礦山爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析的研究進(jìn)展綜述

張日強(qiáng)，閆大洋，曹 洋，王大坤

(1. 鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司，遼寧 鞍山 114000；2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 ，遼寧 鞍山 114000)

隨著爆破技術(shù)在的發(fā)展，爆破作業(yè)在礦山生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在帶來(lái)效益的同時(shí)也產(chǎn)生了許多安全問題，其中以爆破振動(dòng)效應(yīng)尤為突出。因此，眾多學(xué)者從爆破振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、監(jiān)測(cè)方法以及傳播途徑等方面著手，研究爆破振動(dòng)信號(hào)采集、處理、分析等方面，針對(duì)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)手段、振動(dòng)危害效應(yīng)以及振動(dòng)對(duì)周圍巖體等破碎的判別依據(jù)進(jìn)行了大量的研究工作，提出了眾多降低爆破振動(dòng)效應(yīng)的理論及方法。

1 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律

爆破振動(dòng)波特性及其傳播規(guī)律是爆破振動(dòng)效應(yīng)研究的前提和基礎(chǔ)。以往，爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的研究主要是從爆破振動(dòng)的幅值出發(fā)，關(guān)注質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，利用現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)量到的振動(dòng)波型，依回歸分析得到經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)爆破振動(dòng)的危害效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基結(jié)合量綱法分析，在大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了薩道夫斯基爆破衰減公式，廣泛應(yīng)用在爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的分析上[2]。呂濤[3]通過線性和非線性回歸分析的方法，分析了爆破振動(dòng)衰減公式，研究發(fā)現(xiàn)非線性回歸有著良好的精度，使用標(biāo)準(zhǔn)殘差平方的和作為上述約束條件，并在現(xiàn)場(chǎng)證明了其理論。陳冠和李啟月等[4]對(duì)山東某金礦廠進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用小波包分析，判斷出主振頻帶與爆心距有著一定的相關(guān)性，采用LS-DYNA軟件模擬驗(yàn)證了所提出觀點(diǎn)的有效性。郭連軍等[5]以多寶山銅礦為背景，通過對(duì)高寒地區(qū)爆破震動(dòng)衰減規(guī)律及其對(duì)邊坡的響應(yīng)特性的研究，得出在高寒地區(qū)爆破振動(dòng)衰減速率會(huì)降低，使得爆破振動(dòng)波對(duì)邊坡的作用時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致位移增大。

2 礦山爆破震動(dòng)信號(hào)分析

爆破振動(dòng)信號(hào)屬于典型的隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)，其分析方法與數(shù)字信號(hào)的分析方法緊密關(guān)聯(lián)。

2.1 傅里葉變換

郭學(xué)彬、林秀英[6]等運(yùn)用傅里葉變換分析了爆破參數(shù)的變化對(duì)爆破振動(dòng)頻域變化的規(guī)律。但是傅里葉變換在處理爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)不能將時(shí)域結(jié)合分析，不能全面的描述爆破振動(dòng)信號(hào)的特征。為了解決這一問題，Gabor[7]引入了短時(shí)傅里葉變換這一分析手段。馬瑞恒[8]等在對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)處理過程中使用了短時(shí)傅里葉變換手段對(duì)頻域和時(shí)域進(jìn)行分析。但是短時(shí)傅里葉變換隨著時(shí)間的增加，信號(hào)的穩(wěn)定性難以得到保證。

