基于多源傳感融合的金屬礦山大規(guī)模爆破振動監(jiān)測方法

王海波

（招遠市河西金礦有限公司，山東 招遠 265402）

0 引言

金礦開采通常采用爆破方式，但是在爆破過程中，很容易出現(xiàn)礦山周圍的沖擊隱患。為進行金礦開采安全管理，應監(jiān)測采礦過程中的爆破振動情況。

在相關(guān)的研究中，金屬礦山超大規(guī)模爆破振動監(jiān)測與分析方法[1]與基于EEMD-HHT 法的爆破振動效應監(jiān)測方法[2]應用得廣泛。前者主要是利用TC-4850 爆破監(jiān)測儀對礦區(qū)爆破情況進行實時監(jiān)測，劃分爆破過程中的安全區(qū)域；后者主要是布置多個監(jiān)測點，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)劃分安全區(qū)域。

但是以上2 種方法得到的振動波衰減規(guī)律較為單一，影響礦山人員的后續(xù)判斷[3]。多源傳感融合技術(shù)能整合多個傳感器數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)單一[4]。因此，該文基于多源傳感融合技術(shù)，設(shè)計一種新的金屬礦山大規(guī)模爆破振動監(jiān)測方法。

1 方法設(shè)計

1.1 布設(shè)礦山大規(guī)模爆破振動監(jiān)測點

炸藥在礦山巖體中爆炸后，炸藥的相關(guān)能量在一瞬間釋放出來，形成的空氣沖擊波是影響周圍居民安全的關(guān)鍵能量[5]。未形成空氣沖擊波的能量變成表面波與體波在地下擴散，很容易給礦山周圍地層造成隱患。爆破振動波的類型如圖1 所示。

圖1 爆破振動波類型

如圖1 所示，體波中的縱波與橫波根據(jù)爆破振動方位的變化而變化，在任何方向的體波都會對地層造成影響。因此，在爆破前，布設(shè)礦山大規(guī)模爆破振動監(jiān)測點。結(jié)合金屬礦山爆破區(qū)域大小，合理地調(diào)節(jié)監(jiān)測的布設(shè)數(shù)量[6]。為了保證監(jiān)測點的振動有效監(jiān)測，該文將監(jiān)測點的水平測距范圍設(shè)定為200m～500m，高程測距范圍設(shè)定為150m～200m。根據(jù)爆破中心到監(jiān)測點的距離，判定監(jiān)測點的水平測距范圍與高程測距范圍。在監(jiān)測點布設(shè)過程中，為保證監(jiān)測得到有效數(shù)據(jù)，將所有監(jiān)測點布置在相對較為完整的巖質(zhì)邊坡或者土質(zhì)邊坡等永久性邊坡上，且監(jiān)測點距爆區(qū)中心距離不能太遠，以保證爆破能量充足，能夠順利傳播。

此外，在這次金屬礦山大規(guī)模爆破工程中，在正常爆破開展的條件下，為了盡量減少對臨近邊坡產(chǎn)生的影響，這次爆破產(chǎn)生的振動對臨近邊坡穩(wěn)定性的影響數(shù)值需要控制在國家標準規(guī)定范圍內(nèi)，即50Hz 范圍內(nèi)振速8cm/s～12cm/s。監(jiān)測點的主頻率大于邊坡固有頻率。

1.2 基于多源傳感融合處理爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

為滿足多源傳感器的正常工作要求，將傳感器布置于露出地面的臺階基巖處，呈水平形式放置傳感器，使其與基巖牢固粘合，保證數(shù)據(jù)采集正常進行。在監(jiān)測點周圍安裝傳感器，每2 個監(jiān)測點中間安裝一個傳感器。在第一個監(jiān)測點與第二個監(jiān)測點處安裝前向雷達，該儀器的工作頻段為76×109Hz～77×109Hz，能夠監(jiān)測到周圍的10 個目標，最大監(jiān)測距離約200 m，相對速度誤差僅為±0.2km/h，可以保證監(jiān)測的準確性[7]。在最后一個監(jiān)測點與前一個監(jiān)測點中間安裝一個毫米波角雷達，該傳感器的發(fā)射波段在76 GHz～77 GHz，能夠監(jiān)測40 個目標，保證整體監(jiān)測效果。每個傳感器所在的監(jiān)測點數(shù)據(jù)是在該傳感器坐標系中得到的，雖然在一定程度上可以保證監(jiān)測的實時性，但是坐標數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一。因此，該文利用多源傳感融合技術(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整合處理，如公式（1）所示。

式中：x1為前向雷達監(jiān)測到的水平振動數(shù)據(jù)；y1為前向雷達監(jiān)測到的高程振動數(shù)據(jù)；x為當前前向雷達的橫坐標；y為當前前向雷達的縱坐標；x0為初始橫坐標；y0為初始縱坐標；β為振動波角度。毫米波角雷達的監(jiān)測數(shù)據(jù)整合公式如公式（2）所示。

