缓冲孔对爆破振动信号幅频特性影响研究_周建敏.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 1 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 1 2020 基金项目国家自然科学基金 5166040276 收稿日期2018 －06 －20修改稿收到日期2018 －09 －11 第一作者 周建敏 男， 博士生， 高级工程师， 1990 年生 缓冲孔对爆破振动信号幅频特性影响研究 周建敏1， 2， 3，汪旭光2，龚敏1，赵明生3，陶铁军3 1． 北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京100083; 2． 北京矿冶研究总院， 北京100160; 3． 贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳 550002 摘要为探索缓冲孔对爆破振动信号的峰值质点振动速度、 主振频率和各频带能量分布等的影响， 依托贵州某 露天矿临近边坡爆破振动试验， 获得了现场主爆破和缓冲爆破的振动信号。分别采用小波包分析和数值模拟方法对采用 主爆破和缓冲爆破的振动信号进行分析。结果表明， 临近边坡缓冲爆破具有明显的减震效应。相同测点条件下， 水平切 向振动信号的减振率最大， 减振效果最好。且随着测点距爆源的距离越近， 其减振效果越好。爆破振动信号的能量主要 集中于 60 Hz 以内且分布极不均匀， 存在多个主振频带。设置缓冲孔进行临近边坡爆破时， 其振动信号的能量更向高频 的主振频带集中， 有利于避开边坡的自振频率。 关键词缓冲孔; 减振率; 数值模拟; 小波包分析; 幅频特性 中图分类号TH212; TH213． 3文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 01． 032 Effects of buffer hole on amplitude- frequency features of blast vibration signals ZHOU Jianmin1， 2， 3，WANG Xuguang2，GONG Min1，ZHAO Mingsheng3，TAO Tiejun3 1． Civil and Resource Engineering School，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2． Beijing General Research Institute of Ming ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China; 3． Guizhou Xinlian Blast Engineering Group Co． ，Ltd． ，Guiyang 550002，China Abstract In order to investigate effects of buffer hole on blast vibration signals’peak vibration velocity，main vibration frequencies and frequency band energy distribution，blast vibration tests of adjacent slope in a certain open- pit mine of Guizhou province were conducted to get blast vibration signals without and with buffer holes onsite． The wavelet packet analysis and the numerical simulation one were used to analyze these vibration signals，respectively． The results showed that adjacent slope buffer blast has obvious vibration reduction effect;under the same measurement conditions，horizontal tangential vibration signals have the maximum vibration reduction rate and the best vibration reduction effect;the more close to explosion source，the better vibration reduction effect;blast vibration energy signals’ energy is concentrated in the range of 0- 60 Hz and energy distribution is extremely uneven with several main vibration frequency bands;when pering adjacent slope blast with buffer holes，blast vibration signals’energy is more focused on main vibration frequency bands of high frequency，and avoids natural vibration frequencies of slope． Key words buffer hole;vibration reduction rate;numerical simulation;wavelet packet analysis;amplitude- frequency characteristics 临近边坡爆破振动对预留边帮的稳定性影响一直 是国内外专家学者们普遍关注的问题。 