露天邊坡爆破地震波能量分布特征研究

張聲輝， 劉連生,2， 鐘清亮， 邱金銘， 鐘 文,2

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；3.江西崇義章源鎢業(yè)股份有限公司，江西 贛州 341300)

露天礦最終邊坡的安全對(duì)于露天礦的安全高效開采起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著爆破作業(yè)的推進(jìn)，最終邊坡距離爆破點(diǎn)的高程差越來(lái)越大，易產(chǎn)生爆破地震波的邊坡高程放大效應(yīng)。然而爆破地震波對(duì)建(構(gòu))筑物的影響實(shí)質(zhì)上是一種能量傳遞與轉(zhuǎn)化的過程，這種傳遞與轉(zhuǎn)化的過程受到爆破地震波能量分布特征的影響[2]，還與建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有關(guān)。為此，研究爆破地震波在露天邊坡傳播過程中的能量分布特征，對(duì)保證最終邊坡安全的基礎(chǔ)上尋求經(jīng)濟(jì)合理的爆破開采技術(shù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)工程價(jià)值。

在高程放大效應(yīng)機(jī)理方面，一些學(xué)者通過對(duì)爆破地震波的觀測(cè)，探討了地形和高程對(duì)爆破地震波傳播規(guī)律的影響，總結(jié)了爆破參數(shù)、地質(zhì)地形條件等因素與高程放大效應(yīng)的相關(guān)性。郭學(xué)彬等[1]通過對(duì)不同類型的坡面對(duì)爆破振動(dòng)波的響應(yīng)進(jìn)行分析，認(rèn)為高程放大效應(yīng)實(shí)際上是一種坡面效應(yīng)現(xiàn)象；胡學(xué)龍等[3]通過提出了等效路徑及等效距離概念，在綜合考慮了爆破振動(dòng)多因素的影響下，得到了一種預(yù)測(cè)爆破振速峰值與地震波傳播等效距離關(guān)系公式，間接有效反映了不同巖性及復(fù)雜地形對(duì)爆破地震波在傳播路徑中衰減特性的影響；韓宜康等[4]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及理論計(jì)算分析，論證了邊坡角度對(duì)高程放大效應(yīng)有極大的影響，得出45°是其放大效應(yīng)快慢的拐點(diǎn)。陳明等[5]基于靜力學(xué)理論、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)邊坡爆破振動(dòng)速度的高程放大效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在爆破振動(dòng)荷載作用下，臺(tái)階部位巖體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”，導(dǎo)致臺(tái)階部位巖體振動(dòng)速度放大，且臺(tái)階邊沿處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大，但其應(yīng)力、應(yīng)變較同高程臺(tái)階坡腳處的小。Graizer[6]研究發(fā)現(xiàn)低速帶巖層和地貌形態(tài)是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)放大效應(yīng)的主要來(lái)源。Marrara等[7]采用爆破代替地震源分析振動(dòng)放大效應(yīng)，結(jié)果表明，爆源的特性和深度以及測(cè)量點(diǎn)的距離會(huì)導(dǎo)致不同的激勵(lì)，當(dāng)頻率大于2 Hz時(shí)，監(jiān)測(cè)區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度放大效應(yīng)明顯。

