翟俊杰 戴浩榮 李勇明 羅育乃 駱寶堅 陳小文 陳詠城

摘要：為優(yōu)化爆破設計，降低爆破振動，需要準確地識別微差延期時間。為提高微差爆破延期時間的識別精度，在對比分析了小波變換法、基于HHT（Hilbert-Huang Transform，希爾伯特-黃變換）的EMD（Empirical Mode Decomposition，經(jīng)驗模態(tài)分解法）后，優(yōu)選基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法對實測爆破振動信號進行分析，判斷實際微差延期時間。結果表明，基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法具有自適應和高效性，識別精度高，誤差低至10%以內，非常適合識別微差爆破實際延期時間。

關鍵詞：HHT變換；經(jīng)驗模態(tài)分解；微差爆破；延期時間

中圖分類號：TU746.5? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0043-04

0 引言

爆破工程廣泛應用在我國采礦、道路修筑、公路和鐵路隧道開挖等建設工作中。當前的爆破工程，如采礦爆破、隧道開挖爆破、城市基坑爆破等廣泛采用微差爆破方式以控制爆破危害，減弱爆破地震波對周邊環(huán)境的影響。如何準確識別微差爆破實際延期時間，進而確定最佳爆破微差延期時間，是優(yōu)化爆破設計和降低爆破振動危害的關鍵。微差爆破實際延期時間的識別，廣泛采用傅里葉變換法、小波變換法［1］和基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法等對實測爆破振動波進行時頻分析。在這一方面，大量的工程技術人員進行了研究，如宋光明［1］、張耀平［2］、劉志芳［3］、劉敦文［4］等，采用小波變換法識別微差時間；張義平［5］采用HHT分析爆破振動信號識別微差時間。上述研究雖然能夠識別微差時間，但是和實際微差時間對比，其識別精度仍有待提升。本文對比分析了小波變換法和基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法的特點，優(yōu)選基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法識別微差爆破實際時間，該方法具有自適應性和高效性，識別精度更高，誤差可控制在10%內。

1 微差爆破延期時間的識別方法對比和優(yōu)選

隨著科技的發(fā)展，爆破振動信號的數(shù)字處理方法不斷出現(xiàn)，動態(tài)信號處理分析技術獲得了迅速的發(fā)展，如傳統(tǒng)的快速傅立葉變換法（FFT）、以FFT為基礎的時域局部化短時傅立葉變換法（STFT）、小波變換法及HHT變換法。目前，運用廣泛的振動信號時頻分析方法是小波變換法和HHT變換法，而在微差爆破延期時間的識別方法中，小波變換法和基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法是常用的方法。下面對兩種方法進行對比分析。

1.1 小波變換法

傅里葉變換是信號處理的一種基本分析方法，能將滿足一定條件的某個函數(shù)表示為三角函數(shù)或者它們積分的線性組合。小波變換是在傅立葉變換局部化思想的基礎上發(fā)展而來的，同時能夠克服傅里葉變換窗口大小不隨頻率變化的缺點，是一種常見的用于信號時頻分析和處理的工具。小波變換是一種信號的時間—尺度（時間—頻率）分析方法，它具有在時頻兩域都有表征信號局部特征的能力，是一種窗口大?。创翱诿娣e）固定不變但形狀可以改變、時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法。即在低頻部分具有較低的時間分辨率和較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，適合分析非平穩(wěn)的信號和提取信號的局部特征，所以小波變換法被譽為分析處理信號的顯微鏡。傅里葉變換是將信號分解成一系列不同頻率的正余弦函數(shù)的疊加，同樣小波變換是將信號分解為一系列的小波函數(shù)的疊加（或者不同尺度、時間的小波函數(shù)擬合），而這些小波函數(shù)都是一個母小波經(jīng)過平移和尺度伸縮得來的。小波變換可以說是傅里葉變換的發(fā)展和拓延，其實質是把一個能量有限的信號分解到兩個維度所構成的空間，在變換過程使用的小波基函數(shù)是不具有唯一性的［2］，可以通過經(jīng)驗或者不斷地開展試驗選出最優(yōu)的小波基函數(shù)。小波變換常見的形式有連續(xù)小波變換（CWT）、離散小波變換（DWT）等。

小波變換法在工程中的運用較為廣泛。劉志芳等［3］對監(jiān)測到的非平穩(wěn)的爆破振動信號進行小波變換，從而進行時頻特征分析，得到了實測非平穩(wěn)爆破振動信號的各頻帶能量大小及其能量的分布規(guī)律，進而有效地指導工程技術人員設計后續(xù)的減振降振措施。劉敦文等［4］采用小波包分析方法（屬于小波變換的一種）對實測爆破振動信號進行能量頻譜分析，得到非平穩(wěn)的爆破振動信號中不同頻帶上的能量分布規(guī)律。在此基礎上，還提出一種根據(jù)爆破振動信號進行爆破危害評判的方法。