式中：nx1為毫米波角雷達監(jiān)測到的水平振動數(shù)據(jù)；ny1為毫米波角雷達監(jiān)測到的高程振動數(shù)據(jù)；nx為當前毫米波角雷達位置的橫坐標；ny為當前毫米波角雷達位置的縱坐標。將上述傳感數(shù)據(jù)進行多源融合，如公式（3）所示。

式中：Xm為多源融合水平監(jiān)測狀態(tài)值；Xm-1為第m-1 個監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)值；βm為融合后的振動波角度；Mm-1為m-1時刻下的最佳估計值；Ym為多源融合高程監(jiān)測狀態(tài)值；h為振動波長度；Nm-1為m-1 時刻下的真實觀測值。將多個傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)利用公式（3）融合后，將Xm與Ym放在監(jiān)測平臺中進行綜合分析，提高監(jiān)測效果。

1.3 構(gòu)建金屬礦山爆破振動監(jiān)測平臺

為了實現(xiàn)金屬礦山大規(guī)模爆破振動的精準監(jiān)測，該文將監(jiān)測點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)、傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和多源傳感融合數(shù)據(jù)等，存儲在監(jiān)測平臺中，在平臺中對爆破振動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析[8]。監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 爆破振動監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，爆破現(xiàn)場采集到的振動信號，通過爆破測振儀進行數(shù)據(jù)分析與存儲，得出的峰值振速就是平臺中的主要分析數(shù)據(jù)。在平臺中3 通道進行同步分析，同時分析3 個傳感器傳來的振動速度。平臺分析得出的峰值振速與實際值越相近，爆破振動監(jiān)測效果越佳。

在數(shù)據(jù)分析與存儲的過程中，考慮到一個爆破工程通常需要持續(xù)較長時間，監(jiān)測平臺搭建完成后持續(xù)循環(huán)監(jiān)測爆破振動數(shù)據(jù)，因此平臺中的監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大。然而并不是所有的數(shù)據(jù)都需要長時間保存，金礦爆破工程中真正需要保存的是振動能級超過閾值的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)才是真正的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。那么該文搭建的爆破振動監(jiān)測平臺只需要對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行存儲，在主機控制下，平臺不停地采集數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)量達到存儲容量的一半時，系統(tǒng)發(fā)出中斷信號到采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，并同時送至緩沖存儲器。為保證這一過程順利進行，在主機內(nèi)設(shè)置3 個緩沖區(qū)，采集得到的數(shù)據(jù)循環(huán)輸入這三個緩沖區(qū)，同時判斷數(shù)據(jù)量是否超過閾值，如果未達到閾值，就繼續(xù)采集并輸入數(shù)據(jù)，如果超過了設(shè)置閾值，就自動發(fā)出報警信號，開始數(shù)據(jù)整合，整合完成后形成一套完整的數(shù)據(jù)包存儲入盤。

2 試驗

為了驗證該文設(shè)計的監(jiān)測方法是否具有使用價值，該文對上述方法進行了試驗分析。最終的試驗結(jié)果以文獻[1]方法、文獻[2]方法以及該文設(shè)計的基于多源傳感融合監(jiān)測方法進行對比的形式呈現(xiàn)。具體試驗過程及試驗結(jié)果如下所示。

2.1 試驗過程

這次試驗地點位于河西金礦，礦區(qū)土層厚度約30cm～70cm，能夠保證這次試驗的有效性。爆破振動監(jiān)測方法是整個爆破活動的主要任務(wù)，將傳感器布設(shè)在基巖站臺，采用逐孔爆破的方式，執(zhí)行礦山爆破任務(wù)。在地表采用42ms 延期導爆管雷管，孔內(nèi)為400ms 延期的導爆管雷管。炮孔內(nèi)并不存在水資源，采用銨油炸藥作為爆破的炸藥。這次試驗布置了3 個爆破區(qū)域，爆破孔分別為16 個、12 個、18 個，孔徑均為300m，孔深分別為16m、15m、18m。

合理地選擇并正確使用采集儀器非常重要，直接影響金屬礦山爆破振動監(jiān)測結(jié)果的準確性和真實性。這次試驗在選擇爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)的采集儀器時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況首先預估了被測信號的幅值范圍和頻率分布情況，依據(jù)“采集儀器幅值范圍上限應高于被測信號幅值上限的20%，頻響范圍不低于被測信號頻率分布范圍”的原則，該試驗選取由多個TCS-B3 型三軸振動速度傳感器和TC-4850N 型無線網(wǎng)絡(luò)測振儀組成的采集儀器。

將傳感器與采集儀與監(jiān)測平臺連接，監(jiān)測的數(shù)據(jù)直接上傳到平臺中進行分析，并對爆破振動波形進行分析，由此完成爆破振動監(jiān)測。監(jiān)測流程如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測流程圖

