巖巷掘進(jìn)中電子雷管爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分析

孟 彪 殷浩杰 陳 輝,4 佟曉勇

(1.新疆雪峰科技(集團(tuán))股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆雪峰爆破工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000;3.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000;4.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410083;5.新疆地質(zhì)工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)

伴隨著我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,工程爆破在隧道建設(shè)、礦山開(kāi)采、城市拆除中的應(yīng)用日益增多,與此同時(shí)爆破引起的安全隱患問(wèn)題也頻頻出現(xiàn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況以及被保護(hù)對(duì)象的不同,其破壞機(jī)理與所采取的控制措施往往有較大區(qū)別[1-5]。對(duì)此,廣大學(xué)者開(kāi)展了大量研究,趙柯等[6]基于量綱理論,以埋地燃?xì)夤艿罏槔?分析了影響其振動(dòng)速度的物理量,并推導(dǎo)出了能夠反映管道尺寸效應(yīng)的振動(dòng)速度預(yù)測(cè)公式。朱斌等[7]以隧道支護(hù)中的砂漿錨桿作為研究對(duì)象,利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件,對(duì)不同圍巖級(jí)別和支護(hù)條件下砂漿錨桿的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了研究,研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)工作具有重要意義。楊茂森等[8]以露天煤礦超高臺(tái)階為研究對(duì)象,探究了其爆破振動(dòng)主頻和持續(xù)時(shí)間的特點(diǎn),并對(duì)臺(tái)階周圍建(構(gòu))筑物進(jìn)行了振動(dòng)安全評(píng)估,極大保證了現(xiàn)場(chǎng)施工安全。呂虎波等[9]以下穿高速公路輸水隧洞為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法,研究了上覆高速公路路面振動(dòng)響應(yīng)特征及衰減規(guī)律?？傮w上,現(xiàn)有研究?jī)A向于露天礦山、地下礦山或鐵路、公路隧道等案例,被保護(hù)對(duì)象根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況多有不同,對(duì)于掛幫礦這種露天轉(zhuǎn)地下的特殊開(kāi)采形式,對(duì)其振動(dòng)規(guī)律的研究有待深入。掛幫礦露天開(kāi)采部分的進(jìn)行已經(jīng)對(duì)邊坡造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng),進(jìn)而通過(guò)平硐轉(zhuǎn)入山體內(nèi)進(jìn)行空?qǐng)鲩_(kāi)采,伴隨著山體內(nèi)爆破活動(dòng)的進(jìn)行,必然會(huì)對(duì)薄弱的邊坡及巷道造成嚴(yán)重?fù)p害,使其存在諸多安全隱患。因此研究掛幫礦的邊坡及巷道在爆破振動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)特征,對(duì)于確?，F(xiàn)場(chǎng)施工安全具有重要意義。

對(duì)于爆破振動(dòng)信號(hào),國(guó)內(nèi)外研究人員在振動(dòng)波的傳播衰減規(guī)律[10]、振動(dòng)波的時(shí)頻能量分布特征[11-13]、減振方法和振動(dòng)波的損傷機(jī)理[14-17]等方面展開(kāi)了深入研究。主要研究方法為:運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA等數(shù)值模擬軟件建立相似模型、運(yùn)用薩道夫斯基公式和線性回歸方程建立振動(dòng)速度衰減模型、運(yùn)用小波理論和傅里葉變換進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析等。其中在振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析中,應(yīng)用較為廣泛的為傅里葉變換法和小波分析法,但這兩種方法仍存在著不同的局限性,傅里葉變換法不能在實(shí)質(zhì)上分析非線性非平穩(wěn)信號(hào),小波分析法在小波基底的選擇上受主觀因素影響很大。而HHT作為一種新興的信號(hào)分析方法,具有高度的自適應(yīng)性,能夠有效克服上述不足,并且能夠更加直觀地反映振動(dòng)波在時(shí)間—頻率—能量上的分布特性。本研究運(yùn)用HHT法對(duì)備戰(zhàn)鐵礦巖巷掘進(jìn)時(shí)的實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,將振動(dòng)波傳播過(guò)程中的時(shí)間、頻率和能量三要素相結(jié)合,分析電子雷管應(yīng)用于工程爆破中的特點(diǎn),對(duì)電子雷管的推廣使用、爆破參數(shù)優(yōu)化、減小振動(dòng)危害、明確振動(dòng)波的傳播機(jī)理等具有重要意義。

