基于HHT 的高陡邊坡爆破振動(dòng)規(guī)律研究

王 旭

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100176）

隨著露天開采深度的增加，確保高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定安全便成為露天開采生產(chǎn)過(guò)程中尤為重要的任務(wù)之一[1-2]，而且露天礦山邊坡在開挖生產(chǎn)過(guò)程中不斷受到爆破動(dòng)載荷的侵?jǐn)_，爆破動(dòng)載荷對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性造成了一定的影響[3-4]。因此，研究高陡邊坡爆破振動(dòng)規(guī)律對(duì)于保證礦山安全生產(chǎn)以及邊坡穩(wěn)定具有重大意義。迄今為止，我國(guó)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)爆破動(dòng)載荷作用下的邊坡穩(wěn)定性以及爆破振動(dòng)信號(hào)做了大量的研究。周子涵等[5]通過(guò)建立爆破動(dòng)荷載作用下的露天邊坡失穩(wěn)尖點(diǎn)突變模型，開展了爆破振動(dòng)振幅與頻率對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性影響研究，確定了邊坡失穩(wěn)判據(jù)與自穩(wěn)高度，對(duì)保證降低爆破開挖對(duì)邊坡巖體的破壞影響起到了指導(dǎo)作用；王文才等[6]針對(duì)高村露天鐵礦開挖生產(chǎn)過(guò)程中存在的邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題，進(jìn)行了爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理，針對(duì)性地提出了高村露天礦有失穩(wěn)傾向的邊坡爆破振動(dòng)波傳播公式；尹久清[7]以云南小龍?zhí)恫颊訅温短斓V為背景，對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析處理，提出了爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)計(jì)算公式，明確了邊坡安全允許振速；張耿城等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值試驗(yàn)，分析了爆破振動(dòng)規(guī)律與邊坡受爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，測(cè)點(diǎn)的垂向速度遠(yuǎn)高于水平方向，研究得出爆破振動(dòng)強(qiáng)度與正高程成正相關(guān)；李祥龍等[9]以金沙礦業(yè)官房礦區(qū)402 礦段為背景，通過(guò)采用EMD－HHT 和小波理論研究了地下淺孔爆破振動(dòng)規(guī)律，爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布呈正態(tài)分布，且最大瞬時(shí)能量與最大單響藥量呈正比關(guān)系；張其虎等[10]為解決金沙礦業(yè)官房礦部分區(qū)段在進(jìn)行爆破過(guò)程中振動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題，采用EMD－HHT 研究了振動(dòng)信號(hào)頻率、振幅以及能量分布等爆破振動(dòng)特征與規(guī)律?；诖?，以某露天礦高陡巖質(zhì)邊坡實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)信號(hào)為工程背景，基于HHT 方法對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的能量分布以及傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 工程概況

研究區(qū)露天礦高陡巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，形成了各種缺陷，邊坡內(nèi)部節(jié)理發(fā)育。邊坡巖體主要由泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、凝灰?guī)r等組成，邊坡較穩(wěn)定，屬于Ⅱ類巖體邊坡。邊坡由5 級(jí)臺(tái)階組成，總體高度為42 m，坡度大于60°，臺(tái)階自上往下高度依次為5、7、9、10、11 m?，F(xiàn)場(chǎng)爆破主要采用乳化炸藥，起爆方式為電雷管延時(shí)逐孔起爆。邊坡現(xiàn)場(chǎng)如圖1。

圖1 邊坡現(xiàn)場(chǎng)

2 爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)采用TC－4850 爆破測(cè)振儀為爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備，TC－4850 爆破測(cè)振儀是由成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕、耐壓抗擊等優(yōu)點(diǎn)。爆破測(cè)振儀在爆破進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置時(shí)遵循以下基本原則：①選取測(cè)點(diǎn)位置具有良好的邊坡代表性；②測(cè)振儀確保安裝在加速度計(jì)鉆孔口的基巖上；③提前處理測(cè)點(diǎn)（通過(guò)石膏對(duì)鉆孔進(jìn)行凝固處理）；④各個(gè)爆破測(cè)振儀測(cè)點(diǎn)的巖體物理力學(xué)性質(zhì)要大致統(tǒng)一；⑤測(cè)振儀要杜絕安裝在褶皺及斷裂帶處；⑥各個(gè)測(cè)振儀都應(yīng)布置在地質(zhì)構(gòu)造特征相似的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，本次監(jiān)測(cè)運(yùn)用了6 臺(tái)TC－4850 測(cè)振儀對(duì)該礦多次爆破進(jìn)行爆破監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在臨近爆區(qū)的基巖上。