如圖3 所示，在進行爆破振動監(jiān)測的過程中，布設(shè)的監(jiān)測點與傳感器的位置交錯布置，2 個監(jiān)測點之間安裝1個傳感器。監(jiān)測點與傳感器安裝完畢后，調(diào)試采集儀器并進行爆破振動采集。在監(jiān)測平臺中得出爆破振動波形，如圖4 所示。

圖4 爆破振動波形圖

如圖4 所示，爆破振動是根據(jù)爆破位置釋放的空氣沖擊波、表面波以及體波等產(chǎn)生的振動。每次爆破的振動強度不同，振幅也隨之變化。在爆破振動的初始階段與余震階段，振幅較小，在主震相處振幅較大。圖中的振動波形存在初震相、主震相、余震相，也就是說，該波形圖較為完整，能夠監(jiān)測到爆破振動從開始到結(jié)束的時間。為了更進一步得到監(jiān)測效果，這次試驗選取多個監(jiān)測點，對各個監(jiān)測點的峰值振速進行分析。

2.2 試驗結(jié)果

在上述試驗條件下，該文隨機選取5 個監(jiān)測點，監(jiān)測點到爆破中心的距離不同，在443.26 m～1292.56 m 變化。礦山大規(guī)模爆破的主振頻率在8.0 Hz～30.9 Hz 變化，持續(xù)時間為2.6 s～3.6 s。在其他條件一致的情況下，將文獻[1]方法、文獻[2]方法以及該文方法監(jiān)測到的峰值振速進行對比。試驗結(jié)果見表1。

表1 不同方法監(jiān)測到的峰值振速

如表1 所示，這次試驗選取的5 個監(jiān)測點是根據(jù)金屬礦山的實際情況進行布設(shè)，采集儀器編號分別為TM16010190012、TM16010190124、TM16010192450、TM16010193642、TM16010195536，傳感器編號為028、029、030、031、032，爆破中心的位置坐標為（438.25，1014.32，89.43），傳感器分布在爆破中心的周圍。爆破開始后，各個監(jiān)測點的實際峰值振速存在最小值min 與最大值max。

在實際峰值振速一致的條件下，文獻[1]方法監(jiān)測到的峰值振速，與實際峰值振速相差±0.1 cm/s，監(jiān)測誤差相對較大，難以對爆破后續(xù)環(huán)境進行有效地分析。文獻[2]方法監(jiān)測到的峰值振速，與實際峰值振速相差±0.05 cm/s，監(jiān)測誤差增大。而該文方法監(jiān)測到的峰值振速與實際峰值振速相差±0.01 cm/s，監(jiān)測點中的峰值振速最大值與最小值中，只存在一個監(jiān)測誤差，甚至監(jiān)測點③與監(jiān)測點⑤并未出現(xiàn)監(jiān)測誤差。由此證明，采用該文設(shè)計的基于多源傳感融合方法監(jiān)測的峰值振速更準確，能夠根據(jù)該監(jiān)測值進行后續(xù)的爆破分析，保障爆破后的礦山安全，符合該文研究目的。

為進一步驗證該文方法的有效性，以爆破信號丟包率為指標，將該文監(jiān)測方法與文獻[1]方法、文獻[2]方法進行對比。丟包率是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)組的比率，丟包率越低，表明監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)分析性能越好，反之丟包率越高，則表明監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)分析性能越差。3 種方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)丟包率對比結(jié)果見表2。

表2 不同方法監(jiān)測數(shù)據(jù)丟包率（%）

如表2 所示，3 種監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)丟包率相差較大，可以明顯看出，在50 次的試驗監(jiān)測過程中，文獻[1]方法的數(shù)據(jù)丟包率數(shù)值在13.6%～16.2%，文獻[2]方法的數(shù)據(jù)丟包率為16.8%～21.4%，這兩種方法的數(shù)據(jù)丟包率相對較高。反觀該文方法，監(jiān)測數(shù)據(jù)的丟包率最高僅為3.2%，最低數(shù)值為2.0%，與其他兩種方法相比具有明顯優(yōu)勢，遠遠低于其他2 種方法的數(shù)據(jù)丟包率。這表明該文搭建的數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺運行效果較好，對比金礦爆破振動數(shù)據(jù)的分析和存儲效果較好。

3 結(jié)語

關(guān)于礦山爆破振動的研究較為廣泛，對劃分爆破安全區(qū)域有重要作用。在爆破振動過程中存在較大的安全隱患，爆破聲音對周圍的居民來說是一種噪聲；過大的爆破振動導致礦山周圍邊坡受到損傷，影響礦山的整體經(jīng)濟效益。因此，該文利用多源傳感融合技術(shù)，設(shè)計金屬礦山大規(guī)模爆破振動監(jiān)測方法。通過布設(shè)監(jiān)測點、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)以及構(gòu)建監(jiān)測平臺等方式，對爆破振動進行精準監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，劃分一個安全的區(qū)域，該區(qū)域既不會對周圍的居民造成干擾，又不會對礦山邊坡造成損傷，保證金屬礦山順利開采，并保護環(huán)境。