1 Hilbert-Huang變換法理論分析

1.1 EMD分解

HUANG等[18]認(rèn)為,振動(dòng)發(fā)生后,存在著一些具有非正弦函數(shù)特征的IMF分量,他們共同組成了包括沖擊信號(hào)在內(nèi)的任何復(fù)雜信號(hào),并且這些IMF分量通常較為簡(jiǎn)單。通過(guò)EMD分解可實(shí)現(xiàn)對(duì)這些IMF分量的提取,其中EMD分解以最終分解得到的殘余分量作為結(jié)束標(biāo)志,其算法表達(dá)式為

式中,c1(t)、c2(t)、c3(t),…,cn(t)依次表示原始信號(hào)在不同頻段的成分,共同組成了原始振動(dòng)信號(hào),且他們的頻率呈下降趨勢(shì),這些小頻段的頻帶范圍并不是固定的,證明了EMD分解具有自適應(yīng)的特性;rn(t)為計(jì)算最終得到的余量;n為算式最終循環(huán)篩選次數(shù)。

1.2 Hilbert變換

對(duì)分解得到的各IMF分量進(jìn)行Hilbert變換,得到各分量對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率,對(duì)所有的瞬時(shí)頻譜進(jìn)行綜合后可得Hilbert譜[19]。計(jì)算步驟如下:

對(duì)所有分量進(jìn)行Hilbert變換,公式為

該公式表示將函數(shù)c(t')與1/(πt)做卷積運(yùn)算,式中,c(t')表示某一實(shí)值函數(shù);t'為實(shí)值函數(shù)變量;PV為柯西主值,對(duì)此構(gòu)造解析信號(hào)z(t):

式中,j為解析常數(shù);a(t)為幅值函數(shù);Φ(t)為相位函數(shù),公式分別為

式中,c(t)為信號(hào)x(t)的IMF分量。

2 爆破施工方案與爆破參數(shù)

2.1 礦山概況

備戰(zhàn)鐵礦礦區(qū)位于和靜縣城327°方向160 km處,與和靜縣巴侖臺(tái)鎮(zhèn)路距130 km,直線距離84 km。該礦露天開(kāi)采部分已經(jīng)完成,現(xiàn)轉(zhuǎn)為掛幫開(kāi)采,且掛幫開(kāi)采部分已由空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)底柱分段崩落法。2019年8月,3 476 m中段中已回采結(jié)束的采場(chǎng)中,預(yù)留的間柱和頂柱發(fā)生垮塌,出現(xiàn)頂板(3 536 m水平)與露天邊坡垮塌貫通,并導(dǎo)致3 572 m露天邊坡發(fā)生局部垮塌。礦柱及邊坡的不穩(wěn)定因素大大增加了爆破施工的難度。因此開(kāi)展對(duì)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的研究,有效控制爆破振動(dòng),對(duì)于礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。

2.2 爆破方案與爆破參數(shù)

測(cè)試期間工作面采用雙楔形掏槽,第1圈掏槽眼平均孔深1.14 m,第2圈掏槽眼平均孔深2.07 m,輔助眼、周邊眼孔深均為2.2～2.3 m,炮孔直徑均為40 mm。

自2021年9月27日起,在該礦山進(jìn)行了多次測(cè)振工作,本次分析選用9月28日某一出礦進(jìn)路運(yùn)用電子雷管進(jìn)行掘進(jìn)爆破作業(yè)時(shí)的測(cè)振數(shù)據(jù)。此次爆破所用炸藥為乳化炸藥,藥卷參數(shù)為Φ32 mm×320 mm×300 g(直徑×長(zhǎng)度×質(zhì)量),電子雷管段間延期間隔設(shè)置為150 ms。炮孔連線如圖1所示。一次循環(huán)爆破炮孔數(shù)目50個(gè)(其中,一圈掏槽眼4個(gè),二圈掏槽眼10個(gè),輔助眼17個(gè),周邊眼19個(gè)),一次循環(huán)爆破消耗總藥量66 kg,全斷面一次起爆,最大單段起爆藥量16.2 kg,循環(huán)進(jìn)尺2.1m左右。圖1中,電子雷管采用段間延期共7段,段間延時(shí)間隔均為150 ms,圖例中標(biāo)號(hào)為對(duì)應(yīng)段數(shù),爆破順序按圖例從左往右,從上到下依次爆破。