大量的工程实 践表明， 预裂爆破能够有效减小爆破振动对预留边帮 的影响 ［1- 3 ］。然而目前国内大型的露天矿山往往采用 大孔网参数的主炮孔配合预裂孔进行生产爆破， 这对 于临近边坡的稳定性极为不利。缓冲爆破技术的出现 能够在保证爆破效果的前提下， 有效降低爆破振动， 达 到保护预留边帮稳定的目的。 对于缓冲爆破技术， 国内外专家学者进行了较为 深入的研究。郑炳旭等 ［4 ］分析了缓冲爆破技术的机 理， 并将优化的缓冲爆破技术成功应用于经山寺铁矿 边坡爆破中， 取得了良好的效果; 楼晓明等 ［5 ］在威斯特 铜矿 2 号露天采场进行了缓冲爆破试验， 结果表明采 用缓冲爆破技术可以明显降低爆破振动， 减震率达到 25以上; 张袁娟等 ［6 ］通过现场试验和数值模拟， 对缓 冲爆破的减震效应进行了分析， 论证了缓冲爆破对降 低爆破振动对预留边帮稳定性影响的重要作用。大多 ChaoXing 数专家学者主要考虑缓冲爆破对爆破振动信号的峰值 质点振动速度的影响， 而忽视了对其时频特性的影响 研究。 对于爆破振动信号时频特性的影响研究， 专家学 者们主要集中在药量、 段数、 爆心距和自由面数量等爆 破参量上。凌同华等 ［7- 8 ］基于小波分析方法， 研究了单 段、 多段微差爆破振动信号的时频分布特征; 中国生 等 ［9 ］采用小波包分析技术， 研究了爆破参量对爆破振 动信号能量分布的影响; 吴从师等 ［10 ］通过小波分析方 法， 分析研究了自由面对爆破振动信号能量分布特征 的影响; 饶宇等 ［11 ］采用小波包分析方法， 揭示了预裂缝 对爆破振动传播规律及其频谱特征变化的影响。目 前， 对于缓冲孔对爆破振动信号幅频特性的影响研究 尚为少见。 本文依托贵州某露天矿临近边坡爆破振动试验， 分别采用小波包分析方法和 ANSYS/LS- DYNA 数值模 拟软件对采用主爆破和缓冲爆破的临近边坡爆破振动 信号进行分析。研究缓冲孔对爆破振动信号的峰值质 点振动速度、 主振频率和各频带能量分布等的影响， 对 降低爆破振动危害， 保护预留边帮稳定提供有益的 参考。 1现场爆破振动试验 1． 1工程概况 某露天矿位于贵州省境内， 矿区岩石主要为石灰 岩和页岩， 岩层节理裂隙较为发育， 且该矿山目前已形 成了 150 m 的高边坡， 由于边坡较陡， 地下水较为发育 等特点， 导致边坡的稳定性较差。 现场生产爆破参数 为 台阶高度 15 m， 孔深 16 m， 孔径 250 mm， 孔距 8 m， 排距6 m， 堵塞长度为5 m， 单孔药量480 kg。缓冲爆破 参数为 孔径 110 mm， 孔深 16 m， 单孔药量 144 kg， 缓 冲孔孔距为 4 m， 主爆孔与缓冲孔间距为 6 m， 预裂孔 和缓冲孔孔口距为 6 m。预裂孔与台阶坡顶面夹角为 70。现场采用逐孔起爆技术， 孔间微差爆破间隔时间 为 25 ms， 排间为 65 ms， 孔内为 880 ms。 1． 2爆破振动试验方案 在同一次爆破试验中， 以爆源中心为分界线， 在爆 区的一侧设置缓冲孔， 另一侧设置主爆孔进行爆破。 测点布置如图 1 所示， 其中测点 1、 3、 5 布置在缓冲孔 一侧， 测点 2、 4、 6 布置在主爆孔一侧。其中测点 1 和 2、 3 和 4、 5 和 6 的爆心距相同。现场采用 TC- 4850 爆 破振动测试仪进行爆破振动试验， 通过仪器自带的传 感器记录下各个测点收集的爆破振动信号。 图 1测点布置示意图 Fig． 1Arrangement of blasting vibration testing points 1． 3爆破振动测试结果及分析 在贵州某露天矿现场进行多次爆破振动测试， 选 取了部分典型数据， 各测点的峰值质点振动速度和减 振率见表 1 所示。 表 1现场爆破振动数据 Tab． 1The test data of blasting vibration 测点 爆心距/ m 水平径向速度/ cms －1 减振率/ 水平切向速度/ cms －1 减振率/ 垂直方向速度/ cms －1 减振率/ 1353． 2831． 092． 6732． 913． 0831． 86 2354． 763． 984． 52 3542． 0727． 111． 7828． 511． 9828． 26 4542． 842． 492． 76 5810． 5922． 370． 4724． 190． 5322． 06 6810． 760． 620． 68 由表 1 数据可以看出 1爆破振动水平径向振速峰值总体上略大于垂 直方向振速峰值， 而水平切向振速峰值要远小于垂直 方向振速峰值和水平径向振速峰值。 2临近边坡缓冲爆破具有明显的减震效应， 减 振率在 20以上。