微差爆破振動(dòng)波速度峰值-位移分布特征的延時(shí)控制*

樓曉明,周文海,簡文彬,鄭俊杰

(1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福建 福州 350116；2.福州大學(xué)爆炸技術(shù)研究所，福建 福州 350116；3.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116；4.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

微差爆破振動(dòng)波速度峰值-位移分布特征的延時(shí)控制*

樓曉明1,2,周文海1,簡文彬3,鄭俊杰4

(1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福建 福州 350116；2.福州大學(xué)爆炸技術(shù)研究所，福建 福州 350116；3.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116；4.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

為了通過振動(dòng)波傳播規(guī)律研究微差爆破延時(shí)控制，改善爆破振動(dòng)和提高爆炸能利用，選取普通雷管和澳瑞凱高精度雷管進(jìn)行不同段別延期起爆對比實(shí)驗(yàn)，試爆過程對振動(dòng)波測振?；谡駝?dòng)波函數(shù)優(yōu)化理論基礎(chǔ)，對實(shí)測數(shù)據(jù)和波狀譜處理分析，總結(jié)了不同微差時(shí)間下振動(dòng)波傳播規(guī)律及速度峰值、主頻、頻帶能量、總能量等變化特征，根據(jù)該特征發(fā)現(xiàn)振動(dòng)波速度圖譜和該速度積分所得位移圖譜中兩者最大值對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)相同。依據(jù)此速度峰值-振動(dòng)位移分布特征，對某實(shí)測簡單振動(dòng)波進(jìn)行高斯多峰擬合，結(jié)果表明：該波段能量最大化時(shí)間點(diǎn)為60 ms左右，振動(dòng)最小的時(shí)間點(diǎn)為25 ms左右。

爆炸力學(xué)；延時(shí)控制；多峰擬合；微差爆破；爆破振動(dòng)；峰值速度

很多學(xué)者對微差爆破延時(shí)控制振動(dòng)危害和爆破效果進(jìn)行了研究，如：D.S.Kim等[1]通過對巖石介質(zhì)中振動(dòng)波波譜分析，得出了爆破振動(dòng)波隨微差時(shí)間變化的傳播規(guī)律；婁建武等[2]利用振動(dòng)信號識別技術(shù)，通過觀測振動(dòng)波能量分布特征，給出了最佳爆破控制方案；Y.Lu等[3]通過研究爆破過程中振動(dòng)波引起的巖石質(zhì)點(diǎn)模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，探究了最佳延期時(shí)間。然而，爆破振動(dòng)波信號屬于隨機(jī)不穩(wěn)定元素，利用能量、頻譜、小波變換等作為載體給分析帶來諸多不便。

本文中，為確保準(zhǔn)確性和實(shí)用性，進(jìn)行普通雷管和澳瑞凱雷管不同微差起爆方式的對比測振實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)測振動(dòng)波信號隨微差時(shí)間改變過程中振動(dòng)波傳播速度、能量、頻率等的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)波速度峰值對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)與該波段積分所得位移波段的最大振動(dòng)位移對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)基本吻合，說明峰值速度可作為降振研究指標(biāo)[4]。

1 實(shí) 驗(yàn)

德爾尼露天礦4 278 m平臺(tái)緊鄰高陡邊坡，巖層較破碎。為保證爆破后邊坡穩(wěn)定，將該平臺(tái)分成并列的普通雷管爆區(qū)和澳瑞凱雷管爆區(qū)，進(jìn)行爆破振動(dòng)對比實(shí)驗(yàn)：每爆區(qū)劃分為3個(gè)實(shí)驗(yàn)場所，采用相同起爆網(wǎng)絡(luò)和3種不同微差時(shí)間。澳瑞凱雷管爆區(qū)3個(gè)場所的地表排孔間分別采用(65 ms、17 ms)、(65 ms、25 ms)、(65 ms、42 ms)延期雷管，孔內(nèi)采用14 m腳線400 ms延期雷管和7 m腳線425 ms延期雷管；普通雷管爆區(qū)孔內(nèi)采用380 ms延期雷管，地表排孔間分別采用(100 ms、25 ms)、(100 ms、50 ms)、(100 ms、75 ms)延期雷管。爆區(qū)Ⅰ的網(wǎng)絡(luò)連線和環(huán)境如圖1～2所示，圖中：左側(cè)孔內(nèi)采用10段380 ms、排間5段100 ms、孔間2段25 ms普通導(dǎo)爆管雷管；右側(cè)孔內(nèi)采用17段425 ms、排間5段65 ms、孔間2段17 ms澳瑞凱毫秒延期雷管。