圖1 爆破參數(shù)統(tǒng)計(jì)示意Fig.1 Schematic of blasting parameters statistics

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

本研究測(cè)試采用四川拓普公司生產(chǎn)的iSensor系列三通道智能傳感器,該型傳感器精度符合國(guó)家A級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分辨率為16 bit,數(shù)據(jù)采集精度高,基本不會(huì)對(duì)分析結(jié)果造成影響。儀器采集參數(shù)設(shè)置:連續(xù)采集模式,負(fù)延時(shí)長(zhǎng)度256 ms,采集時(shí)長(zhǎng)10 s,采集段數(shù)設(shè)置為65 535段,為最大采集段數(shù),通道量程40 g,儀器固定內(nèi)置采樣率為4 000 Hz,設(shè)置出窗內(nèi)觸發(fā),自動(dòng)觸發(fā)電平,運(yùn)用離線采集模式。共選用6臺(tái)測(cè)振儀器,所設(shè)采集參數(shù)均相同,待離線采集結(jié)束后連接終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。

本研究采用直線布孔的方法,沿巷道底板中心線布設(shè)(圖2),第1監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離掌子面35 m,相鄰測(cè)點(diǎn)傳感器間隔5 m,根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地的條件決定安設(shè)儀器的臺(tái)數(shù),每次監(jiān)測(cè)不少于3臺(tái),不多于6臺(tái),傳感器X軸指向爆心。

圖2 3464-4號(hào)進(jìn)路測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Survey point arrangement of No.3 464-4 roadway

3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及初步分析

本研究共進(jìn)行了4次爆破測(cè)振,4次均為出礦進(jìn)路的掘進(jìn)爆破,具體測(cè)振結(jié)果見(jiàn)表1,典型的電子雷管振動(dòng)速度—時(shí)程曲線如圖3所示。

表1 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Table 1 Blasting vibration test results

圖3 電子雷管振動(dòng)速度—時(shí)程曲線Fig.3 Vibration velocity-time history curves of electronic detonator

由表1可知:通過(guò)計(jì)算X、Y、Z各方向峰值振動(dòng)速度均值,3個(gè)方向中水平徑向較其他兩向大,垂直方向次之,水平切向的振動(dòng)速度峰值均值最小,其次,在幾次測(cè)振試驗(yàn)中,各測(cè)點(diǎn)X軸方向峰值振動(dòng)速度較其他兩向呈現(xiàn)較為明顯的規(guī)律性,即隨著測(cè)點(diǎn)距離增加,峰值振動(dòng)速度大體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。因此,進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),可參照爆破振動(dòng)安全判據(jù)中的安全允許振動(dòng)速度,以水平徑向峰值振動(dòng)速度為基準(zhǔn)進(jìn)行。由于此次掘進(jìn)爆破使用了7段電子雷管,故波形圖(圖3)呈現(xiàn)出了峰值明顯不同的7個(gè)波峰,且各波峰之間邊界清晰,表示各段間并沒(méi)有振動(dòng)疊加現(xiàn)象的出現(xiàn);第2、3、5、7段爆破產(chǎn)生了較大的振動(dòng),第1、4、6段振動(dòng)較小,振幅最大值出現(xiàn)在第2段和第5段。

4 基于HHT法的信號(hào)處理與分析

4.1 信號(hào)小波軟閾值法去噪

小波分析能夠進(jìn)行時(shí)頻局部化分析,且進(jìn)行濾波時(shí)具有小波基可靈活選擇的特點(diǎn)。小波軟閾值法消噪與小波強(qiáng)制消噪、默認(rèn)閾值法消噪不同,設(shè)定軟閾值去噪時(shí),不容易丟失原始信號(hào)的有用成分,使消噪結(jié)果更具有可信度。本研究采用小波軟閾值法消噪,選用“db5”小波基進(jìn)行5層分解,并提取小波分解系數(shù),給定消噪軟閾值,依次處理其中超出經(jīng)驗(yàn)設(shè)定閾值的系數(shù),以達(dá)到消噪的目的,最后通過(guò)小波逆變換,重構(gòu)去噪后的信號(hào)。消噪前后的信號(hào)對(duì)比如圖4所示。