相同测点条件下， 水平切向振动信 号的减振率最大， 减振效果最好。 3随着爆心距由35 m 增加到81 m 时， 其水平径 向的减振率由31． 09减小到22． 37。说明随着测点 距爆源距离的增加， 其减振效果越不明显。 2数值模拟 2． 1数值模型及参数设置 为探索缓冲孔对爆破振动信号的峰值质点振动速 度的影响规律， 建立了设置缓冲孔和不设置缓冲孔两 种爆破数值模型。其中缓冲孔直径设置为 110 mm， 主 炮孔直径设置为 250 mm。在主爆孔和缓冲孔后人为 的制造一条预裂缝， 预裂缝角度为70， 深度为16 m， 宽 142第 1 期周建敏等缓冲孔对爆破振动信号幅频特性影响研究 ChaoXing 度 0． 5 m。缓冲孔孔距设置为 4 m， 主爆孔与缓冲孔间 距为 6 m， 缓冲孔孔口距预裂缝距离为 6 m。 采用* MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模拟爆破 荷载下岩石的本构关系［12 ］， 其岩体参数如表 2 所示。 表 2岩体参数 Tab． 2The parameters of rock 密度/ kgm －3 弹性 模量/GPa 泊松比 屈服 应力/MPa 切线 模量/GPa 2 670400． 3234． 5 采用 JWL 状态方程模拟炸药等含能材料爆炸时产 生的爆轰波， 其表达式如下式所示 p A 1 － w R1 V e－R1V B 1 － w R2 V e－R2V wE0 V 1 式中 E0为炸药单位体积内能， Pa; V 为相对体积; A， B， w， R1， R2为特征参数。 现场采用乳化炸药进行爆破， 其 JWL 状态方程及 炸药参数根据现场实际情况及工程类比所得， 如表 3 所示。 表 3 JWL 状态方程及炸药参数 Tab． 3Parameters of explosive materials and JWL equation 密度/ kgm －3 爆速/ ms －1 A/ GPa B/ GPa R1R2w E0/ GPa V 9503 80056． 80． 489 3． 8 0． 9 0． 24． 21． 0 计算中采用* MAT_NULL 本构模型并配以* EOS _LINEAR_POLYNOMIAL 状态方程来模拟预裂缝［13 ］， 本文中采用空气的标准密度为 1． 29 kg/m， 空气状态方 程相关参数如表 4 所示。 表 4空气状态方程相关参数 Tab． 4Parameters of null materials equation C0C1C2C3C4C5C6E0V0 00000． 40． 40． 02． 5 1051． 0 2． 2测点布置 依托贵州某露天矿爆破施工工程， 建立了设置缓 冲孔和未设置缓冲孔两种爆破数值模型， 选取 2 种工 况下相同部位的节点， 得到爆破荷载作用下相同位置 测点的水平方向质点振速峰值和垂直方向质点振速峰 值， 数值模拟的测点布置如图 2 所示。 2． 3计算结果与分析 2 种工况下相同部位节点的爆破振动数据如表 5 所示。对比相同爆心距条件下设置缓冲孔爆破和未设 置缓冲孔爆破的质点振速峰值， 通过计算减振率来表 示缓冲爆破的减振效应。其减振率随爆心距的变化规 律如图 3 所示。 由表 5 数据可得 1临近边坡爆破在设置缓冲孔的条件下， 表现 出明显的减振效应， 减振率在 20 ～ 30。且相同测 点条件下， 水平切向振动信号的减振率最大， 减振效果 a设置缓冲孔 b未设置缓冲孔 图 2测点布置示意图 Fig． 2Arrangement of blasting vibration testing points 表 5两种工况下相同节点的爆破振动模拟数据 Tab． 5The simulation data of blasting vibration under two conditions 节点 编号 高差 /m 爆心 距/m 水平方向 振速/ cms －1 减振 率/ 垂直方向 振速/ cms －1 减振 率/ 8392715404． 7828． 664． 2327． 65 8157115403． 413． 06 16506830583． 4527． 253． 0726． 38 16147230582． 512． 26 23534545761． 5123． 841． 3221． 97 23174945761． 151． 03 32114960940． 7521． 130． 6920． 29 31755360940． 590． 55 图 3各方向振动信号减振率随爆心距变化规律 Fig． 3The attenuation rate of different direction vibration signals change with blasting distance 最好。 242振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 2根据图 3 可知 随着爆心距由 94 m 减小到 40 m 时， 其水平方向振动信号的减振率由 21． 13 增加到 28． 66， 说明随着测点距爆源的距离越近， 其减振效 果越好。 3将数值模拟的数据与现场试验数据对比发 现 2 种工况下节点的振速与现场实测振速在一个量级 上且数值较为接近。而数值模拟的减振率与现场实测 的减振率较为一致， 误差在合理范围之内， 证明了数值 模拟的可靠性。 3爆破振动信号的小波包分析 3． 