露天礦山爆破信號(hào)時(shí)頻特征提取與分析

王 陀，林夢(mèng)吟，曾藝婷，顧 城，秦 明，付曉強(qiáng)

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)能源需求量的增加，大型露天礦山剝離和開(kāi)采規(guī)模也越來(lái)越大，露天煤礦采用鉆爆法進(jìn)行土石方剝離過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)振是爆破最主要的潛在危害之一[1-3]。由于爆破導(dǎo)致近區(qū)的建筑物開(kāi)裂、邊坡滑移失穩(wěn)等工程現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)安全生產(chǎn)帶來(lái)很大威脅，對(duì)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)的研究已成為工程技術(shù)人員和科研工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。但現(xiàn)有爆破規(guī)范中并未考慮信號(hào)能量分布的影響，使得對(duì)安全標(biāo)準(zhǔn)的控制存在一定的盲目性。

本文利用山西某露天礦爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用短時(shí)傅里葉變換分析對(duì)不同高程處信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，獲得了信號(hào)能量在時(shí)頻平面上的分布特征。利用非線(xiàn)性回歸得到了信號(hào)能量衰減規(guī)律，說(shuō)明了能量分布對(duì)信號(hào)信息特征描述的重要意義，探討了將能量納入安全規(guī)范的必要性。

1 測(cè)點(diǎn)布置與信號(hào)采集

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

山西靈石某露天煤礦采用鉆爆法進(jìn)行土石方剝離，該礦區(qū)巖石以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，爆破區(qū)域邊界較為規(guī)整，共布置五排炮孔，采用潛孔鉆機(jī)鉆孔，使用多孔粒狀銨油炸藥和毫秒延期導(dǎo)爆管雷管起爆。此次爆破共一個(gè)臺(tái)階，起爆一次完成，其中一、二排炮孔深度為6 m,三、四排炮孔深度為8 m，第五排炮孔深10 m，孔徑均為120 mm，炮孔間距為6 m,排距為4 m。爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)為雙回路，孔內(nèi)采用MS9段，孔外排與排間采用MS3段毫秒導(dǎo)爆管雷管，炮孔非裝藥段使用鑿孔產(chǎn)生的巖粉封堵。爆破炮眼總數(shù)為140個(gè)，一、二排裝藥量為30 kg/孔，三、四排為50 kg/孔，第五排為70 kg/孔，單排單段最大裝藥量為1 960 kg，該次爆破共使用炸藥6.5 t。爆破區(qū)域炮孔布置和測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 爆區(qū)分布與測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

為了準(zhǔn)確把握和客觀評(píng)價(jià)大藥量爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，采用6臺(tái)爆破測(cè)振儀對(duì)起爆過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。測(cè)試選用四川拓普測(cè)控生產(chǎn)的UBOX-5016型測(cè)振儀，測(cè)試時(shí)設(shè)定測(cè)振儀采樣頻率10 kHz，采樣時(shí)長(zhǎng)2 s。測(cè)點(diǎn)沿縱深不同高度布置在臺(tái)階面上，多個(gè)測(cè)點(diǎn)沿線(xiàn)性布置。1#測(cè)點(diǎn)距起爆中心的水平距離為19 m，垂向距離為4 m；2#測(cè)點(diǎn)水平距離為42 m，垂向距離為20 m；3#測(cè)點(diǎn)水平距離為80 m，垂向距離為26m；4#測(cè)點(diǎn)水平距離為110 m，垂向距離為34 m；5#測(cè)點(diǎn)水平距離為160 m，垂向距離為57 m；6#測(cè)點(diǎn)水平距離為180 m，垂向距離為61 m。該露天礦開(kāi)挖臺(tái)階測(cè)點(diǎn)的具體布置和概況見(jiàn)圖 1（b）與圖 2（a）。