圖4 信號(hào)去噪前后對(duì)比Fig.4 Comparison of signal before and after denoising

4.2 延期時(shí)間識(shí)別及延期方法比較

通過(guò)EMD法和瞬時(shí)能量法分別對(duì)電子雷管的實(shí)際延期時(shí)間進(jìn)行了識(shí)別,并對(duì)兩種方法的延期識(shí)別精度進(jìn)行了比較。EMD法與瞬時(shí)能量法目標(biāo)識(shí)別對(duì)象上有較大不同,瞬時(shí)能量法的分析對(duì)象為原始信號(hào)整體,而EMD法的分析對(duì)象為能夠最大程度代表原始信號(hào)的分量,即某個(gè)IMF主分量?？梢?jiàn),EMD法精確了識(shí)別對(duì)象,減少了原始信號(hào)中的干擾部分,在對(duì)雷管段數(shù)識(shí)別中具有突出優(yōu)點(diǎn)。但該方法由于在分解過(guò)程中,各IMF分量之間容易出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象,在延期時(shí)間識(shí)別精度方面有待進(jìn)一步提升。

通過(guò)EMD法分解得到的IMF1信號(hào)包絡(luò)圖如圖5所示,原始信號(hào)的瞬時(shí)能量圖如圖6所示。整體來(lái)看,圖5、圖6均展示7個(gè)幅值大小不同的主要波峰,與此次爆破所選用的7段電子雷管相對(duì)應(yīng)。通過(guò)Matlab軟件標(biāo)點(diǎn),顯示圖5中各波峰對(duì)應(yīng)時(shí)刻分別為0.533 0、0.671 8、0.822 7、0.968 8、1.121 0、1.293 0、1.425 0 s,對(duì)應(yīng)的延時(shí)間隔分別為0.138 8、0.150 9、0.146 1、0.152 2、0.172 0、0.132 0 s。 圖6所示瞬時(shí)能量法識(shí)別的各波峰對(duì)應(yīng)時(shí)刻分別為0.495 0、0.676 5、0.827 5、0.986 0、1.119 0、1.270 0、1.409 0 s,對(duì)應(yīng)延時(shí)間隔為 0.181 5、0.151 0、0.158 5、0.133 0、0.151 0、0.139 0 s,通過(guò)圖譜顯示EMD法和瞬時(shí)能量法對(duì)7段雷管均能準(zhǔn)確識(shí)別,段數(shù)識(shí)別率為100%。在延期時(shí)間識(shí)別精度方面,根據(jù)本次使用的電子雷管段間延期均為150 ms計(jì)算,EMD法識(shí)別的延期時(shí)間最大正誤差為+22 ms,最大負(fù)誤差為-18 ms。瞬時(shí)能量法識(shí)別的延期時(shí)間最大正誤差為+31.5 ms,最大負(fù)誤差為-17 ms,識(shí)別誤差較大。此次使用的是新疆雪峰科技生產(chǎn)的數(shù)碼電子雷管,滿足延期150 ms內(nèi)誤差小于1.5 ms的精度要求,且使用的是iSensor系列三軸智能測(cè)振儀,測(cè)試精度滿足國(guó)家A級(jí)標(biāo)準(zhǔn),以上兩種因素基本不會(huì)對(duì)分析結(jié)果造成影響。