1小波包分解及各频带能量表征 大量研究表明， 小波包分解方法分析能够有效包 括爆破振动信号在内的非平稳信号问题［14- 15 ］。小波包 分析通过将频带进行多层次的划分， 能够更精细的分 析信号中各频带的能量分布。在小波族中， Daubechies 小波系列的基函数具有良好的紧支撑性、 光滑性和对 称性等特征 ［16 ］， 因此本文选择 db8 小波基函数进行爆 破振动信号的小波包分析。由于现场采用 TC- 4850 爆 破振动测试仪进行爆破振动试验， 所获得的振动信号 的采样频率为 4 000 Hz。根据采样定理 ［17 ］， 其奈奎斯 特 Nyquist 频率为 2 000 Hz， 将爆破振动信号分解到 第 8 层， 共产生 256 个频带， 其对应的最小频带为 0 ～ 7． 8 Hz。 3． 2缓冲爆破振动信号频带能量分布特征 选取表 1 中的 6 组爆破振动信号进行小波包分 析。其中测点 1、 3、 5 为设置缓冲孔爆破的振动信号， 测点 2、 4、 6 为设置主爆孔爆破的振动信号。通过编制 相应的 MATLAB 计算程序， 采用 db8 小波基函数进行 深度为 8 层的小波包分解， 获得各测点爆破振动信号 能量在各频带的分布情况， 其中信号水平方向振动信 号各频带能量的分布情况如图 4 所示。 a测点 1 b测点 2 c测点 3 d测点 4 e测点 5 f测点 6 图 4水平方向振动信号各频带能量分布 Fig． 4Frequency band energy distribution at horizontal radial direction 从图 4 可以看出， 爆破振动信号能量主要集中在 60 Hz 以下的频带中， 表6 列出了0 ～62． 5 Hz 频带内水 平方向爆破振动信号方向的能量在各频带的分布 情况。 由表 6 可知 1爆破振动信号的能量主要集中在 60 Hz 以下 的频带中， 高于 60 Hz 频带的能量几乎为 0， 且各频带 的能量分布极不均匀， 存在多个主振频带。 2对比爆心距为 40 m 时， 设置缓冲孔爆破振动 信号即测点 1 和未设置缓冲孔爆破振动信号即测点 2 的能量分布特征， 发现采用缓冲爆破时， 0 ～15． 6 Hz 范 表 6水平方向爆破振动信号的能量分布百分比统计 Tab． 6Percentage of frequency band energy distribution at horizontal direction 频带/Hz 水平方向爆破振动信号的能量分布 测点 1/ 测点 2/ 测点 3/ 测点 4/ 测点 5/ 测点 6/ 0 ～7． 84． 167． 866． 549． 549． 1511． 65 7． 9 ～15． 633． 2943． 2946． 4557． 7261． 3873． 65 15． 7 ～23． 410． 367． 557． 435． 164． 592． 18 23． 5 ～31． 345． 5134． 8935． 3224． 5921． 4810． 53 31． 4 ～46． 91． 462． 121． 411． 080． 950． 51 47． 0 ～62． 55． 224． 292． 851． 912． 451． 48 342第 1 期周建敏等缓冲孔对爆破振动信号幅频特性影响研究 ChaoXing 围内的能量分布百分比从 37． 45 增加到 51． 15。 15． 7 ～31． 3 Hz 范围内的能量分布百分比从 55． 87降 低到 42． 44。分别将测点 3、 测点 5 和测点 4、 测点 6 进行对比， 发现各频带能量分布规律一致。说明在同 一次爆破试验中， 设置缓冲孔爆破的振动信号能量更 向高频的主振频带集中， 有利于避开边坡的自振频率。 3对比测点 1、 3、 5 爆破振动信号的能量分布， 发现爆破振动频率介于0 ～15． 6 Hz 之间的能量占振动 信号总能量的比例从37． 45增加到70． 53。而爆破 振动频率介于 15． 7 ～ 31． 3 Hz 的能量比例从 55． 87 降低到 26． 07。说明随着爆心距的增加， 爆破振动信 号的能量往低频的主振频带集中。 4结论 本文依托贵州某露天矿爆破施工工程， 通过现场 爆破振动测试， 采用小波包分析和数值模拟相结合的 方法， 研究了缓冲孔对爆破振动信号幅频特性的影响， 取得结论如下 1设置缓冲孔的临近边坡爆破具有明显的减振 效应。相同测点条件下， 水平切向振动信号的减振率 最大， 减振效果最好。且随着测点距爆源的距离越近， 其减振效果越好。 2爆破振动信号的能量主要集中于 60 Hz 以内 且分布极不均匀， 存在多个主振频带。设置缓冲孔进 行临近边坡爆破时， 其振动信号的能量更向高频的主 振频带集中， 有利于避开边坡的自振频率。而随着爆 心距的增加， 爆破振动信号的能量往低频的主振频带 集中。 参 考 文 献 ［1］ 张成良， 梁开水， 唐海． 预裂爆破减振作用效果分析［J］ ． 爆破， 2003， 20 2 17- 19． ZHANG Chengliang， LIANG Kaishui， TANG Hai． Analysis of effect of shock- absorption in presplit blasting［J］ ． Blasting， 2003， 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