爆破振動(dòng)信號(hào)特征分析是研究爆破震動(dòng)效應(yīng)的最有效手段之一，不少學(xué)者通過對(duì)爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)及其能量的分析，探討了最大段藥量、微差間隔時(shí)間以及雷管段數(shù)等爆破參量對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布的影響。其中，凌同華等[8-10]采用小波包分析對(duì)不同爆破參數(shù)下監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行能量分布分析，結(jié)果表明，單段爆破振動(dòng)主要以中高頻為主而多段爆破振動(dòng)則以中低頻為主，雷管段別的增加以及單段起爆藥量的減小能增大爆破振動(dòng)的主振頻率，使得能量在各頻帶上分布更加均勻，有效降低爆破振動(dòng)危害。張智宇等[11]利用小波包技術(shù)分析了爆破振動(dòng)信號(hào)的能量分布特征隨起爆方式改變的變化規(guī)律。石長(zhǎng)巖等[12]通過小波分析技術(shù)，分析了爆破震動(dòng)波在同一地下采場(chǎng)的能量分布規(guī)律，探討了爆心距、總藥量及傳播方向?qū)Ρ频卣鸩芰糠植嫉挠绊懸?guī)律。朱權(quán)潔等[13]利用小波包分析技術(shù)對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)與巖石破裂信號(hào)的頻帶能量分布特征進(jìn)行研究。Trivino等[14]在研究多種爆源不同起爆條件下能量和頻率的變化規(guī)律時(shí)引入對(duì)平均頻率的分析。龍?jiān)吹萚15]通過爆破震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的幅頻分析和對(duì)爆破彈性區(qū)地震波傳播的數(shù)值模擬，探討了爆破地震波的幅頻特性，指出爆破地震波的主震相的持續(xù)時(shí)間主要與介質(zhì)阻尼系數(shù)、爆破能量大小形式以及微差爆破段間時(shí)差有關(guān)。張義平[16]系統(tǒng)分析了FFT、STFT、WT 和HHT 變換等時(shí)頻分析了爆破震動(dòng)信號(hào)的能量分布優(yōu)缺點(diǎn)，得出HHT變換的EMD方法具有自適應(yīng)性，克服了小波包分析的缺點(diǎn)；同時(shí)，也提出了應(yīng)考慮IMF分量對(duì)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的放大效應(yīng)影響。

由于爆破地震波頻率的復(fù)雜性，并涉及爆源條件、巖體特性、傳播距離、高程等多方面因素的影響。因此，本文基于露天邊坡對(duì)爆破地震波的能量分布特征研究，通過小波變換對(duì)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，探索露天邊坡的爆破地震波能量在不同頻帶間的分布規(guī)律，為控制邊坡安全提供相關(guān)依據(jù)。

1 小波分析及特點(diǎn)

小波分析(wavelet analysis)方法[17]是一種窗口大小固定但其形狀、時(shí)間窗及頻率窗皆能調(diào)整的時(shí)頻局部化分析方法。使其對(duì)低頻部分信號(hào)可以通過較低的時(shí)間分辨率提高頻率的分辨率，對(duì)高頻部分信號(hào)可以利用較低的頻率分辨率而獲得較高的時(shí)間分辨率，因小波變換具有的高低頻分離的特點(diǎn)，可在不丟失原信號(hào)重要信息成分的前提下，表征出不同尺度的信號(hào)特征，廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜非平穩(wěn)信號(hào)處理、時(shí)頻分析、信噪分離并提取有用信號(hào)等領(lǐng)域。而爆破地震波在露天礦邊坡巖體介質(zhì)中傳播時(shí)，因受爆源特征和場(chǎng)地性質(zhì)的影響，其不同頻帶間的能量衰減程度存在差異，為對(duì)此研究，須利用小波分析技術(shù)將研究頻率范圍內(nèi)的爆破地震波信號(hào)提取出來(lái)，因此，最優(yōu)小波基的選取尤為關(guān)鍵。Daubechies小波系列具有較好的緊支撐性、光滑性及近似對(duì)稱性[17],且在處理和分析包括爆破地震波在內(nèi)的非平穩(wěn)信號(hào)問題方面取得了成功的效果[18-20]。該小波系數(shù)具有不同正整數(shù)序列(dbN)，且在爆破振動(dòng)信號(hào)處理中用得最多的是db5和db8。