圖5 分量1信號(hào)包絡(luò)圖Fig.5 Envelope diagram for component 1 signal

初步分析,造成EMD法延期識(shí)別出現(xiàn)誤差的原因?yàn)?EMD分解得到的IMF分量受到外界因素干擾,出現(xiàn)了模態(tài)混疊現(xiàn)象,使得識(shí)別的包絡(luò)圖譜出現(xiàn)多余波峰。因此實(shí)際運(yùn)用時(shí),需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體設(shè)置的延期時(shí)間,對(duì)應(yīng)包絡(luò)圖譜中最接近的波峰進(jìn)行識(shí)別,以此提高識(shí)別精度。圖5中在每段最高波峰附近,約20 ms各段均出現(xiàn)了臨近波峰,且幅值除了第5段外差距都很小,結(jié)合爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)置的延期時(shí)間,在幅值相差不大的前提下,選擇合適的波峰,識(shí)別到的波峰時(shí)刻分別為0.514 2、0.671 8、0.822 7、0.968 8、1.121 0、1.274 0、1.425 0 s,延時(shí)間隔分別為0.157 6、0.150 9、0.146 1、0.152 2、0.153 0、0.151 0 s,計(jì)算得到識(shí)別的最大正誤差為+7.6 ms,最大負(fù)誤差為-3.9 ms。經(jīng)計(jì)算,EMD法延期時(shí)間識(shí)別精度為95.2%,較瞬時(shí)能量法82.6%的識(shí)別精度已有很大的提高。初步分析,若能夠?qū)MD法進(jìn)行優(yōu)化,使其能夠進(jìn)行完全正交分解,可在很大程度上消除EMD分解過(guò)程中的模態(tài)混疊現(xiàn)象,分析經(jīng)過(guò)完全正交分解后,EMD法的延期識(shí)別精度將大大提高。

5 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量譜分析

5.1 信號(hào)EMD分解與分析

振動(dòng)信號(hào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后,各IMF分量的能量分布如圖7所示。因EMD分解是將原始信號(hào)從高頻到低頻逐層分解,故得到一組振動(dòng)幅度逐漸減小、頻率逐漸降低的IMF分量,其中IMF10為信號(hào)殘余分量。結(jié)合圖7分析可知:IMF1分量振動(dòng)幅度最大,且波形特征與原始信號(hào)最為接近,從振幅和所含的能量上看,IMF1～I(xiàn)MF3為信號(hào)的主要成分,其余分量隨著分解頻率逐漸降低,所含能量逐漸減少,振幅逐漸降低,波形曲線拉長(zhǎng),逐漸失去了原始信號(hào)的特征,為信號(hào)的次要部分和低頻成分,IMF10作為信號(hào)的殘余分量一般予以忽略。由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果可知:主要分量IMF1的優(yōu)勢(shì)頻率為120～170 Hz,IMF2的優(yōu)勢(shì)頻率為50～100 Hz,IMF3的優(yōu)勢(shì)頻率為20～50 Hz,這3個(gè)主要分量在更大的頻帶范圍內(nèi)也有較多能量分布,其余次要分量主要是信號(hào)的低頻成分,頻率一般小于40 Hz。

圖7 去噪后各分量能量分布Fig.7 Energy distribution of each component after denoising

5.2 三維Hilebert譜分析

Hilibert變換在一定程度上剔除了原始的噪聲部分,進(jìn)一步地,在剔除EMD分解得到的殘余分量后,將其余所有的IMF分量進(jìn)行Hilbert變換,可得到三維Hilbert譜。該圖譜能夠清晰地反映時(shí)間—頻率—能量三者之間的分布特征。

爆破振動(dòng)信號(hào)三維Hilbert譜如圖8所示,可見(jiàn)振動(dòng)信號(hào)的大部分能量分布于0～200 Hz,大于 200 Hz的頻帶內(nèi)含有的能量很少,這與幾個(gè)IMF主分量的主頻帶范圍基本一致。觀察爆破振動(dòng)信號(hào)的三維Hilbert譜可以看出,時(shí)間—能量平面內(nèi)出現(xiàn)了7個(gè)邊界清晰的能量峰值,各峰值所在的時(shí)間點(diǎn)與瞬時(shí)能量譜所識(shí)別的各段雷管爆破的時(shí)間點(diǎn)一致。在第5段爆破,即1.121 s時(shí),產(chǎn)生了此次爆破的能量峰值,此外,在較低頻帶(0～20 Hz)能量持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),在整個(gè)低頻帶范圍內(nèi)均分布著部分能量,在高頻段(2 000 Hz左右)分布著一些能量,初步分析為外界干擾造成。以往對(duì)于爆破振動(dòng)信號(hào)的分析手段大多為傅里葉變換法或小波變換,且分析對(duì)象局限于振動(dòng)產(chǎn)生的頻率和能量。以往研究表明,振動(dòng)信號(hào)的能量具有時(shí)間累積特性,在分析時(shí)應(yīng)充分考慮時(shí)間因素的影響,HHT法能夠?qū)⒛芰侩S頻率和時(shí)間的變化規(guī)律展現(xiàn)在三維Hilbert能量譜中,這使得所展示的振動(dòng)信號(hào)特征更加全面和形象。

