孟 彪 殷浩杰 陳 輝,4 佟曉勇

(1.新疆雪峰科技(集團)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.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院,新疆 烏魯木齊 830000;4.中南大學資源與安全工程學院 湖南 長沙 410083;5.新疆地質(zhì)工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)

伴隨著我國工程建設領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,工程爆破在隧道建設、礦山開采、城市拆除中的應用日益增多,與此同時爆破引起的安全隱患問題也頻頻出現(xiàn),根據(jù)現(xiàn)場情況以及被保護對象的不同,其破壞機理與所采取的控制措施往往有較大區(qū)別[1-5]。對此,廣大學者開展了大量研究,趙柯等[6]基于量綱理論,以埋地燃氣管道為例,分析了影響其振動速度的物理量,并推導出了能夠反映管道尺寸效應的振動速度預測公式。朱斌等[7]以隧道支護中的砂漿錨桿作為研究對象,利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件,對不同圍巖級別和支護條件下砂漿錨桿的動力響應特征進行了研究,研究結(jié)果對于指導現(xiàn)場支護工作具有重要意義。楊茂森等[8]以露天煤礦超高臺階為研究對象,探究了其爆破振動主頻和持續(xù)時間的特點,并對臺階周圍建(構(gòu))筑物進行了振動安全評估,極大保證了現(xiàn)場施工安全。呂虎波等[9]以下穿高速公路輸水隧洞為研究對象,采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場試驗的方法,研究了上覆高速公路路面振動響應特征及衰減規(guī)律?？傮w上,現(xiàn)有研究傾向于露天礦山、地下礦山或鐵路、公路隧道等案例,被保護對象根據(jù)現(xiàn)場情況多有不同,對于掛幫礦這種露天轉(zhuǎn)地下的特殊開采形式,對其振動規(guī)律的研究有待深入。掛幫礦露天開采部分的進行已經(jīng)對邊坡造成嚴重擾動,進而通過平硐轉(zhuǎn)入山體內(nèi)進行空場開采,伴隨著山體內(nèi)爆破活動的進行,必然會對薄弱的邊坡及巷道造成嚴重損害,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下的動力響應特征,對于確?，F(xiàn)場施工安全具有重要意義。

對于爆破振動信號,國內(nèi)外研究人員在振動波的傳播衰減規(guī)律[10]、振動波的時頻能量分布特征[11-13]、減振方法和振動波的損傷機理[14-17]等方面展開了深入研究。主要研究方法為:運用ANSYS/LS-DYNA等數(shù)值模擬軟件建立相似模型、運用薩道夫斯基公式和線性回歸方程建立振動速度衰減模型、運用小波理論和傅里葉變換進行振動信號的頻譜分析等。其中在振動信號的頻譜分析中,應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質(zhì)上分析非線性非平穩(wěn)信號,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分析方法,具有高度的自適應性,能夠有效克服上述不足,并且能夠更加直觀地反映振動波在時間—頻率—能量上的分布特性。本研究運用HHT法對備戰(zhàn)鐵礦巖巷掘進時的實測爆破振動信號進行分析,將振動波傳播過程中的時間、頻率和能量三要素相結(jié)合,分析電子雷管應用于工程爆破中的特點,對電子雷管的推廣使用、爆破參數(shù)優(yōu)化、減小振動危害、明確振動波的傳播機理等具有重要意義。

1 Hilbert-Huang變換法理論分析

1.1 EMD分解

HUANG等[18]認為,振動發(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在內(nèi)的任何復雜信號,并且這些IMF分量通常較為簡單。通過EMD分解可實現(xiàn)對這些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)束標志,其算法表達式為

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

1.2 Hilbert變換

對分解得到的各IMF分量進行Hilbert變換,得到各分量對應的瞬時頻率,對所有的瞬時頻譜進行綜合后可得Hilbert譜[19]。計算步驟如下:

