爆破振動對臨近建筑物安全影響研究

胡 輝，李祥龍，石晨晨，胡啟文，駱浩浩

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

爆破振動對臨近建筑物安全影響研究

胡 輝，李祥龍，石晨晨，胡啟文，駱浩浩

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

為了研究某露天礦采場爆破作業(yè)對附近選廠內(nèi)建筑安全性的影響，采用爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)在選廠內(nèi)對兩次不同最大單孔藥量下的爆破作業(yè)進(jìn)行監(jiān)測?；谙柌?黃變換（HHT）分析法，對兩種情況下監(jiān)測產(chǎn)生的振動信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：兩種情況下爆破振動信號的優(yōu)勢能量頻帶都在0～10 Hz，且隨著最大單孔藥量的增加，振動頻率有往低頻集中以及瞬時輸入能量增大的趨勢；結(jié)合《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）中對于工業(yè)建筑安全允許標(biāo)準(zhǔn)，確定該選廠建筑最大安全允許振速為2.5 cm/s。

臨近建筑；爆破振動；HHT；EMD；質(zhì)點峰值振速

0 引言

爆破作為一種重要的技術(shù)手段，在礦山開采過程中得到了廣泛應(yīng)用，給各個礦山企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也促進(jìn)了國家經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。隨之而來的由爆破引起的各種安全問題，也得到越來越多人的關(guān)注。在爆破的過程中，產(chǎn)生的有毒有害氣體、粉塵、飛石、沖擊波、噪聲以及爆破振動等，會對爆區(qū)附近的人、建（構(gòu)）筑物和環(huán)境造成一定程度的影響，有時更會導(dǎo)致人員傷亡、財產(chǎn)損失以及環(huán)境破壞[1]。因此，自爆破技術(shù)發(fā)明應(yīng)用以來，對其的研究就沒有停止過。其中，爆破振動是造成爆區(qū)附近建筑物損傷，影響其穩(wěn)定性的最重要因素[2-4]。由于爆破振動波在巖體中的傳播及由其引起的地面振動是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，受到各種因素的影響，如炸藥性能、單孔裝藥量、總裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、填塞、起爆方式、延期時間、爆心距、傳播介質(zhì)以及地質(zhì)地形條件等，其本身具有多變性、瞬時性和隨機(jī)性等特征，這也給爆破振動的分析研究增加了難度[5-6]。因此，對生產(chǎn)爆破振動波進(jìn)行監(jiān)測，探索爆破振動波傳播規(guī)律，確定建筑安全的質(zhì)點峰值振速，對于保護(hù)建筑的穩(wěn)定性和在建筑內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)活動的勞動者人身安全具有重要意義。

1 HHT分析法

爆破振動波作為一種非平穩(wěn)隨機(jī)信號，對其分析的方法從早期的傅立葉變換、快速傅立葉變換、短時傅立葉變換以及小波和小波變換到現(xiàn)在常用的希爾波特黃變換，逐漸從單純的整體頻域分析到局部時頻變化分析，對振動波的分析更加靈活，也更加清晰透徹[7-11]。

希爾波特-黃變換（HHT）是對非平穩(wěn)信號進(jìn)行時頻分析的一種非常有效的方法，在各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[12-13]。該方法主要由兩部分組成，即經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（EMD）和Hilbert變換。EMD方法是HHT法的基礎(chǔ)也是核心。EMD法分解信號波不需要像小波變換首先選擇合適的小波基，能夠?qū)⑿盘柗纸獬啥鄠€頻率自上而下的固有模態(tài)函數(shù)分量（IMF），具有很好的自適應(yīng)性，并經(jīng)過簡單地分析就能夠判斷并去除原始波中的噪聲波分量。對去除噪聲分量后的各IMF進(jìn)行重構(gòu)，將可以得到更加符合實際的信號波形[14]。

對得到的IMF組合進(jìn)行Hilbert變換可得到瞬時頻譜，瞬時頻譜綜合起來即可得到Hilbert譜，它包括瞬時能量譜、邊際譜、等高線能量譜以及三維譜等。Hilbert變換主要體現(xiàn)信號的局部化特性，不同的Hilbert譜能夠反映時間、頻率、能量三者之間不同的分布變化關(guān)系。HHT法能夠從低頻信號中分辨出奇異信號，很好地體現(xiàn)信號變化的主要特征，適用于具備突變和衰減速度較快的爆破振動信號分析。