2 爆破振動(dòng)信號(hào)能量分析

2.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆破振動(dòng)測(cè)試采用加拿大Instantel公司生產(chǎn)的Blastmate III型測(cè)振儀，此儀器可接X，Y，Z三向振速傳感器三個(gè)通道和高壓麥克風(fēng)一個(gè)通道，但本次未測(cè)試爆炸超壓；測(cè)量范圍：振速量程達(dá)254 mm/s；噪聲88～148 dB；精度+/-5%或0.5 mm/s，取較大值；地震觸發(fā)器：0.125～254 mm/s；采樣率可分級(jí)設(shè)置，每通道1 024～16 000 Hz；能連續(xù)監(jiān)測(cè)，存儲(chǔ)300個(gè)振動(dòng)波形。試驗(yàn)地點(diǎn)在江西省鉛山縣永平露天銅礦，測(cè)點(diǎn)布置在東部邊坡臺(tái)階上，離臺(tái)階坡腳3 m位置處左右，臺(tái)階高度10 m，隔二個(gè)臺(tái)階并段一次，并段后高20 m，安全平臺(tái)寬8 m，隔二個(gè)安全平臺(tái)設(shè)一個(gè)清掃平臺(tái)16 m，臺(tái)階坡面角65°，最終邊坡角41°，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在不同高程。測(cè)點(diǎn)布置見圖1，其中+171是剖面線坡頂標(biāo)高，CK914、CK1101為地質(zhì)勘探線鉆孔剖面圖[21]。實(shí)際邊坡地形見圖2。其爆破參數(shù)為：孔深11.0 m，超深1.0 m，孔徑200 mm，孔距6.0 m，排距5.0 m，堵塞長(zhǎng)度為5.0 m。采用混裝乳化炸藥，柱狀藥包中心埋深8 m，裝藥密度為1.1 g/cm3，炸藥爆速為3 200 m/s。

邊坡主要為灰?guī)r夾石英砂巖，上部覆厚度較大的殘坡積物和老窿堆積物，下部的巖體巖層接觸面傾向與邊坡面傾向相反，傾角近于水平。巖石節(jié)理，裂隙發(fā)育，裂隙面偶有硅質(zhì)和金屬礦物充填，多數(shù)為干裂隙。巖體較破碎。巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters of rock physical and mechanical

為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)試過程中傳感器均安裝在基巖上，以使其與測(cè)點(diǎn)牢固。根據(jù)測(cè)試條件的要求，對(duì)永平露天銅礦爆破生產(chǎn)開挖進(jìn)行了22次爆破振動(dòng)測(cè)試。選取了一組典型的爆破振動(dòng)信號(hào)，其不同測(cè)點(diǎn)的爆破參數(shù)及監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2，其相應(yīng)的爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線和傅里葉頻譜圖見圖3和圖4。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(m)Fig.1 Arrangement of measuring points(m)

圖2 邊坡地形圖Fig.2 The chart of slope topography表2 不同測(cè)點(diǎn)的爆破參數(shù)及監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Blasting parameters and monitoring results of different measuring points

測(cè)點(diǎn)最大段藥量/kg高程差/m測(cè)點(diǎn)水平距離/m速度峰值/(mm·s-1)主頻/Hz切向垂向徑向矢量和切向垂向徑向13 172201906.7314.5725.5887.15013.6023.3013.3023 172402861.7782.2862.1592.50819.5022.4028.2033 172503112.9213.8105.5886.5499.1922.3018.9043 172603304.0643.1752.9214.63028.4046.6020.3053 1728035013.085.84212.8315.327.2515.807.13注:切向和徑向分別為水平垂直爆源和指向爆源的方向,垂向是指豎直方向

由圖1、2可知，2號(hào)、4號(hào)測(cè)點(diǎn)處巖體結(jié)構(gòu)完整性相對(duì)較差、節(jié)理裂隙發(fā)育，且2號(hào)測(cè)點(diǎn)左下方可見明顯傾斜裂隙， 而1號(hào)、3號(hào)及 5號(hào)測(cè)點(diǎn)處巖體結(jié)構(gòu)較完整、節(jié)理裂隙較少。從表2、圖3和圖4可以看出，隨著高程的變化，各傳播方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度存在一定的高程放大效應(yīng)；但爆破地震波在巖體結(jié)構(gòu)不完整、節(jié)理裂隙發(fā)育的 2號(hào)及4號(hào)測(cè)點(diǎn)中傳播時(shí)，其產(chǎn)生的振動(dòng)頻率成分相對(duì)復(fù)雜，爆破振速衰減顯著。

