程中炮孔的微差時(shí)間和相鄰炮孔間最佳的降振延期時(shí)間［14］。如圖9、10所示。

圖10 振動(dòng)波時(shí)間—峰值變化關(guān)系Fig.10 Changes between vibration time and peak-value

圖11 地面振動(dòng)位移—時(shí)間變化關(guān)系Fig.11 Changes between ground vibration displacement and time

從圖10可以看出，速度波段中出現(xiàn)了6個(gè)速度峰值，其對(duì)應(yīng)的時(shí)—速分布點(diǎn)分別為（0.117，0.492）、（0.135，0.356）、（0.395，0.480）、（0.423，0.356）、（0.476，0.492）、（0.495，0.383）。圖11為該地震波合成速度波段積分所得地面振動(dòng)位移隨時(shí)間變化關(guān)系，當(dāng)t＝0.476s時(shí)刻，振動(dòng)波合成速度為最大值υ＝0.492cm/s，此刻，地面振動(dòng)位移也達(dá)到最大，為s＝0.003 2cm。由此可鑒，利用振動(dòng)波速度波譜的時(shí)—速分布規(guī)律可判斷出地面最大振動(dòng)位移以及該位移出現(xiàn)時(shí)刻。

4 結(jié)論

1）露天臺(tái)階微差爆破可利用改變微差時(shí)間來控制爆破振動(dòng)，達(dá)到降振減災(zāi)的目的。

2）臺(tái)階微差爆破地震波隨延期時(shí)間增加，最大合成速度和主頻都出現(xiàn)遞減現(xiàn)象，主頻和速度的遞減幾乎趨于線性關(guān)系，且這種遞減關(guān)系存在線性收斂。對(duì)速度波譜一階微分，得到的速度變化率譜中幅值對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)和最大合成速度時(shí)間突變點(diǎn)吻合。因此，最大合成速度和主頻可作為爆破降振指標(biāo)。

3）通過觀察地震波主頻頻帶發(fā)現(xiàn)，主頻集聚處一般都會(huì)出現(xiàn)幅值較大的頻率，此處能量匯聚也最為嚴(yán)重，故該處對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)振動(dòng)最為嚴(yán)重。

4）利用振動(dòng)波時(shí)間—速度分布原理，通過最大合成速度一階積分，得到的振動(dòng)位移圖譜中顯示最大位移處也吻合了合成最大速度的時(shí)間點(diǎn)。該點(diǎn)振動(dòng)最為強(qiáng)烈，可作為抗震減災(zāi)的判斷依據(jù)。

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Study on decreasing vibration for millisecond bench blasting based on the vibration wave propagation law

ZHOU Wenhai1，WANG Jianyong2，XIONG Zhengyu3
（1.College of Zijin Mining，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China；2.Zijinshan Au-Cu Mine，Shanghang Fujian 364200，China；3.Fujian Jinshan Construction Engineering Co.，Ltd.，Shanghang Fujian 364200，China）

In the experiment of hole-by-hole step blasting in a surface mine，the vibration is measured at three blast zones with different delay time.By the study of the measured data and the spectrum，the propagation law of the vibration wave and the peak value of the wave velocity，the basic frequency，the frequency-band energy，the change features of the total energy are studied during the vibration of blasting.On this basis，the relationship between this characteristic and the vibration of blasting is analyzed.The result shows that the maximum basic frequency，the peak velocity，the rendezvous point of energy and the vibration displacement appears at the same time.At the same time mathematical fitting of peak velocity changing with time is obtained according to the measured data，and the velocity attenuation equation is given.From the above results，changing the appeared time of these variables through changing millisecond time can reduce the blasting vibration.In this paper，the theory can provide technical reference for blasting vibration reduction.

millisecond blasting；vibration velocity；maximum frequency；speed distribution

TD235.4

Α

1671-4172（2015）06-0070-05

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2011J01310）；青海威斯特露天礦臨近高陡邊坡控制爆破技術(shù)研究項(xiàng)目（01051402）

周文海（1989-），男，碩士研究生，采礦工程專業(yè)，從事爆破工程方向研究。

王建勇（1989-），男，助理工程師，采礦工程專業(yè)，從事爆破工程方向研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.015