2 爆破振動監(jiān)測與信號分析

2.1 工程背景

某露天多金屬礦在爆區(qū)附近的溝谷中建立了一座選廠，選廠的兩側(cè)都是較高的巖石邊坡，選廠內(nèi)建筑主要為磚混鋼架結(jié)構(gòu)。據(jù)在選廠內(nèi)的工作人員反映，在爆破時經(jīng)常會感到較強(qiáng)的震感，給廠區(qū)內(nèi)的工作人員造成很大的心理壓力，嚴(yán)重影響廠區(qū)的正常工作秩序，也影響著選廠的正常生產(chǎn)。因此，需要對爆破振動信號在選廠內(nèi)的傳播特性進(jìn)行研究，提前做好預(yù)防控制措施，避免發(fā)生不可預(yù)知的危險。

2.2 爆破振動監(jiān)測

對連續(xù)兩次的爆破作業(yè)進(jìn)行振動監(jiān)測，爆破區(qū)域是距離選廠較近的1340平臺，巖性主要是以片巖為主，總藥量分別是9 912 kg和9 276 kg，最大單孔藥量為432 kg和192 kg，使用高精度導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆。在選廠內(nèi)建筑的外墻邊，分別放置3套NUBOX-8016測振儀，對兩次爆破的爆破振動進(jìn)行監(jiān)測。爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Monitoring data of blasting vibration

2.3 基于HHT法的信號處理及分析

通常采用爆炸振動波的垂直振動速度（通道Z）作為研究的對象。分別選取在兩種最大單響藥量情況下，Z方向質(zhì)點峰值振速最大的兩組信號作為分析對象，分別記做 S1（432 kg）和 S2（192 kg），兩組信號的Z方向的振動波形圖如圖1和圖2所示。

圖1 S1原始波形圖Fig.1 Original oscillogram of S1

圖2 S2原始波形圖Fig.2 Original oscillogram of S2

2.3.1 振動信號的EM D分解

對測得的S1和S2爆破振動信號運用儀器配套BM View軟件將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并除去負(fù)延時和波形后的數(shù)據(jù)，進(jìn)而運用MATLAB2014a軟件對保留的有波形的信號數(shù)據(jù)做EMD分解，從高頻到低頻，依次得到S1和S2的各IMF分量，如圖3和圖4所示。

圖3 S1的IMF分量Fig.3 The IMF components of S1

圖4 S2的IMF分量Fig.4 The IMF components of S2

從圖3和圖4中可以看出，IMF1～I(xiàn)MF3頻率最高，但是所占能量卻是最少，這可能是進(jìn)行爆破振動監(jiān)測時引入的廠房內(nèi)機(jī)器振動的噪聲，應(yīng)當(dāng)舍去；IMF4～I(xiàn)MF11屬于振動信號的優(yōu)勢頻率，含有信號的絕大部分能量，是進(jìn)行研究的主要對象；IMF12可能是信號本身的趨勢或儀器的飄零。

對信號S1和S2的各IMF分量進(jìn)行重構(gòu)及重構(gòu)的誤差如圖5和圖6所示。重構(gòu)后的信號波形更符合爆破振動波的實際情況。

2.3.2 邊際譜分析

對重構(gòu)后的S1和S2信號，進(jìn)行邊際譜分析。從信號的邊際譜中可以看出能量在頻率帶上的集中程度。S1和S2信號的邊際譜如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，爆破振動信號S1和S2的能量都主要集中在0～20 Hz的頻帶內(nèi)，S2和S1能量峰值相差不大，但是在峰值處的頻率S2比S1稍大。同時，可以從圖中發(fā)現(xiàn)，S1比S2在0～10 Hz低頻帶內(nèi)信號的能量成分所占比重更大，能量有隨著最大單響藥量增加而往低頻帶發(fā)展的趨勢。

圖5 S1的重構(gòu)信號及其誤差Fig.5 Reconstructed signal and its error of S1

圖6 S2的重構(gòu)信號及其誤差Fig.6 Reconstructed signal and its error of S2

圖7 S1的邊際譜Fig.7 Marginal spectrum of S1

圖8 S2的邊際譜Fig.8 Marginal spectrum of S2

2.3.3 瞬時能量譜分析

邊際譜雖然能夠反映能量在頻帶內(nèi)的集中情況，但是不能反映出能量在時間上的分布情況。瞬時能量譜能夠直觀的反映能量隨時間的變化情況。S1和S2信號的瞬時能量譜如圖9和圖10所示。