圖1 爆破實(shí)驗(yàn)起爆網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Initiating circuit of blasting experiment

圖2 爆區(qū)環(huán)境Fig.2 Blasting environments

2 不同延時(shí)條件下爆破振動(dòng)波傳播規(guī)律

采用Blast-UM型爆破測振儀對兩爆區(qū)6個(gè)實(shí)驗(yàn)場所進(jìn)行測振，每個(gè)實(shí)驗(yàn)場所有3個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)距測振儀空間距離約170 m。

普通雷管爆區(qū)Ⅱ測點(diǎn)1，距測振儀水平距離161.92 m，高差64 m，空間距離173.25 m。實(shí)測的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1，速度波形如圖3所示。澳瑞凱雷管爆區(qū)Ⅱ測點(diǎn)1，距測振儀水平距離157.43 m，高差64 m，空間距離169.93 m。實(shí)測的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2，速度波形如圖4所示。其中，vm為最大振動(dòng)速度，tm為最大振動(dòng)速度對應(yīng)時(shí)間，fh為半波頻，fFFT為FFT主頻。

表1 普通雷管爆區(qū)Ⅱ測點(diǎn)1數(shù)據(jù)Table 1 Data of measuring point 1on ordinary detonator blasting area Ⅱ

表2 澳瑞凱雷管Ⅱ爆區(qū)測點(diǎn)1數(shù)據(jù)Table 2 Data of measuring point 1on Orica detonator blasting area Ⅱ

實(shí)驗(yàn)對比顯示：(1)普通雷管爆區(qū)振速波形分散、疊加不明顯，峰值速度較大；高精度雷管爆區(qū)速度波子波較密集，相互疊加干擾現(xiàn)象顯著，峰值速度較小。(2)普通雷管爆區(qū)振動(dòng)頻率信號遠(yuǎn)小于澳瑞凱雷管爆區(qū)，且多分布在低頻帶；而澳瑞凱雷管爆區(qū)頻率信號分布較廣，大多集中在中高頻頻帶。證明普通爆區(qū)振動(dòng)波周期較大，波形疊加不夠明顯。(3)在三軸振動(dòng)速度信號頻譜上，隨著微差時(shí)間的遞增，兩爆區(qū)的振動(dòng)波質(zhì)點(diǎn)合成速度峰值存在收斂性和能量匯聚現(xiàn)象。原因是振動(dòng)速度函數(shù)可表示時(shí)域信號，依據(jù)振動(dòng)波疊加原理說明振動(dòng)波對微差時(shí)間存在收斂性[5]。(4)隨著振動(dòng)波的傳播，出現(xiàn)子波疊加，波形陡然攀升，澳瑞凱雷管爆區(qū)更明顯。原因是澳瑞凱雷管精度高，波周期小，拉近了波能疊加密度，使能量匯聚明顯，因此澳瑞凱雷管合理延期時(shí)間能夠更有效地控制爆破效果。

實(shí)測的6個(gè)實(shí)驗(yàn)場所18個(gè)測點(diǎn)測振數(shù)據(jù)見表3。由表3可知：(1)隨著雷管微差時(shí)間遞增，兩爆區(qū)振動(dòng)波最大合成速度先減后增，普通爆區(qū)變化率更顯著，合成速度不穩(wěn)定性增強(qiáng)，說明微差時(shí)間的改變直接影響振動(dòng)波速度峰值大小。(2)普通雷管爆區(qū)振動(dòng)波出現(xiàn)最高主頻對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)較分散，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，而澳瑞凱雷管爆區(qū)振動(dòng)波出現(xiàn)最高主頻對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)較集中，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)；并且兩爆區(qū)都隨微差時(shí)間遞增，振動(dòng)波主頻率呈遞先減后增趨勢，且普通雷管爆區(qū)變化率更顯著。再次證明了澳瑞凱雷管適當(dāng)?shù)奈⒉顣r(shí)間選取，能夠更有效地控制爆破振動(dòng)效應(yīng)。最大合成振速和FFT主頻，如圖5～6所示。

圖3 普通雷管爆區(qū)Ⅱ測點(diǎn)1速度Fig.3 Velocities of measuring point 1 on ordinary detonator blasting area Ⅱ

圖4 澳瑞凱雷管爆區(qū)Ⅱ測點(diǎn)1速度Fig.4 Velocities of measuring point 1 on Orica detonator blasting area Ⅱ