2.2 反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜[22]是以SDOF黏性阻尼體系來(lái)模擬真實(shí)建(構(gòu))筑物，通過考察此黏性阻尼體系承受震動(dòng)的反應(yīng)特性，以震動(dòng)加速度作為確定反應(yīng)譜的輸入，對(duì)體系自振頻率與阻尼的組合情況繪制出反應(yīng)譜曲線。而用反應(yīng)譜值與爆破振動(dòng)的峰值之比表示縱坐標(biāo)，又稱標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜或動(dòng)力放大系數(shù)。其曲線不但能反映震動(dòng)的強(qiáng)弱，還可計(jì)算在一定震動(dòng)強(qiáng)度的作用下結(jié)構(gòu)體的動(dòng)力反應(yīng)，因此也能看作是震動(dòng)頻譜特性分析的一種方法。因受露天礦邊坡監(jiān)測(cè)背景的影響，爆破振動(dòng)信號(hào)廣泛存在噪聲，劉連生等[23]通過小波閾值法、EMD、EEMD分別對(duì)露天爆破開采下所獲的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)EEMD去噪效果最好。本次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的物理量是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，經(jīng)EEMD分解及對(duì)所測(cè)得的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行低通消噪后再微分，而所獲得的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程曲線見圖5。對(duì)于實(shí)際的建(構(gòu))筑物，其阻尼比ξ一般取0.02～0.05，而在工程抗震計(jì)算中常取結(jié)構(gòu)震動(dòng)阻尼比ξ=0.05[22]。利用MATLAB語(yǔ)言編制的三角插值解析公式法反應(yīng)譜計(jì)算程序，輸入震動(dòng)阻尼比ξ=0.05及所推求的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度信號(hào)。繪制出的爆破振動(dòng)信號(hào)速度反應(yīng)譜曲線和其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線如圖6和圖7所示。

(a)切向

(b)垂向

(c)徑向圖3 爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.3 The time-dependent curve of blasting vibration velocity

圖4 爆破振動(dòng)信號(hào)的傅里葉頻譜圖Fig.4 Fourier spectrogram of blasting vibration signal

從圖6和圖7分析，爆破地震波在邊坡巖體介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著高程的增加，兩者反應(yīng)譜曲線的“突峰”數(shù)量減少，其速度反應(yīng)譜的峰值強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，邊坡結(jié)構(gòu)體的速度反應(yīng)譜峰值所對(duì)應(yīng)的周期也有增加的趨勢(shì)，說明爆破地震波的頻率成分趨于簡(jiǎn)單化，且邊坡結(jié)構(gòu)體對(duì)其響應(yīng)的振動(dòng)主頻有往低頻發(fā)展的趨勢(shì)。雖然速度反應(yīng)譜的峰值隨高程的增加而增加，并在結(jié)構(gòu)不完整的2號(hào)、4號(hào)測(cè)點(diǎn)逐漸衰減，可其相應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的峰值卻沒有明顯的類似特點(diǎn)；各測(cè)點(diǎn)三向速度反應(yīng)譜的峰值在垂向方向基本較小，但其垂向的動(dòng)力放大系數(shù)卻幾乎更大。表明爆破地震波在邊坡巖體傳播過程中，速度放大倍數(shù)主要取決于結(jié)構(gòu)體本身，不同的結(jié)構(gòu)體對(duì)爆破地震波的選擇放大作用不同，相同的結(jié)構(gòu)體對(duì)不同傳播方向的爆破地震波的選擇放大作用也不一樣。

(a)切向

(b)垂向

(c)徑向圖5 爆破振動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig.5 The time-dependent curve of blasting vibration acceleration

圖6 速度反應(yīng)譜圖Fig.6 The response spectrum of vibration velocity

圖7 速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜圖Fig.7 The standard response spectrum of vibration velocity