2.2 小波變換

小波分析和小波包在傅里葉變換不能滿足爆破振動(dòng)信號(hào)處理的階段發(fā)揮著重要作用。小波分析是時(shí)頻分析的有效工具，可以使爆破振動(dòng)信號(hào)的局部信息變得清晰。小波包本質(zhì)是在小波分析的基礎(chǔ)上對(duì)小波分析忽略的位置進(jìn)行高精度分析，因此在爆破振動(dòng)信號(hào)中有著良好的應(yīng)用。王偉、李興華等以小波包分解對(duì)各種爆破振動(dòng)信號(hào)分析，聯(lián)合信息熵理論，推導(dǎo)得到振動(dòng)信號(hào)的能量熵，并將能量熵作為信號(hào)的新特征量，反映不同爆破類型對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響，為爆破振動(dòng)信號(hào)特征的分析提供新思路。凌同華[9]針對(duì)小波分析存在的局限性，將小波構(gòu)造的方法進(jìn)行了改良，利用BWBV法，構(gòu)造出了MB4.2這個(gè)新的小波基，顯著提高小波分析在爆破振動(dòng)信號(hào)中的處理速度。

2.3 HHT信號(hào)分解方法

隨著信號(hào)分解方法的不斷進(jìn)步，更多先進(jìn)的分解方法被應(yīng)用在了爆破振動(dòng)信號(hào)分解領(lǐng)域。曹曉立等[10]以HHT方法對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究，從頻譜和能量的角度對(duì)邊坡的危害給出依據(jù)。李晨、梁書鋒等[11]采用改進(jìn)的集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法,對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)中存在的趨勢(shì)項(xiàng)干擾問題進(jìn)行處理。董英健[12]等利用變分非線性調(diào)頻模態(tài)分解方法對(duì)某礦山巖質(zhì)邊坡的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了研究，從能量的角度，得到了信號(hào)的特征信息。賈貝等采用VMD方法將低頻分量信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別分離，有效消除了爆破振動(dòng)信號(hào)的趨勢(shì)項(xiàng)。劉玉橋等[13]對(duì)礦山采集微震信號(hào)中混雜的噪聲，采用VMD聯(lián)合小波閾值的方法，降噪效果優(yōu)于EEMD和VMD，精準(zhǔn)有效地識(shí)別了巖體破裂信號(hào)和爆破振動(dòng)信號(hào)。

另外，有專家學(xué)者在爆破振動(dòng)信號(hào)分析領(lǐng)域引入了機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，溫廷新等[14]建立了IGA-ELM的爆破振動(dòng)特征參量預(yù)測(cè)方法，用較小誤差來(lái)判斷礦爆破振動(dòng)特征參數(shù)，且均方誤差、決定系數(shù)、仿真誤差明顯優(yōu)于其他模型。廖智勤等[15]采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解關(guān)聯(lián)維數(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)中SVM的特征提取及分類相結(jié)合的方法，在礦山微震信號(hào)分類領(lǐng)域，取得了很好的效果。岳中文等將PSO-LSSVM模型運(yùn)用在露天礦爆破振動(dòng)效應(yīng)預(yù)測(cè)方面，為爆破振動(dòng)效應(yīng)預(yù)測(cè)提供了一種新的思路。

2.4 不同爆破振動(dòng)信號(hào)分解方法的優(yōu)勢(shì)和局限性

現(xiàn)階段不同爆破振動(dòng)信號(hào)分解方法的特點(diǎn)和局限性如表1所示。

表1 不同爆破振動(dòng)信號(hào)分解方法對(duì)比

3 結(jié)論

本文對(duì)礦山爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)分析和總結(jié)，國(guó)內(nèi)外研究者們從多因素、多角度、多層面對(duì)常用的信號(hào)分解方法進(jìn)行對(duì)比，并加以優(yōu)化，引入到爆破振動(dòng)信號(hào)領(lǐng)域，已經(jīng)取得了一定的成果。然而，由于爆破振動(dòng)時(shí)頻分析方法的局限性以及爆破振動(dòng)信號(hào)本身的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性等缺陷，很難預(yù)測(cè)到在不同地質(zhì)條件下的信號(hào)傳播過程。因而爆破振動(dòng)效應(yīng)及控制危害仍有很長(zhǎng)的路要走，拓寬算法邊界結(jié)合人工智能的綜合性信號(hào)分析方法應(yīng)是未來(lái)礦山爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析發(fā)展的方向。