表3 測振數(shù)值匯總Table 3 Vibration numerical reservoir

圖5 最大合成速度Fig.5 Largest synthesis velocity

圖6 FFT主頻Fig.6 FFT main frequency

通過對比實(shí)測振動(dòng)波波段頻譜和功率譜，發(fā)現(xiàn)：(1)隨著微差時(shí)間遞增，主頻持續(xù)時(shí)間增大，但主頻幅值減小。原因是，微差時(shí)間不同導(dǎo)致振動(dòng)信號在傳播過程中相位交錯(cuò)疊加，稀疏了疊加密度，致使谷峰衰減。(2)爆破振動(dòng)波波段能量整體變化趨勢為逐漸降低，起初頻帶能量持續(xù)時(shí)間無固定規(guī)律，但后期高頻能量持續(xù)時(shí)間加長，中間還出現(xiàn)頻帶能量突變效應(yīng)，主頻持續(xù)時(shí)間增長與總能量呈線性關(guān)系[6]。通過微差時(shí)間改變引起振動(dòng)波段能量變化的規(guī)律說明，不同的微差控制既可改善爆破振動(dòng)的效果，也可以更好地利用爆炸能量。

3 基于谷峰-位移分布特征的延期控制

振動(dòng)波為多種子波疊加而成，很難用理論時(shí)間來控制具體延期起爆。本文中，選取單孔延期起爆測得的振動(dòng)波(見圖7)作為研究對象，將峰值速度-能量分析轉(zhuǎn)化為實(shí)測簡單波段谷峰-位移分布特征分析。通過對微差爆破獲得速度波段分析，確定波段主要的突變點(diǎn)、微差爆破過程中炮孔的微差時(shí)間、相鄰炮孔間最佳延期時(shí)間。

由圖7可見，速度波段中出現(xiàn)了6個(gè)突出的速度谷峰，分別為：(0.117,0.362)、(0.135,-0.356)、(0.395,0.480)、(0.423,-0.376)、(0.476,-0.492)、(0.495,0.383)。圖8為該振動(dòng)波速度波段積分所得的振動(dòng)位移。當(dāng)t=0.476 s時(shí)，振動(dòng)波速度達(dá)到峰值0.492 cm/s，此刻，振動(dòng)位移s=0.003 2 cm也達(dá)到最大，所以可確定該時(shí)間點(diǎn)為該振動(dòng)波疊加能量最大(振動(dòng)最嚴(yán)重)。

爆破能量最大化的時(shí)間點(diǎn)和爆破振動(dòng)最小時(shí)間點(diǎn)的確定，對爆破振動(dòng)至關(guān)重要。為獲得簡單、疊加干擾較少的波形，在爆區(qū)附近實(shí)施單孔延期試爆，用測振儀獲取該波段三軸速度與對應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)入Excel進(jìn)行矢量合成，得到合成速度。將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 9.0軟件，繪制的合成速度如圖9所示。

圖7 振動(dòng)波峰值Fig.7 Vibrated peak positions

圖8 地面振動(dòng)位移Fig.8 Vibrated displacements

圖9 合成速度Fig.9 Synthetic velocity

通過上述研究和速度波段積分原理可知，速度波段中主要的突變點(diǎn)(波峰、波谷)可作為延期控制降振研究對象。為獲取該波段谷峰主要信息，對該波段采取多峰擬合，整個(gè)過程用高斯法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。采用最小方差原則，對高斯參數(shù)調(diào)整和限定，可得到各峰值高度、寬度、峰區(qū)面積、峰中心位置及對應(yīng)時(shí)間等。為獲取能量最大化和爆破振動(dòng)最小時(shí)間點(diǎn)，對該波段谷峰分別進(jìn)行擬合，由于諸多隱峰的存在，所以擬合關(guān)鍵步驟為尋峰。

圖10～11為最小峰值的分布點(diǎn)和擬合曲線，表4～5為最小峰值的區(qū)間參數(shù)和速度方差。最小峰值(波谷)擬合顯示：相關(guān)系數(shù)Adj.R-square=0.975 56(接近1)，表明數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，能夠有效地反映振動(dòng)波質(zhì)點(diǎn)的離散程度；卡方系數(shù)Reduced Chi-Sqr=0.136 32(趨近0)，也表明擬合值與實(shí)際值之間偏差程度尚可接受。所以，可用此最小峰值擬合作為研究樣本。通過圖11最小峰值(波谷)擬合曲線觀察發(fā)現(xiàn)，多峰擬合積累曲線突出集中處對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為25 ms左右，根據(jù)上述合成速度積分理論可知，該處振動(dòng)位移最小，可作為爆破振動(dòng)最小時(shí)間點(diǎn)。吳賢振等[7]通過LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件模擬多段微差爆破效果，結(jié)果顯示最佳降振時(shí)間為25 ms左右，與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖10 最小峰值分布點(diǎn)Fig.10 Minimum peak distribution points