2.3 不同頻帶間信號(hào)的相對(duì)能量分布特征

從前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)爆破地震波信號(hào)主頻的多變性和頻率成分的復(fù)雜性，因此利用小波變換來(lái)分析各測(cè)點(diǎn)信號(hào)不同頻帶間相對(duì)能量的分布特征，頻帶間信號(hào)的相對(duì)能量是指該頻帶信號(hào)能量占全頻帶信號(hào)能量的百分比。本次測(cè)試信號(hào)的采樣率為2 048 Hz，故其奈奎斯特(Nyquist)頻率為1 024 Hz。采用db8[24]小波基對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行6個(gè)層次的分解，重構(gòu)可得到如下7個(gè)頻帶，第1頻帶0～16 Hz，第2頻帶16～32 Hz，第3頻帶32～64 Hz，第4頻帶64～128 Hz，第5頻帶128～256 Hz，第6頻帶256～512 Hz，第7頻帶512～1024 Hz。并繪出了各信號(hào)在不同頻帶間的相對(duì)能量，如圖8所示。

圖8 各信號(hào)在不同頻帶間的相對(duì)能量Fig.8 Relative energy between signals at different frequency bands

從圖8可以看出，信號(hào)1與信號(hào)3的相對(duì)能量分布都主要集中在前三個(gè)頻帶，切向、垂向及徑向分別為97.41%與98.83%、96.75%與98.67%及98.89%與98.98%，水平方向上主振頻帶在0～16 Hz，豎直方向上卻在16～32 Hz；信號(hào)5的能量分布百分比在前兩個(gè)頻帶達(dá)96%以上，其他所有頻帶間的相對(duì)能量不足4%，而主振頻帶都在0～16 Hz。但由于節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，信號(hào)2與信號(hào)4的能量主要分布頻帶逐漸變寬， 在第四頻帶(64～128 Hz)也出現(xiàn)了一定的相對(duì)能量分布，百分比在2.17%～8.08%之間，其主振頻帶也發(fā)生了很大改變；信號(hào)2的16～32 Hz頻帶相對(duì)能量在各向上均是最大，而信號(hào)4水平方向在16～32 Hz頻帶、豎直方向在32～64 Hz頻帶的相對(duì)能量最大。分析可知，爆破地震波在邊坡巖體中傳播時(shí)，隨著高程的增加，爆破振動(dòng)信號(hào)相對(duì)能量主要分布頻帶逐漸變窄，主振頻帶也越來(lái)越趨向于低頻帶；而若巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，其相對(duì)能量主要分布頻帶逐漸變寬，主振頻帶有往高頻帶發(fā)展的趨勢(shì)。

巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩部分組成的，結(jié)構(gòu)體被不同類型的結(jié)構(gòu)面(斷面、斷層以及節(jié)理裂隙等)在空間按任意組合劃分而成。結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破地震波的散射作用使其在露天邊坡傳播過程中影響甚大。因爆破地震波在節(jié)理裂隙處產(chǎn)生透、反射時(shí)需消耗更多的能量，可以認(rèn)為爆破地震波在裂隙巖體中的傳播的衰減速度比在一般連續(xù)介質(zhì)中更快，主要表現(xiàn)在透射波振幅的降低和過濾高頻波兩個(gè)方面。張立國(guó)等[25]和高富強(qiáng)等[26]通過量綱分析得到的頻率預(yù)測(cè)公式；焦永斌[27]采用的爆破振動(dòng)頻率預(yù)測(cè)公式間接反映多種因素對(duì)爆破振動(dòng)頻率的影響，為提高對(duì)爆破振動(dòng)頻率的預(yù)測(cè)。