圖9 S1的瞬時能量譜Fig.9 Instantaneous energy spectrum of S1

圖10 S2的瞬時能量譜Fig.10 Instantaneous energy spectrum of S2

從圖9和圖10中可以看出，S1和S2信號都是由多雷管逐孔起爆疊加引起的結(jié)果。S1的能量主要集中在0～0.7 s的區(qū)域內(nèi)，S2的能量主要集中在0～1.6 s，S1信號在0.15 s左右達(dá)到峰值，S2信號在0.8 s左右達(dá)到峰值，且S1峰值振速約為S2峰值振速的2.7倍，與S1的最大單孔藥量是S2的最大單孔藥量的2.25倍較為接近。這說明，最大單孔藥量是影響最大瞬時能量的重要因素，振動信號的瞬時能量隨著最大單孔藥量的增加而增加。

瞬時能量過大，很容易超越建筑本身承受能力，建筑會出現(xiàn)一定程度的損傷，這些損傷又會使建筑對爆破振動的承受能力降低，因此，需要控制在選廠附近爆破時的炸藥單耗，降低單孔最大裝藥量，以保證建筑的安全。

2.3.4 三維譜分析

爆破振動信號的三維譜，其三個坐標(biāo)軸分別代表了信號的時間、頻率和能量。在三維譜中能直接反映能量隨時間和頻率變化的分布情況。三維譜中的顏色越亮，表示能量越高。從S1和S2的三維譜中可以看出，S1的能量主要集中在0～0.8 s、0～25 Hz范圍內(nèi)，S2的能量主要集中在0～1.6 s、0～30 Hz范圍內(nèi)，與邊際譜和瞬時能量譜分析的結(jié)果基本相符。S1和S2信號的三維譜如圖11和圖12所示。

圖11 S1的三維譜Fig.11 3D spectrum of S1

圖12 S2的三維譜Fig.12 3D spectrum of S2

結(jié)合邊際譜、瞬時能量譜和三維譜對S1信號和S2信號分析的結(jié)果可以看出，兩次爆破的爆破振動信號的能量幾乎都集中在0～20 Hz頻帶內(nèi)，而且優(yōu)勢頻帶能量都集中在0～10 Hz范圍內(nèi)，能量峰值分別在0.15 s、5 Hz和0.8 s、7 Hz左右。這已經(jīng)非常接近一般構(gòu)筑物1～5 Hz的自振頻率[15]，雖然振速較小，但也極有可能引起建筑的共振，因此分析建筑物安全性時需要重點考慮0～10 Hz低頻帶。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)點的振速較大時，振動頻率也較大，這樣不易與建筑物發(fā)生共振；當(dāng)質(zhì)點的振速較小時，振動頻率也相對較小，易與建筑物發(fā)生共振現(xiàn)象，對建筑物的危害較大[16]。這就要求當(dāng)質(zhì)點的頻率較小時，振動速度也要小于其相應(yīng)的安全閾值。《爆破安全規(guī)程》（6722—2014）[17]中對工業(yè)建筑物的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)f≤10 Hz時，安全允許質(zhì)點振動速度范圍是2.5～3.5 cm/s，因此，為了確保選廠的安全，選取該區(qū)域建筑最大安全允許振速為2.5 cm/s。

2.4 減振措施

通過對兩次爆破振動信號的HHT分析可以發(fā)現(xiàn)，采場的爆破作業(yè)暫時未造成采場內(nèi)建筑的明顯破壞，但有時質(zhì)點振動頻率在低頻帶內(nèi)集中時，可能引起選廠內(nèi)的建筑共振，引發(fā)未知的危險，因此提出減振措施。

（1）由于選廠是建在采場外的溝谷中，從地形上本身就有一定的減振作用，因此就不在選廠前再開挖減震溝。但是爆破區(qū)域靠近選廠時，在選廠方向，爆區(qū)后排預(yù)先布置一排或多排減振孔，孔深要大于或等于炮孔深度，減振孔可以有效地降低爆破振動速度。

（2）通過小規(guī)模的爆破試驗，對爆破參數(shù)重新進(jìn)行優(yōu)化，確定合理的孔網(wǎng)參數(shù)、降低單孔裝藥量和優(yōu)化爆破的延期時間，減少單孔爆破振動波之間的在巖體內(nèi)的合成，以達(dá)到降低振動速度的目的。

（3）選用新型的高精度數(shù)碼電子雷管，提高延期時間的準(zhǔn)確性，避免因雷管的精確度導(dǎo)致多孔同爆現(xiàn)象的發(fā)生，從而使爆破振動速度和頻率超過建筑的承受閾值，造成事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）運用HHT分析方法對兩次不同最大單孔藥量下的爆破振動信號進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著最大單孔藥量的增加，振動的頻率有往低頻發(fā)展的趨勢；同時，最大瞬時輸入能量也隨著最大單孔藥量的增加而增大。因此，在靠近選廠較近區(qū)域進(jìn)行爆破作業(yè)時，應(yīng)嚴(yán)格控制最大單孔裝藥量，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生以及最大瞬時能量超過建筑的承受而造成破壞。