小波變換的優(yōu)點在于，在時域和頻域都具有良好的局部分析能力，以及線性、平移不變性、伸縮不變性、自相似性等特點，對于處理非線性的爆破振動信號具有一定的優(yōu)勢。但實踐表明，采用小波變換識別實際微差爆破延期時間時，小波基函數(shù)的選取對于識別精度具有較大的影響，在很大程度上決定了識別效果。通過構造合適的小波基函數(shù)進行微差爆破延期時間的識別，具有較高的識別精度。但是，合適的小波基函數(shù)的選取，需要工程技術人員具備扎實的理論功底和豐富的實踐經(jīng)驗，并且要不斷地進行試驗，因此制約了小波變換法在微差爆破實際延期時間識別中的應用。

1.2 基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法

HHT是1998年由黃鍔提出的一種處理非線性非平穩(wěn)信號的分析方法［5］，它由經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD）和希爾伯特變換組成。該方法首先用EMD將非線性非平穩(wěn)的復雜信號（如爆破振動信號）分解成有限個固有模態(tài)函數(shù)（IMF），然后對IMF分量進行希爾伯特變換，從而得到能量分布譜圖。

研究人員針對應用HHT變化法分析爆破振動信號的效果進行了一些探索，例如張智宇等［6］為分析斷層對爆破地震波傳播規(guī)律的影響，運用HHT將分量變換得到的HHT三維譜、能量分布圖、邊際譜及瞬時能量圖加以分析判斷，使用經(jīng)驗模態(tài)EMD進行不同頻段的信號分解，首先分解高頻段再過渡到低頻段，直到最后殘余分量。張義平［5］研究地下淺孔爆破振動信號，運用基于HHT法和EMD法分解信號的峰值振速、頻率和振幅，根據(jù)分解的結果和特征分析爆破振動強度及最大荷載區(qū)域，以及建（構）筑物在爆破作業(yè)下，對爆破振動的動態(tài)響應情況，取得了良好的效果。劉建偉等［7］運用經(jīng)驗模態(tài)分解法對爆破現(xiàn)場進行振動監(jiān)測，采集爆破振動信號數(shù)據(jù)，對測點X、Y、Z 3個方向的爆破信號進行分析，通過EMD能量熵求得信號主能量分量，確定主能量頻帶，從而提出相應的安全措施，更好地保障爆破區(qū)域的振動安全，控制爆破振動的危害。李建軍［8］為控制爆破振動危害，采用HHT分析法對爆破區(qū)域附近的既有鐵路接觸網(wǎng)鐵塔基礎處產生的爆破振動進行處理和分析，經(jīng)過處理得到爆破振動信號的時頻譜、邊際譜和瞬時能量，這些分析結果能夠改善爆破效果，控制爆破振動危害，同時可為類似的爆破施工提供參考數(shù)據(jù)。

采用基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法識別微差爆破實際延期時間，是將微差爆破振動信號經(jīng)過EMD分解成若干的IMF分量，然后求解IMF主成分分量的包絡圖，根據(jù)包絡特征識別實際延期時間。該方法具有完全的自適應性，不同于小波變換和傅里葉變換，HHT能夠產生自適應基，克服了小波變換需要工程技術人員自主選擇合適的小波基的缺點，避免了主觀選擇對分析結果的影響。該方法不受海森伯格測不準原理的制約［9］，而小波變換分析法會受到海森伯格測不準原理的制約［10］，時間窗口和頻率窗口的積必須小于1/2，即無法同時提高時間精度和頻率精度，只能為了提高時間精度而降低頻率精度，或者為了提高頻率精度而降低時間精度，從而給信號分析帶來不便。此外，采用基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法求出的瞬時頻率具有局部性，并且能夠精確地繪制時間—頻率—幅值三維圖；而采用小波變換等方法得到的瞬時頻率是區(qū)域性或全局性的，無法真實地反映瞬時頻率的特征。顯然，采用基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法（EMD）在識別實際延期時間方面更加高效。

綜上所述，與小波變換相比，采用基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法（EMD）識別微差爆破實際延期時間，具有自適應性，不需要技術人員選取基函數(shù)，避免了主觀因素的影響，因此更加高效。

2 基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法（EMD）在實際工程中的應用

某礦業(yè)公司采石場，礦區(qū)產出的巖石為灰?guī)r，為泥晶結構，上覆剝離層厚度較薄。該爆破作業(yè)項目爆區(qū)南側約50 m范圍內有房屋和鐵皮棚，東南側約300 m為水泥廠破碎站；西側約280 m有高速公路經(jīng)過（礦區(qū)西側距高速310 m范圍設置為禁采區(qū)）；東北側約380 m為村莊；礦區(qū)約400 m范圍外有一條110 kV的高壓線，從北向西再轉向東進入水泥廠（水泥廠專用線路）；其他方向300 m范圍內無民房及其他重要設施。采場范圍周邊環(huán)境復雜，有高速、村莊、高壓線、水泥廠等設施，需要嚴格控制爆破振動危害。采用微差爆破進行開采，需要合理設計微差時間，優(yōu)化爆破設計，進而改善爆破效果。