宋光明[28]利用銅山口銅礦、姑山鐵礦及海南鐵礦的巖體(巖土混合體)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值以及完整性系數(shù)Kv來(lái)量化傳播介質(zhì)特性，通過對(duì)不同巖層地質(zhì)條件下產(chǎn)生的爆破振動(dòng)進(jìn)行小波包分析，發(fā)現(xiàn)單段波形小波包各細(xì)節(jié)信號(hào)的主振頻帶分布范圍隨著傳播介質(zhì)的完整性系數(shù)Kv值減小而增大，優(yōu)勢(shì)頻率值隨Kv值減小而增加；宋全杰等[29]認(rèn)為單一應(yīng)力波通過層理多次透反射后將產(chǎn)生有一些相位差的多個(gè)應(yīng)力波，經(jīng)疊加后使頻率變高，且振動(dòng)能量有往高頻段向移動(dòng)；徐松林等[30]發(fā)現(xiàn)賦存在各種壓力環(huán)境中的巖體，其孔隙流體壓力在低頻率范圍內(nèi)對(duì)頻散特性影響很大，且隨著孔隙流體壓力的增大，其頻散變化程度越強(qiáng)，但對(duì)高頻率范圍影響很小。

永平露天銅礦的實(shí)際地形(見圖2)是由不定傾向節(jié)理裂隙及其發(fā)育情況不一的巖土介質(zhì)構(gòu)成的，從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度講，在爆破荷載激勵(lì)下屬于多自由度有阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，且存在多階固有頻率，而巖體完整性系數(shù)相對(duì)較小的2號(hào)及4號(hào)測(cè)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)多振型特征就越明顯。從頻譜圖4可知，若將較為明顯的“突峰”都表示成一個(gè)優(yōu)勢(shì)頻率，信號(hào)2和信號(hào)4的個(gè)別優(yōu)勢(shì)頻率和主振頻率的幅值相差并不大，說明其頻率成分的復(fù)雜程度和主頻的多變性都較其他信號(hào)強(qiáng)。因此，在節(jié)理裂隙發(fā)育的2號(hào)及4號(hào)測(cè)點(diǎn)，其相對(duì)能量主要分布頻帶逐漸變寬，主振頻帶有往高頻帶發(fā)展的趨勢(shì)，這是由于實(shí)際地層裂隙發(fā)育巖體結(jié)構(gòu)的多振型對(duì)爆破地震波作用的響應(yīng)結(jié)果。

2.4 頻帶間信號(hào)能量的放大效應(yīng)分析

從小波變換分解得到的不同頻帶間信號(hào)的相對(duì)能量分布特征來(lái)看，發(fā)現(xiàn)所測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)的能量分布百分比在前3個(gè)頻帶均占90%以上，所以下面只對(duì)全頻帶及前3個(gè)頻帶間信號(hào)能量的放大效應(yīng)進(jìn)行分析，以爆破振動(dòng)信號(hào)1的能量值為參照，分析其他經(jīng)高程和節(jié)理裂隙等共同作用下的爆破振動(dòng)信號(hào)能量的放大系數(shù)變化。頻帶間信號(hào)能量放大系數(shù)變化趨勢(shì)，如圖9所示。

圖9 全頻帶及前3個(gè)頻帶間信號(hào)能量的放大系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.9 Amplification trend of signal energy between full band and the first 3 bands