（2）綜合分析邊際譜、瞬時能量譜和三維譜得出：在分析該區(qū)域建筑安全性時應(yīng)重點考慮0～10 Hz低頻帶，結(jié)合《爆破安全規(guī)程》（6722—2014），確定該區(qū)域建筑最大安全允許振速為2.5 cm/s。

（3）通過實踐表明：在爆區(qū)后排打減振孔、降低單孔裝藥量、選取合理延期時間以及選用高精度的數(shù)碼電子雷管都能對減振產(chǎn)生明顯的效果。

（4）在分析該選廠建筑安全性的時候，只考慮了爆破振動對建筑本身的穩(wěn)定性影響，未能分析該選廠兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性對其造成的危害，需要進(jìn)一步對選廠兩側(cè)的邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

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（編輯：劉新敏）

行業(yè)信息

D

礦山企業(yè)礦權(quán)轉(zhuǎn)讓信息

怒江江鎢浩源礦業(yè)有限公司

礦區(qū)下設(shè)五個礦段，五個礦段均有獨立生產(chǎn)系統(tǒng)，同時開采相互不影響。礦區(qū)面積13.766 8 km2。礦區(qū)保有（122b+332+333類）錫+鎢工業(yè)及低品位礦石量953.02萬t，其中錫礦體礦石量484.80萬t，鎢礦體礦石量420.16萬t，錫、鎢共生礦體礦石量48.06萬t；錫金屬量25 946 t，平均品位0.49%；鎢金屬量17 195 t，平均品位0.37%。鎢、錫金屬量合計43 141 t。

礦山新建有生產(chǎn)規(guī)模1 000 t/d的選廠和配套的白河尾礦庫；新建20 t儲量炸藥倉庫一座、五層辦公樓一棟、五層生產(chǎn)綜合樓一棟、材料庫及四層選廠住宿樓一棟、井下六大安全系統(tǒng)建設(shè)、尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)等項目。

礦山供電工程齊全，交通便利。

江西省巋美山鎢業(yè)（定南縣）燕潭螢石礦

江西省巋美山鎢業(yè)（定南縣）燕潭螢石礦詳查區(qū)位于贛州市定南縣巋美山鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)有公路通往定南縣城，路程大約35km，與105國道，贛粵高速公路、京九鐵路相接，交通便利。定南縣燕潭螢石礦詳查權(quán)形式：探礦權(quán)；詳查探礦礦種：螢石礦；詳查面積：1.43km2。估算333資源礦石量132.49萬t，CaF2資源量 40.11萬t，CaF2平均品位30.3%，平均真厚度5.94m，延長650m，延深380m（其中較好礦段礦石量56.34萬t，CaF2資源量22.20萬t，CaF2平均品位39.4%，平均真厚度5.43 m，延長300 m，延深350m。）

探礦區(qū)內(nèi)有居民，有公路和多條電路通過礦區(qū)，用電較為方便。

聯(lián)系人：李先生

聯(lián)系電話：0791-86219536

The Influence of Blasting Vibration on the Safety of Adjacent Buildings

HU Hui,LI Xianglong,SHI Chenchen,HU Qiwen,LUO Haohao
(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,Yunnan,China)

To study the influence of a blasting operation on the safety of the nearby buildings,the blasting vibration monitoring system was used to monitor the blasting operation under two different maximum single hole doses in the electromechanical plant.Based on the Hilbert-Huang Transformation (HHT)analysis method,the vibration signal data of the two cases are analyzed.The results show that the dominant energy band of the blasting vibration signal is 0～10 Hz in both cases,and with the increase of the maximum single hole dose,vibration frequency to the low frequency concentration and instantaneous input energy increase trend;combined withquot;Safety regulations for Blastingquot;(GB6722-2014)for industrial building safety allowable standards to determine the maximum safety of the plant construction allowable vibration speed of 2.5 cm/s.

building;blasting vibration;Hilbert-Huang Transformation (HHT);Empirieal Mode Decomposition;peak particle vibration velocitie

TD235

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.008

2017-09-01

國家自然科學(xué)基金（51564027；51304087；41362013）

胡 輝（1990-），男，河南固始人，碩士研究生，主要從事爆破工程、安全工程方面研究。

李祥龍（1981-），男，安徽淮北人，博士，教授，主要從事爆破工程、巖土工程和采礦工程方面教學(xué)科研工作。