為更好的分析爆破振動(dòng)規(guī)律，每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置都安裝3 個(gè)方向（垂向、徑向和切向）的振動(dòng)速度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)的三向振動(dòng)值。采用此方案連續(xù)測(cè)試4 d，且每天都根據(jù)同一測(cè)點(diǎn)不同傳感器型號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄。三向爆破振動(dòng)波形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2。

圖2 三向爆破振動(dòng)波形監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 基于HHT 的爆破振動(dòng)信號(hào)分析

希爾伯特－黃變換（HHT 法）是一種被認(rèn)為是處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的數(shù)據(jù)分析方法。HHT 的理論基礎(chǔ)源于Hilbert 變換，它由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（EMD）和希爾伯特（Hilbert）變換2 部分組成：首先根據(jù)EMD 得到有限數(shù)目的固有模態(tài)函數(shù)（IMF），然后應(yīng)用Hilbert 變換和瞬時(shí)頻率方法獲得信號(hào)的Hilbert 譜，進(jìn)而獲得反映信號(hào)特性的邊際譜和瞬時(shí)頻率，即信號(hào)能量在空間（或時(shí)間）不同尺度上的分布變化規(guī)律。

3.1 爆破振動(dòng)信號(hào)的EMD 分解

首先對(duì)已經(jīng)收集好的原始信號(hào)進(jìn)行處理，得到原始信號(hào)的各個(gè)極值點(diǎn)。接著通過(guò)運(yùn)用3 次樣條函數(shù)統(tǒng)一對(duì)每個(gè)極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)進(jìn)行插值擬合，從而得到原始信號(hào)的上包絡(luò)線和下包絡(luò)線，其中上、下2 條包絡(luò)線可包含全部信號(hào)數(shù)據(jù)。然后依次將上、下包絡(luò)線的平均值連接便可得到均值曲線。最后再用原始信號(hào)曲線減掉均值曲線得到1 個(gè)新的信號(hào)曲線。對(duì)于不一樣的信號(hào)，該信號(hào)可能是1 個(gè)IMF 信號(hào)分量，也可能不是；如果這個(gè)信號(hào)未能達(dá)到IMF所必備的要求，便可將這個(gè)信號(hào)當(dāng)作原始信號(hào)，重新進(jìn)行以上操作，直到找到IMF 信號(hào)分量。

基于EMD 原理和Matlab2009b 語(yǔ)言平臺(tái)，運(yùn)用EMD 程序?qū)C－4850 監(jiān)測(cè)到的原始信號(hào)進(jìn)行處理，從3 個(gè)不同方向（徑向、切向、垂向）對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行EMD 分解，三向振動(dòng)信號(hào)EMD 分解圖略，從圖中可以明顯看出EMD 分解出的IMF 信號(hào)分量都有清晰的物理意義。

由EMD 分解圖可知，三向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解處理后，共計(jì)得到10 個(gè)IMF 分量信號(hào)。通過(guò)對(duì)各方向分量信號(hào)做頻譜研究，能夠得到IMF 分量信號(hào)的頻率信息。IMF1 分量頻率最高，所占能量非常小，表明它是在監(jiān)測(cè)中引入的高頻噪聲，需在分析中去噪。IMF2 分量頻率較高，IMF3 分量～I(xiàn)MF9 分量頻率慢慢減小，說(shuō)明地震波在快速傳播的過(guò)程中高頻顯著降低。分量IMF2 分量～I(xiàn)MF5 分量振幅逐步增加，且包含了信號(hào)的大部分能量，說(shuō)明建（構(gòu)）筑物受到震動(dòng)的影響逐漸加大，IMF5 分量～I(xiàn)MF9 分量震幅逐漸減小，說(shuō)明建（構(gòu)）筑物受到爆破震動(dòng)最大能量后影響逐漸減小。最后的余量IMF10 表明監(jiān)測(cè)儀器的漂零或信號(hào)微弱的變化趨勢(shì)。振動(dòng)信號(hào)在徑向、切向、垂向方面經(jīng)EMD 分解后得到的IMF 分量有著一致性。