對所有分量進行Hilbert變換,公式為

該公式表示將函數(shù)c(t')與1/(πt)做卷積運算,式中,c(t')表示某一實值函數(shù);t'為實值函數(shù)變量;PV為柯西主值,對此構(gòu)造解析信號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,與和靜縣巴侖臺鎮(zhèn)路距130 km,直線距離84 km。該礦露天開采部分已經(jīng)完成,現(xiàn)轉(zhuǎn)為掛幫開采,且掛幫開采部分已由空場法轉(zhuǎn)變?yōu)闊o底柱分段崩落法。2019年8月,3 476 m中段中已回采結(jié)束的采場中,預留的間柱和頂柱發(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。因此開展對爆破振動傳播規(guī)律的研究,有效控制爆破振動,對于礦山安全生產(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,在該礦山進行了多次測振工作,本次分析選用9月28日某一出礦進路運用電子雷管進行掘進爆破作業(yè)時的測振數(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×長度×質(zhì)量),電子雷管段間延期間隔設置為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(其中,一圈掏槽眼4個,二圈掏槽眼10個,輔助眼17個,周邊眼19個),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,段間延時間隔均為150 ms,圖例中標號為對應段數(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)計示意Fig.1 Schematic of blasting parameters statistics

2.3 監(jiān)測點布置方案

本研究測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家A級標準,分辨率為16 bit,數(shù)據(jù)采集精度高,基本不會對分析結(jié)果造成影響。儀器采集參數(shù)設置:連續(xù)采集模式,負延時長度256 ms,采集時長10 s,采集段數(shù)設置為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,設置出窗內(nèi)觸發(fā),自動觸發(fā)電平,運用離線采集模式。共選用6臺測振儀器,所設采集參數(shù)均相同,待離線采集結(jié)束后連接終端設備進行數(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(圖2),第1監(jiān)測點距離掌子面35 m,相鄰測點傳感器間隔5 m,根據(jù)測試場地的條件決定安設儀器的臺數(shù),每次監(jiān)測不少于3臺,不多于6臺,傳感器X軸指向爆心。

圖2 3464-4號進路測點布置Fig.2 Survey point arrangement of No.3 464-4 roadway

3 振動監(jiān)測結(jié)果及初步分析

本研究共進行了4次爆破測振,4次均為出礦進路的掘進爆破,具體測振結(jié)果見表1,典型的電子雷管振動速度—時程曲線如圖3所示。

表1 爆破振動測試結(jié)果Table 1 Blasting vibration test results

圖3 電子雷管振動速度—時程曲線Fig.3 Vibration velocity-time history curves of electronic detonator

由表1可知:通過計算X、Y、Z各方向峰值振動速度均值,3個方向中水平徑向較其他兩向大,垂直方向次之,水平切向的振動速度峰值均值最小,其次,在幾次測振試驗中,各測點X軸方向峰值振動速度較其他兩向呈現(xiàn)較為明顯的規(guī)律性,即隨著測點距離增加,峰值振動速度大體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。因此,進行爆破參數(shù)設計時,可參照爆破振動安全判據(jù)中的安全允許振動速度,以水平徑向峰值振動速度為基準進行。由于此次掘進爆破使用了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個波峰,且各波峰之間邊界清晰,表示各段間并沒有振動疊加現(xiàn)象的出現(xiàn);第2、3、5、7段爆破產(chǎn)生了較大的振動,第1、4、6段振動較小,振幅最大值出現(xiàn)在第2段和第5段。

4 基于HHT法的信號處理與分析

4.1 信號小波軟閾值法去噪

小波分析能夠進行時頻局部化分析,且進行濾波時具有小波基可靈活選擇的特點。小波軟閾值法消噪與小波強制消噪、默認閾值法消噪不同,設定軟閾值去噪時,不容易丟失原始信號的有用成分,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)驗設定閾值的系數(shù),以達到消噪的目的,最后通過小波逆變換,重構(gòu)去噪后的信號。消噪前后的信號對比如圖4所示。

圖4 信號去噪前后對比Fig.4 Comparison of signal before and after denoising

4.2 延期時間識別及延期方法比較

通過EMD法和瞬時能量法分別對電子雷管的實際延期時間進行了識別,并對兩種方法的延期識別精度進行了比較。EMD法與瞬時能量法目標識別對象上有較大不同,瞬時能量法的分析對象為原始信號整體,而EMD法的分析對象為能夠最大程度代表原始信號的分量,即某個IMF主分量?？梢?EMD法精確了識別對象,減少了原始信號中的干擾部分,在對雷管段數(shù)識別中具有突出優(yōu)點。但該方法由于在分解過程中,各IMF分量之間容易出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象,在延期時間識別精度方面有待進一步提升。