圖8 爆破振動(dòng)信號(hào)三維希爾伯特譜Fig.8 Three-dimensional Hilbert spectrum of blasting vibration signal

5.3 信號(hào)的邊際能量分布特征

對(duì)Hilbert譜在時(shí)間上進(jìn)行積分,可以得到振動(dòng)信號(hào)的邊際圖譜,如圖9所示。該圖譜表示爆破振動(dòng)產(chǎn)生的能量在時(shí)間范圍內(nèi)累加,其含義是各頻率在整個(gè)爆破活動(dòng)下的累加能量值,能夠清楚地反映能量在各頻率上的集中程度。

圖9 信號(hào)邊際譜Fig.9 Signal margin spectrum

由圖9可知:此次爆破振動(dòng)的主要能量頻段小于50 Hz,在 0～12 Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)幅值較高的能量峰,且占總能量的比值較大,說(shuō)明此次爆破頻率朝向低頻方向發(fā)展,在50～100 Hz和100～200 Hz頻域范圍內(nèi)也有部分能量分布。為便于更加具體地展示各頻段攜帶的能量大小,劃分了 0～10、10～50、50～100、100～200 Hz和大于200 Hz 5個(gè)頻帶,分別在這5個(gè)頻帶范圍內(nèi)對(duì)頻率進(jìn)行積分,可得到各頻帶能量占比大小,如圖10所示。該測(cè)點(diǎn)5個(gè)頻帶能量占比見(jiàn)表2。由表 2可知:0～200 Hz頻帶攜帶的能量高達(dá)99.22%,說(shuō)明此次爆破產(chǎn)生的能量基本分布在0～200 Hz,與三維能量譜和功率譜分析結(jié)果一致。0～50 Hz頻帶攜帶的能量占總能量的78.08%,說(shuō)明0～50 Hz為此次爆破的主振頻帶。

圖10 邊際譜頻段能量分布Fig.10 Distribution of energy of the marginal band

表2 各頻帶能量百分比Table 2 Percentage of energy in each frequency band %

Hilbert二維線性譜如圖11所示。由圖11可知:能量基本全部分布在0～200 Hz,在 0～50 Hz頻帶內(nèi)含有大部分能量,能量分布最多的頻帶為0～10 Hz,這也與前文分析一致,再次佐證了HHT法對(duì)振動(dòng)信號(hào)分析的適用性。

圖11 希爾伯特二維線性譜Fig.11 Hilbert two-dimensional linear spectrum

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度較大時(shí),振動(dòng)頻率也相對(duì)較大,這樣不易與建筑物發(fā)生共振;當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度較小時(shí),振動(dòng)頻率也相對(duì)較小,容易與建筑物發(fā)生共振,對(duì)建筑物的危害較大。這就要求當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的頻率較小時(shí),振動(dòng)速度需小于其相應(yīng)的規(guī)定安全閾值,根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)確定的爆破振動(dòng)安全振速范圍見(jiàn)表3。此次爆破在0～10 Hz頻帶內(nèi)含有51.22%的能量,需驗(yàn)證此低頻帶的安全振速閾值。

表3 巖石邊坡與礦山邊坡爆破安全振動(dòng)速度范圍Table 3 Safe vibration speed range of the rock slope and mine slope blasting (cm/s)

由表3可知:當(dāng)f≤10 Hz時(shí),礦山邊坡和礦山巷道安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度范圍分別為3.0～4.0 cm/s和15～18 cm/s。因此,為同時(shí)確保礦山巷道和邊坡安全,選取該區(qū)域建筑物的最大安全允許振動(dòng)速度為3.0 cm/s。雖然此次爆破最大振動(dòng)速度僅為1.405 6 cm/s,在安全允許振動(dòng)速度范圍內(nèi),但此次爆破在1、3.2、5.4 Hz分別出現(xiàn)了能量峰值,且幅值較大,與一般建(構(gòu))筑物的自振頻率非常接近,雖然振動(dòng)速度較小,也極可能引起建(構(gòu))筑物的共振,在今后爆破作業(yè)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注0～10 Hz低頻帶,并采取措施減小低頻能量帶來(lái)的安全隱患。