為探索最佳的減振微差時間，首先需要準確識別微差爆破延期時間。為監(jiān)測基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法識別微差爆破延期時間的效果，工程技術人員在該采石場進行爆破試驗。

爆破試驗采用與實際生產爆破相同的炮孔孔徑和炸藥，爆破網(wǎng)絡也是相同的。根據(jù)同類工程經(jīng)驗，結合石場現(xiàn)有機械設備和生產條件，深孔爆破鉆孔孔徑為d=140 mm。采用梅花形布孔，垂直鉆孔方式鉆鑿炮孔。φ140 mm的炮孔使用φ110 mm的乳化炸藥，起爆藥包使用乳化炸藥制作。裝藥結構采用連續(xù)裝藥，每個炮孔使用2個起爆藥包，分別置于炮孔底部約1/4處和炮孔上部3/4裝藥處。

炮孔裝藥前，必須對炮孔參數(shù)進行檢查驗收，測量炮孔位置、炮孔深度是否符合設計要求，否則不能裝藥。若炮孔過深則應用巖粉等填塞物填塞至符合設計深度；若炮孔中間被碎石堵塞，可采用炮棍掏搗穿通；若炮孔中有水，應用壓縮氣體或吸水物等將水排凈。裝藥后，炮孔未裝藥部分應用填塞物進行填塞，采用黏土和巖粉作為充填材料，按1∶3的配比混合而成，其含水量約20%。要求用炮棍適當加壓搗實，要全部連續(xù)填塞。

采用電子雷管爆破技術。針對深孔，裝填至少1個電子雷管，孔內各電子雷管通過爆破腳線并聯(lián)的形式連接，最后通過專用的電子雷管起爆器進行起爆。為提高破碎效果，減少振動和對附近村莊或高壓輸電線路的影響，可采用逐孔起爆方式。逐孔微差爆破的延期時間統(tǒng)一設置為3 ms，采用單排，布設6個炮孔。

電子雷管網(wǎng)絡應使用專用的起爆器起爆，使用專用起爆器前應進行全面檢查。裝藥前應使用專用儀器檢測電子雷管，并進行注冊和編號。應按說明書要求連接子網(wǎng)絡，雷管數(shù)量應小于子起爆器規(guī)定的數(shù)量；子網(wǎng)絡連接后應使用專用設備進行檢測；按說明書要求，將全部子網(wǎng)絡連接成主網(wǎng)絡，并使用專用設備檢測主網(wǎng)絡。

爆破振動監(jiān)測采用低頻型TC4850型測振儀，各傳感器的X方向指向爆心，傳感器布置在邊坡堅硬的巖體上，用石膏黏連，形成剛性連接。對爆破監(jiān)測得到的振動信號，使用MATLAB軟件進行HHT分析。波形分析以某年8月23日1號機X方向的測震數(shù)據(jù)為例進行說明。首先，對實測波形進行EMD分解，使用MATLAB軟件的EMD程序包實現(xiàn)分解，得到原始波形圖和分解后的IMF波形圖。通過對各個IMF分量和原始振動信號進行功率譜密度分析，得到了構成爆破振動信號的主要組成成分和具有較大的振動幅值IMF分量。通過繪制原始爆破振動信號能量譜得到了爆破振動信號能量隨瞬時頻率、時間的變化關系。選取具有代表性的IMF分量繪制包絡圖，然后進行識別和分析，從而根據(jù)包絡特征分析得出實際的延期時間。

分解后的IMF分量中，IMF4～IMF7為主成分IMF分量，對主成分IFM4分量進行分析，得到包絡圖，可從包絡圖中觀察到明顯的突峰，這些突峰即微差爆破的起爆時刻（從-200 ms開始記錄振動數(shù)據(jù)）。通過觀察和記錄獲得識別的時間間隔（見表1）。與實際設計的延期時間對比發(fā)現(xiàn)，識別的平均誤差為8.46%，識別的延期時間精準可靠。

3 結論

通過對比分析小波變換法和基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法的特點，以及基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法識別微差爆破實際延期時間在實際工程中的運用，可以得出以下結論。

（1）采用小波變換識別微差爆破實際延期時間，小波基函數(shù)的選取決定了識別的精度和效果，受工程技術人員的主觀因素影響較大。

（2）基于HHT的經(jīng)驗模態(tài)分解法（EMD）識別微差爆破實際延期時間，具有自適應和高效性。

（3）實踐表明，采用經(jīng)驗模態(tài)分解法（EMD）識別微差爆破實際延期時間，誤差控制在10%以內，對后續(xù)的微差時間優(yōu)化具有指導意義。

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