通過EMD法分解得到的IMF1信號包絡圖如圖5所示,原始信號的瞬時能量圖如圖6所示。整體來看,圖5、圖6均展示7個幅值大小不同的主要波峰,與此次爆破所選用的7段電子雷管相對應。通過Matlab軟件標點,顯示圖5中各波峰對應時刻分別為0.533 0、0.671 8、0.822 7、0.968 8、1.121 0、1.293 0、1.425 0 s,對應的延時間隔分別為0.138 8、0.150 9、0.146 1、0.152 2、0.172 0、0.132 0 s。 圖6所示瞬時能量法識別的各波峰對應時刻分別為0.495 0、0.676 5、0.827 5、0.986 0、1.119 0、1.270 0、1.409 0 s,對應延時間隔為 0.181 5、0.151 0、0.158 5、0.133 0、0.151 0、0.139 0 s,通過圖譜顯示EMD法和瞬時能量法對7段雷管均能準確識別,段數(shù)識別率為100%。在延期時間識別精度方面,根據(jù)本次使用的電子雷管段間延期均為150 ms計算,EMD法識別的延期時間最大正誤差為+22 ms,最大負誤差為-18 ms。瞬時能量法識別的延期時間最大正誤差為+31.5 ms,最大負誤差為-17 ms,識別誤差較大。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系列三軸智能測振儀,測試精度滿足國家A級標準,以上兩種因素基本不會對分析結(jié)果造成影響。

圖5 分量1信號包絡圖Fig.5 Envelope diagram for component 1 signal

初步分析,造成EMD法延期識別出現(xiàn)誤差的原因為,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,使得識別的包絡圖譜出現(xiàn)多余波峰。因此實際運用時,需結(jié)合現(xiàn)場具體設置的延期時間,對應包絡圖譜中最接近的波峰進行識別,以此提高識別精度。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)場實際設置的延期時間,在幅值相差不大的前提下,選擇合適的波峰,識別到的波峰時刻分別為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,計算得到識別的最大正誤差為+7.6 ms,最大負誤差為-3.9 ms。經(jīng)計算,EMD法延期時間識別精度為95.2%,較瞬時能量法82.6%的識別精度已有很大的提高。初步分析,若能夠?qū)MD法進行優(yōu)化,使其能夠進行完全正交分解,可在很大程度上消除EMD分解過程中的模態(tài)混疊現(xiàn)象,分析經(jīng)過完全正交分解后,EMD法的延期識別精度將大大提高。

5 振動信號的時頻能量譜分析

5.1 信號EMD分解與分析

振動信號經(jīng)驗模態(tài)分解后,各IMF分量的能量分布如圖7所示。因EMD分解是將原始信號從高頻到低頻逐層分解,故得到一組振動幅度逐漸減小、頻率逐漸降低的IMF分量,其中IMF10為信號殘余分量。結(jié)合圖7分析可知:IMF1分量振動幅度最大,且波形特征與原始信號最為接近,從振幅和所含的能量上看,IMF1～IMF3為信號的主要成分,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,逐漸失去了原始信號的特征,為信號的次要部分和低頻成分,IMF10作為信號的殘余分量一般予以忽略。由經(jīng)驗模態(tài)分解結(jié)果可知:主要分量IMF1的優(yōu)勢頻率為120～170 Hz,IMF2的優(yōu)勢頻率為50～100 Hz,IMF3的優(yōu)勢頻率為20～50 Hz,這3個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分量進行Hilbert變換,可得到三維Hilbert譜。該圖譜能夠清晰地反映時間—頻率—能量三者之間的分布特征。