3.2 Hilbert 譜分析

通過(guò)將EMD 方法分解后得到多個(gè)IMF 的信號(hào)組合進(jìn)行Hilbert 變換，可得到每個(gè)IMF 分量的瞬時(shí)頻譜，由它變換得到的瞬時(shí)頻率頻譜具有明顯的物理意義。

在實(shí)際爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)儀器記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)不是單一的爆破信號(hào)，信號(hào)中摻雜了檢測(cè)點(diǎn)周圍環(huán)境影響信號(hào)。單一的爆破振動(dòng)信號(hào)的頻率為0～150 Hz，而建筑的固有頻率在0～20Hz。從圖3 可以看出，IMF1 分量為明顯的干擾頻率或噪聲，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行Hilbert 譜分析時(shí)要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、消噪等處理，更好的反映爆破振動(dòng)信號(hào)的真實(shí)內(nèi)容。所謂的消噪處理是指通過(guò)分離噪聲和信號(hào)的時(shí)頻譜區(qū)域，采用適當(dāng)?shù)臑V波方法將噪聲從信號(hào)中清除或減弱，從而得到較高的信噪比和獲取更有用的信息，進(jìn)而使各IMF 分量經(jīng)Hilbert 變換后的頻譜圖更好地反映爆破震動(dòng)的情況，使Hilbert 譜也有更有意義。

1）瞬時(shí)能量譜。瞬時(shí)能量譜是由EMD 分解處理后求得的IMF 各分量經(jīng)Hilbert 變換后求得。瞬時(shí)能量譜清晰地顯示了振動(dòng)信號(hào)的能量與時(shí)間的關(guān)系。Hilbert 瞬時(shí)能量譜如圖3。從圖3 中可以看出波形的最高值表示為瞬時(shí)能量的極值，其波形范圍集中在0.2～1.0 s 區(qū)域內(nèi)。瞬時(shí)能量的物理意義為爆破的最大荷載值，瞬時(shí)能量的大小與爆破荷載的大小呈正相關(guān)。

圖3 Hilbert 瞬時(shí)能量譜

2）Hilbert 能量譜。Hilbert 能量譜是由瞬時(shí)能量譜經(jīng)過(guò)分析處理后得到，即對(duì)振動(dòng)信號(hào)振幅先平方后再進(jìn)行時(shí)間積分。Hilbert 能量譜可以準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的能量，它所涵蓋的物理意義是在全部時(shí)間段內(nèi)各個(gè)頻率積累的所有能量。Hilbert 能量譜如圖4。由圖4 可知，爆破振動(dòng)能量分布范圍為0～100 Hz，且大部分能量集中于50 Hz 以下的低頻段區(qū)；而強(qiáng)度高于50 Hz 以上的頻段，其爆破振動(dòng)能量分量很少。

圖4 Hilbert 能量譜

3）Hilbert 邊際譜。能量邊際譜通過(guò)將能量譜在時(shí)間域內(nèi)積分便可求得。能量邊際譜表示的是振動(dòng)信號(hào)的能量隨頻率增加的變化情況。求得的Hilbert邊際譜如圖5。由圖5 可知，Hilbert 邊際譜清楚地表明了爆破震動(dòng)以低頻為主，其主震頻帶在0～15 Hz范圍內(nèi)。

圖5 Hilbert 邊際譜

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某露天礦高陡邊坡開挖過(guò)程中所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，采用HHT 方法對(duì)高陡邊坡振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，研究了IMF 分量、Hilbert 瞬時(shí)能量譜、能量譜、邊際譜，得出邊坡爆破振動(dòng)以低頻為主，能量強(qiáng)度分布范圍為0～100 Hz，且大部分能量集中于50 Hz 以下的低頻段區(qū)；而強(qiáng)度高于50 Hz 以上的高頻段區(qū)瞬時(shí)能量散布分量很少。