圖2 礦區(qū)概貌和測(cè)點(diǎn)布置

1.2 信號(hào)采集

UBOX-5016型測(cè)振儀可同時(shí)記錄水平徑向、切向和垂向三個(gè)正交方向的振動(dòng)信息[4-6]。測(cè)振探頭布置時(shí)，選擇平整的完整巖石，將巖面清理干凈后，采用拌至漿狀的細(xì)石膏粉將探頭粘結(jié)固定，同時(shí)做好儀器的防護(hù)工作，防止爆破飛石對(duì)儀器導(dǎo)線(xiàn)的破壞和采集信號(hào)的干擾，測(cè)試后及時(shí)將儀器回收并將信號(hào)傳輸至電腦儲(chǔ)存。

起爆后現(xiàn)場(chǎng)布置的6臺(tái)測(cè)振儀均準(zhǔn)確記錄到該次爆破所引起的不同爆心距處的振動(dòng)信息，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)三向振速主振頻率較為接近，振幅具有顯著差異，大體呈現(xiàn)豎直垂向＞水平徑向＞水平切向，因此選取垂向信號(hào)進(jìn)行分析更具代表性。各測(cè)點(diǎn)垂向信號(hào)時(shí)程曲線(xiàn)如圖3所示。

從圖中可知在爆破近區(qū)信號(hào)振動(dòng)幅值較大且在時(shí)間軸上聚集程度較高，隨著爆心距的增加，信號(hào)波動(dòng)特征更為清晰且幅值逐漸降低，信號(hào)中包含的高頻成分經(jīng)過(guò)巖土介質(zhì)的過(guò)濾作用大幅衰減。對(duì)測(cè)點(diǎn)水平和垂直距離進(jìn)行折算并提取各測(cè)點(diǎn)信號(hào)特征信息如表1所示。

圖3 各測(cè)點(diǎn)爆破波形曲線(xiàn)

從表1中可以看出該地質(zhì)條件下爆破振動(dòng)信號(hào)主頻位于0～30 Hz范圍內(nèi)，隨著高程和爆心距的增加，信號(hào)振幅降低且主振頻帶往低頻發(fā)展，各測(cè)點(diǎn)振速的波峰和波谷幅值較為接近，且峰值時(shí)刻出現(xiàn)在最大段裝藥量的第五排炮孔起爆時(shí)刻，證明了測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。

表1 各測(cè)點(diǎn)信息

2 STFT基本理論

為了準(zhǔn)確提取爆破信號(hào)中包含的時(shí)頻特征信息，這里采用短時(shí)傅里葉變換 （short-time fourier transform,STFT）對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。對(duì)于任一給定的信號(hào)x（u）∈L2其短時(shí)傅里葉變換可表述為：

式中，h(u-t)為選取的窗函數(shù)，t為時(shí)間平移參數(shù)；*表示卷積共軛運(yùn)算。通過(guò)窗函數(shù)可將信號(hào)截分為等長(zhǎng)或不等長(zhǎng)的多段子信號(hào)，截取到的信號(hào)可表示為：

式中，Xt為原始信號(hào)對(duì)應(yīng)固定t時(shí)間點(diǎn)區(qū)間的信號(hào)，X（τ）為執(zhí)行時(shí)間對(duì)應(yīng)τ的信號(hào)。對(duì)Xt作傅里葉變換，可獲得Xt的頻譜，其表達(dá)式為[7]

窗函數(shù)的中心位置調(diào)整可通過(guò)平移參數(shù)t的改變而實(shí)現(xiàn)，將不同時(shí)間間隔得到的頻譜進(jìn)行總和，便得到了信號(hào)的頻譜圖。

短時(shí)傅里葉變換譜可定義為信號(hào)短時(shí)傅里葉變換模值的平方，其頻譜能量關(guān)系可表示為

短時(shí)傅里葉變換可清晰展現(xiàn)信號(hào)在時(shí)域和頻域局部細(xì)節(jié)，從而揭示信號(hào)能量在時(shí)頻域的分布特征。

3 爆破信號(hào)STFT譜實(shí)現(xiàn)