圖11 最小峰值擬合曲線Fig.11 Minimum peak fitting curves

表4 最小峰值區(qū)間參數(shù)Table 4 Minimum peak interval parameters

表5 最小峰值時(shí)間-速度方差Table 5 Minimum peak time and velocity variance

圖12～13為最大峰值的分布點(diǎn)和擬合曲線，表6～7為最大峰值的區(qū)間參數(shù)和速度方差。同樣，最大峰值(波峰)擬合顯示：相關(guān)系數(shù)Adj.R-square=1，卡方系數(shù)Reduced Chi-Sqr=1.940 75×10-8，表明該擬合值與實(shí)際值基本吻合，可作為研究樣本。通過圖13最大峰值擬合曲線觀察發(fā)現(xiàn)，多峰擬合積累曲線集中處對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為60 ms左右，所以該時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的振動(dòng)位移最大，可作為爆破能量利用最大化時(shí)間點(diǎn)。

圖12 最大峰值分布點(diǎn)Fig.12 Maximum peak distribution points

圖13 最大峰值擬合曲線Fig.13 Maximum peak fitting curves

表6 最大峰值區(qū)間參數(shù)Table 6 Maximum peak interval parameters

表7 最大峰值時(shí)間-速度方差Table 7 Maximum peak time and velocity variance

4 結(jié) 論

(1)普通雷管起爆產(chǎn)生的振動(dòng)波波形較分散，波形疊加較少，峰值速度較大，振動(dòng)主頻分布在低頻帶；澳瑞凱雷管起爆產(chǎn)生的振動(dòng)波波形疊加干擾嚴(yán)重，速度峰值較小，振動(dòng)頻率信號分布較廣，多集中在中高頻帶，在三軸振動(dòng)速度頻譜上，能量和速度匯聚現(xiàn)象顯著。說明在工程爆破中高精度雷管比普通雷管爆破效果好。

(2)隨著微差時(shí)間的遞增，爆破振動(dòng)波波段能量整體變化極不穩(wěn)定，主頻持續(xù)時(shí)間增長與總能量呈線性關(guān)系，質(zhì)點(diǎn)合成峰值速度與主頻存在收斂性，合成速度和主頻都出現(xiàn)先衰減后增強(qiáng)的趨勢。其中普通雷管爆區(qū)變化率遠(yuǎn)高于澳瑞凱雷管爆區(qū)，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性更大。

(3)根據(jù)振動(dòng)波速度圖譜和該速度積分所得位移圖譜，發(fā)現(xiàn)兩者最大值(速度峰值和最大振動(dòng)位移)對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)吻合，依據(jù)此速度峰值-振動(dòng)位移分布規(guī)律對實(shí)測簡單速度波形進(jìn)行多峰擬合，利用擬合所得積累曲線可得到該波段能量最大化和爆破振動(dòng)最小狀態(tài)對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯 丁 峰)

Control of delay time characterized by distribution of peak velocity-displacement vibration of millisecond blasting

Lou Xiaoming1,2, Zhou Wenhai1, Jian Wenbing3, Zheng Junjie4

(1.CollegeofZijinMining,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;2.InstituteforExplosiveTechnology,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;3.CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;4.CollegeofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,Hubei,China)

In order to improve the blasting vibration and boost the efficiency of blasting energy, this paper mainly focuses on the delay time control research through transmission law. We performed an experiment with a delayed-detonation scheme in different period, which selects common detonator and Orica high precision detonator. The measured vibration of the earthquake wave is based on seismic wave function optimization theory foundation. The measured data and wavy figure were acquired through it, then we found out the variation characteristics of the rules of earthquake wave propagation, peak velocity, domain frequency, band energy and the total energy in different delayed period. At the same time, according to the characteristics to find velocity map which Synthesized by triaxialvibration wave and displacement map which assembled by speed Calculus correspond to the maximum in same time. On the basis of peak velocity-vibration displacement distribution characteristics, fitting method for Gaussian multi-peak is applied for measured vibration wave, to give the band energy maximize time points aboutt=60 ms, blasting vibration around the minimum time fort=25 ms.

mechanics of explosion; time delay control; multi-peaks fitting; millisecond blasting; blasting vibration; peak velocity

10.11883/1001-1455(2016)06-0839-08

2015-04-09； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-07-01

2015-07-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072232)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2011J01310)

樓曉明(1972— )，男，博士，副教授，Lxm@fuz.edu.cn。

O382.2 <國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520

A