5.4 信號(hào)的瞬時(shí)能量特征

圖6所示的瞬時(shí)能量分布圖顯示,在不同時(shí)刻瞬時(shí)能量出現(xiàn)多個(gè)峰值,這是采用多段別雷管爆破所產(chǎn)生的現(xiàn)象。由圖6可知:能量大部分集中于0.4～1.5 s,與原始信號(hào)一致,各段峰值一一對(duì)應(yīng)7段雷管爆破,其中最大瞬時(shí)能量出現(xiàn)在1.119 s,為第5段雷管爆破,對(duì)應(yīng)底眼、幫眼和第1圈壓頂眼的爆破。結(jié)合圖1分析可知:此段爆破共用54卷乳化炸藥,雖然有前幾段爆破所產(chǎn)生的爆破自由面,但此段爆破所消耗的炸藥量遠(yuǎn)高于其他6段,因而產(chǎn)生了較大的能量,在不影響爆破效果的前提下,現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)時(shí)應(yīng)注意減小此段爆破的炸藥用量,有利于減小爆破振動(dòng)。圖6顯示在0.495 s也產(chǎn)生了較大的能量峰值,為第1段雷管爆破,對(duì)應(yīng)第1圈掏槽眼爆破,爆破所產(chǎn)生的能量?jī)H次于第5段,雖然消耗的炸藥量比其他6段小得多,但產(chǎn)生的能量卻僅略低于第5段雷管爆破。原因是第1段為第1圈掏槽爆破,爆破時(shí)未提供爆破所需的自由面,受巖石的夾制作用較大。建議現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)時(shí)沿巷道中心線兩側(cè)一定距離,鉆鑿2～4個(gè)直徑大于裝藥孔的空孔,以提供爆破所需的自由面,該措施可有效提高爆破效果,降低爆破振動(dòng)。

6 結(jié) 論

以和靜縣備戰(zhàn)鐵礦巷道為研究對(duì)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試和后期軟件分析,對(duì)巖巷掘進(jìn)爆破中振動(dòng)波的時(shí)—頻—能量特征進(jìn)行了分析,主要取得如下結(jié)論:

(1)將Hilbert-Huang變換法與小波軟閾值去噪法相結(jié)合,從時(shí)間、頻率和能量的角度分析了掛幫礦振動(dòng)信號(hào),同時(shí)對(duì)EMD法和瞬時(shí)能量法的延期識(shí)別效果進(jìn)行了精確比較,討論了礦山所存在的振動(dòng)安全隱患,并提出了針對(duì)性的解決辦法。

(2)在常規(guī)延期下,EMD延期識(shí)別精度并不能達(dá)到100%。EMD法分解時(shí)各模態(tài)間容易受外界因素影響發(fā)生混疊,會(huì)使得識(shí)別的包絡(luò)圖譜出現(xiàn)多余波峰,具體運(yùn)用時(shí)需結(jié)合實(shí)際設(shè)置的延期時(shí)間,選取與實(shí)際延時(shí)最接近的波峰進(jìn)行延期時(shí)間識(shí)別。

(3)藥量是影響爆破振動(dòng)的重要因素,其次掏槽處因巖石的夾制作用,往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)峰值。此次爆破能量朝向低頻方向發(fā)展,在較低頻段出現(xiàn)了多個(gè)能量峰值,容易引發(fā)建(構(gòu))筑物自振,具體可通過(guò)減小最大段藥量和為掏槽孔提供大直徑空孔減小振動(dòng)峰值。

(4)EMD法由于具有強(qiáng)大的自適應(yīng)性特點(diǎn),而被廣泛運(yùn)用于非平穩(wěn)信號(hào)分析,但其本身不完全正交分解,往往容易造成各模態(tài)之間混疊,開(kāi)發(fā)一種能夠進(jìn)行完全正交分解的優(yōu)化EMD法,將會(huì)給振動(dòng)信號(hào)分析帶來(lái)極大的便利。