爆破信號(hào)STFT譜求解時(shí)，窗函數(shù)選取對(duì)分析結(jié)果影響顯著，常用窗函數(shù)包括矩形窗、漢寧窗和高斯窗等[8-10]。這里選用漢寧窗作為窗函數(shù)，確定窗長(zhǎng)為32，步長(zhǎng)為64，求取各信號(hào)STFT能量譜如圖4所示。

圖4 不同爆心距STFT變換能量譜

不同爆心距處監(jiān)測(cè)爆破信號(hào)在時(shí)頻平面上的分布形態(tài)具有顯著差異，能量在主頻附近頻帶的聚集程度更高，說(shuō)明爆破能量主要集中在主頻段附近頻帶[11-12]。在爆破近區(qū)（＜20 m），信號(hào)在時(shí)頻平面聚集程度較高，主要聚集在0～0.4 s和0～300 Hz時(shí)頻范圍內(nèi)，能量幅值較高且峰值單一，具有爆破信號(hào)能量瞬態(tài)沖擊特征；在爆破中區(qū)（20～115 m），隨著爆心距的增大，信號(hào)能量在時(shí)頻空間的分布逐漸趨于均勻，主要聚集在0～0.6 s和0～200 Hz時(shí)頻范圍內(nèi)，在時(shí)間上的響應(yīng)范圍加大，邊坡巖體的高程效應(yīng)更多地體現(xiàn)在信號(hào)在時(shí)間軸上的響應(yīng)增強(qiáng)作用；在爆破遠(yuǎn)區(qū)（＞115 m），隨著爆心距的進(jìn)一步增大，信號(hào)能量出現(xiàn)多頻帶、多峰值的特點(diǎn)，能量主要聚集在0～0.7 s和0～150 Hz時(shí)頻范圍內(nèi)，頻率范圍逐漸縮小，能量分布更為廣泛且分布形態(tài)逐漸穩(wěn)定。

為了準(zhǔn)確獲取能量隨爆心距的衰減規(guī)律，借鑒薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，擬合得到能量衰減公式為

式中場(chǎng)地系數(shù)k=234.5,a=1.61,屬于中硬巖范疇。這與現(xiàn)場(chǎng)弱風(fēng)化石灰?guī)r（普式系數(shù)f=6～8）條件相一致。公式(5)說(shuō)明露天臺(tái)階爆破能量隨爆心距的變化呈指數(shù)衰減，且在爆破近區(qū)能量衰減較遠(yuǎn)區(qū)更為明顯。說(shuō)明要加強(qiáng)爆破近區(qū)的振動(dòng)控制，測(cè)試時(shí)也應(yīng)縮小近區(qū)測(cè)點(diǎn)間距，從而科學(xué)了解振動(dòng)衰減特征，有效控制振動(dòng)災(zāi)害。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于大藥量露天土石方剝離時(shí)，采用孔內(nèi)高段別MS9段，排間低段別MS3段毫秒微差雷管爆破網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用收到了良好的效果，適合在類(lèi)似工程中推廣應(yīng)用。

（2）露天臺(tái)階爆破的高程效應(yīng)更多地體現(xiàn)在增加對(duì)爆破振動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和降低振動(dòng)主頻兩方面，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過(guò)程中，除考慮振動(dòng)幅值的變化外，應(yīng)結(jié)合信號(hào)時(shí)頻能量譜，關(guān)注不同臺(tái)階高度處振動(dòng)主頻和持續(xù)時(shí)間差異，綜合考慮三參量的變化從而達(dá)到調(diào)整裝藥參數(shù)和優(yōu)化爆破網(wǎng)絡(luò)的目的。

（3）該場(chǎng)地條件下，露天臺(tái)階爆破能量隨爆心距的變化呈指數(shù)衰減，且在爆破近區(qū)能量衰減較遠(yuǎn)區(qū)更為明顯，隨著爆心距的增大，信號(hào)能量譜在爆破遠(yuǎn)區(qū)呈現(xiàn)多頻帶、多峰值的特征。在爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，應(yīng)將能量特征作為安全控制標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)，從而更準(zhǔn)確描述爆破振動(dòng)的損傷效應(yīng)。