爆破振動信號三維Hilbert譜如圖8所示,可見振動信號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IMF主分量的主頻帶范圍基本一致。觀察爆破振動信號的三維Hilbert譜可以看出,時間—能量平面內(nèi)出現(xiàn)了7個邊界清晰的能量峰值,各峰值所在的時間點與瞬時能量譜所識別的各段雷管爆破的時間點一致。在第5段爆破,即1.121 s時,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)時間最長,在整個低頻帶范圍內(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。以往對于爆破振動信號的分析手段大多為傅里葉變換法或小波變換,且分析對象局限于振動產(chǎn)生的頻率和能量。以往研究表明,振動信號的能量具有時間累積特性,在分析時應充分考慮時間因素的影響,HHT法能夠?qū)⒛芰侩S頻率和時間的變化規(guī)律展現(xiàn)在三維Hilbert能量譜中,這使得所展示的振動信號特征更加全面和形象。

圖8 爆破振動信號三維希爾伯特譜Fig.8 Three-dimensional Hilbert spectrum of blasting vibration signal

5.3 信號的邊際能量分布特征

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

圖9 信號邊際譜Fig.9 Signal margin spectrum

由圖9可知:此次爆破振動的主要能量頻段小于50 Hz,在 0～12 Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)多個幅值較高的能量峰,且占總能量的比值較大,說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個頻帶,分別在這5個頻帶范圍內(nèi)對頻率進行積分,可得到各頻帶能量占比大小,如圖10所示。該測點5個頻帶能量占比見表2。由表 2可知:0～200 Hz頻帶攜帶的能量高達99.22%,說明此次爆破產(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法對振動信號分析的適用性。

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

研究發(fā)現(xiàn),當質(zhì)點振動速度較大時,振動頻率也相對較大,這樣不易與建筑物發(fā)生共振;當質(zhì)點振動速度較小時,振動頻率也相對較小,容易與建筑物發(fā)生共振,對建筑物的危害較大。這就要求當質(zhì)點的頻率較小時,振動速度需小于其相應的規(guī)定安全閾值,根據(jù)以往工程經(jīng)驗確定的爆破振動安全振速范圍見表3。此次爆破在0～10 Hz頻帶內(nèi)含有51.22%的能量,需驗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f≤10 Hz時,礦山邊坡和礦山巷道安全允許質(zhì)點振動速度范圍分別為3.0～4.0 cm/s和15～18 cm/s。因此,為同時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速度為3.0 cm/s。雖然此次爆破最大振動速度僅為1.405 6 cm/s,在安全允許振動速度范圍內(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)時需重點關(guān)注0～10 Hz低頻帶,并采取措施減小低頻能量帶來的安全隱患。

5.4 信號的瞬時能量特征

圖6所示的瞬時能量分布圖顯示,在不同時刻瞬時能量出現(xiàn)多個峰值,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,與原始信號一致,各段峰值一一對應7段雷管爆破,其中最大瞬時能量出現(xiàn)在1.119 s,為第5段雷管爆破,對應底眼、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)場爆破作業(yè)時應注意減小此段爆破的炸藥用量,有利于減小爆破振動。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,對應第1圈掏槽眼爆破,爆破所產(chǎn)生的能量僅次于第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)場爆破作業(yè)時沿巷道中心線兩側(cè)一定距離,鉆鑿2～4個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。

6 結(jié) 論

以和靜縣備戰(zhàn)鐵礦巷道為研究對象,通過現(xiàn)場振動測試和后期軟件分析,對巖巷掘進爆破中振動波的時—頻—能量特征進行了分析,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,從時間、頻率和能量的角度分析了掛幫礦振動信號,同時對EMD法和瞬時能量法的延期識別效果進行了精確比較,討論了礦山所存在的振動安全隱患,并提出了針對性的解決辦法。

(2)在常規(guī)延期下,EMD延期識別精度并不能達到100%。EMD法分解時各模態(tài)間容易受外界因素影響發(fā)生混疊,會使得識別的包絡圖譜出現(xiàn)多余波峰,具體運用時需結(jié)合實際設置的延期時間,選取與實際延時最接近的波峰進行延期時間識別。

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

(4)EMD法由于具有強大的自適應性特點,而被廣泛運用于非平穩(wěn)信號分析,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,開發(fā)一種能夠進行完全正交分解的優(yōu)化EMD法,將會給振動信號分析帶來極大的便利。