結(jié)合圖8和圖9分析可知，在既定的坡形中，隨著高程的增加，爆破振動(dòng)信號(hào)的能量存在高程放大效應(yīng)，且在不同頻帶間的放大系數(shù)有一定的差異，是由于爆破地震波在邊坡巖體中傳播時(shí)，各頻帶間信號(hào)的相對(duì)能量分布特征發(fā)生了變化。信號(hào)5在0～16 Hz頻帶的能量放大效應(yīng)最為明顯，16～32 Hz頻帶次之，而在32～64 Hz頻帶的信號(hào)能量出現(xiàn)衰減，是因?yàn)殡S著高程的增加，爆破振動(dòng)信號(hào)的主振頻帶越來(lái)越趨向于低頻帶，高頻帶信號(hào)的相對(duì)能量分布較少。這說明，在露天礦爆破作業(yè)開挖時(shí)，爆破地震波在邊坡巖體傳播過程中，高頻部分逐漸衰減，致使邊坡巖體表面的爆破地震波能量主要聚集在低頻部分，這就給自振頻率小的邊坡帶來(lái)了極大失穩(wěn)破壞的可能性。而在邊坡巖體結(jié)構(gòu)不完整、節(jié)理裂隙發(fā)育情況下的信號(hào)2、信號(hào)4，雖然有著高程的增加，但其爆破振動(dòng)信號(hào)的能量損失較大，各頻帶的信號(hào)能量衰減明顯，但切向、垂向、徑向衰減程度不一樣。信號(hào)3、信號(hào)5同樣也經(jīng)過了巖體結(jié)構(gòu)不完整、節(jié)理裂隙發(fā)育的傳播路徑，信號(hào)3在切向上衰減最大，垂向弱之，徑向放大；信號(hào)5卻仍然表現(xiàn)出了顯著的能量放大效應(yīng)，切向最強(qiáng)，徑向次之，垂向最弱。分析表明，邊坡對(duì)爆破地震波的響應(yīng)是在節(jié)理裂隙、高程等眾多方面因素影響下呈現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果，其信號(hào)能量體現(xiàn)出的衰減及放大效應(yīng)，與各影響因素的占比有關(guān)，或者說是取決于結(jié)構(gòu)體本身，不同的結(jié)構(gòu)體對(duì)爆破地震波的選擇放大作用不同，相同的結(jié)構(gòu)體對(duì)不同傳播方向的爆破地震波的選擇放大作用也存有差異。

3 結(jié) 論

本文基于小波分析技術(shù)及分應(yīng)譜分析方法，根據(jù)實(shí)測(cè)永平露天礦邊坡爆破振動(dòng)信號(hào)分析其能量的分布特征，主要得到以下結(jié)論：

(1)隨著高程的增加，爆破地震波的頻率成分趨于簡(jiǎn)單化，主頻有往低頻發(fā)展的趨勢(shì)，而節(jié)理裂隙的存在，會(huì)使爆破地震波的頻率成分復(fù)雜化。

(2)爆破振動(dòng)信號(hào)的能量主要分布在0～64 Hz，各信號(hào)在不同方向上的主振頻帶有差異，水平方向的主振頻帶幾乎都比垂直方向的低一個(gè)頻帶；隨著高程的增加，爆破振動(dòng)信號(hào)能量主要分布頻帶逐漸變窄，主振頻帶趨向于低頻帶；巖體節(jié)理裂隙愈發(fā)育，其相對(duì)能量主要分布頻帶逐漸變寬，主振頻帶有往高頻帶發(fā)展的趨勢(shì)，這是由于實(shí)際地層裂隙發(fā)育巖體結(jié)構(gòu)的多振型對(duì)爆破地震波作用的響應(yīng)結(jié)果。

(3)在既定的坡形中，邊坡爆破地震波的爆破振動(dòng)速度與能量存在一定的高程放大效應(yīng)，頻帶間能量的放大系數(shù)存在差異，主要與不同高程的信號(hào)各頻帶間的相對(duì)能量分布特征變化有關(guān)。爆破振動(dòng)速度和能量放大倍數(shù)與節(jié)理裂隙、高程等影響因素的占比有關(guān)，或者說是取決于結(jié)構(gòu)體本身，不同的結(jié)構(gòu)體對(duì)爆破地震波的選擇放大作用不同，相同的結(jié)構(gòu)體對(duì)不同傳播方向的爆破地震波的選擇放大作用也存有差異。

致謝：本研究是由國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404111，51504102)、中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M562529XB)、江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ160643)、江西理工大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(3304000004)、江西理工大學(xué)清江青年英才支持計(jì)劃資助，在此表示感謝! 本文的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作得到江銅集團(tuán)永平銅礦領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)技術(shù)部、露天采場(chǎng)等部門的大力支持和幫助，在此向他們致以衷心的感謝!