基于HHT爆破地震波穿越岩体层面衰减规律研究.pdf

第 3 2卷第4期 2 0 1 5年 1 2月 爆破 BLASTI NG V o 1 ． 3 2 No ． 4 De c ． 2 O1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 14 8 7 X． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 3 0 基于 HH T爆破地震波穿越岩体层面衰减规律研究 水 宋 文 峰 ， 张 2 李 跃中 。 ， 余 红 兵 1 ． 中国工程爆破协会， 北京 1 0 0 0 7 0； 2 ． 中化泉州石化有限公司， 泉州 3 6 2 1 0 3 ； 3 ． 贵州高速公路开发总公司， 贵阳 5 5 0 0 0 0 ； 4 ． 贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳 5 5 0 0 0 2 摘要 爆破振动对建 构 筑物的破坏不仅与振动速度峰值有关， 而是爆破振动频率、 振动能量幅值、 建 筑物的自振频率等因素综合作用的结果。使用基于 H H T的瞬时能量分析法对爆破地震波 I MF分量作 了 Hi l b e a变换， 通过计算信号边际谱并分析各频带能量分布比例 ， 获得了爆破地震波时频域特性及能量分布规 律。结合复杂环境下云南某石灰岩矿山的爆破振动实测数据， 分析 了爆破振动地震波在穿越不同岩体层面 前后能量的分布变化规律， 对矿山现场溜井平台附近的常规爆破生产提 出了爆破振动主动控制安全要求。 关键词 爆破振动；H i l b e r t H u a n g变换；边际谱；能量分析 中图分类号 T D 2 3 5 ． 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 4 0 1 5 3 0 5 S t u d y o n At t e n u a t i o n La w o f Bl a s t i n g S e i s m i c W a y e s Thr o u g h Ro c k La y e r s ba s e d o n HHT S O N G W e n - f e n g ， Z H A N G Q i ， L I Y u e z h o n g ， Y U H o n g b i n g 1 ． C h i n a S o c i e t y o f E n g i n e e r i n g B l a s t i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 0， C h i n a ； 2 ． S i n o c h e m Q u a n z h o u P e t r c h e mi c a l C o L t d ， Q u a n z h o u 3 6 2 1 0 3 ， C h i n a ； 3． Gu i z h O U Ex p r e s s wa y De v e l o pme n t Co r po r a t i o n， Gu i y a n g 5 5 00 0 2， Ch i n a； 4 ． G u i z h o u X i n l i a n B l a s t i n g E n g i n e e r i n g G r o u p C o L t d ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 2 ， C h i n a Abs t r ac t B l a s t i n g v i b r a t i o n d e s t r u c t i v e e ff e c t o n s t ruc t u r e s i s n o t o n l y c o n n e c t e d wi t h p e a k v a l u e s o f v i b r a t i o n v e l o c i t y， b u t als o i s t h e c o n s e q u e n c e o f v i b r a t i o n f r e q u e n c y， v i b r a t i o n e n e r g y a mp l i t u d e a n d s t ruc t u r e s n a t u r al v i b r a - t i o n f r e q u e n c y ． T h e t r a n s i e n t e n e r gy a n aly s i s me t h o d b a s e d o n HHT wa s u s e d t o g e t t h e Hi l b e r t T r a n s f o r m o f t h e I n t r i n s i c M o d e F u n c t i o n ] MF o f b l a s t i n g s e i s m i c w a v e s ， a n d b y c a l c u l a t i n g s i g n a l s m a r g i n a l s p e c t rum a n d a n al y z i n g e n e r gy d i s t rib u t i o n i n e a e h f r e q u e n c y b a n d， t h e t i me - f r e q u e n c y d o ma i n c h a r a c t e ri s t i c s a n d e n e r gy d i s t ri b u t i o n rul e s o f bl a s t i n g s e i s mi c wa v e s w e r e o b t a i n e d．Ba s e d o n t h e me a s ur ed da t a o f b l a s t i n g v i br a t i o n i n a l i me s t o n e mi ne un d e r c o mp l i c a t e d e n v i r o n me n t i n Y u n n a n， t h e e n e r g y d i s t ri b u t i o n r u l e s o f b l a s t i n g v i b r a t i o n s e i s mi c w a v e s b e f o r e a n d a f t e r t h r o u g h d i f f e r e n t r o c k l a y e r s w e r e d i s c u s s e d， a n d t h e s a f e t y p r o d u c t i o n r e q u i r e me n t s wa s p u t f o r w a r d t o c o n t r o l o f b l as t i n g v i b r a t i o n i n rur a l b l a s t i n g o p e r a t i o n s n e a r o r e p ass p l a t f o rm s ． Ke y wor ds b l a s t i n g v i b r a t i o n ；Hi l b e r t Hu a n g t r a n s f o rm ；ma r g i n al s p e c t rum；e n e r gy a n a l y s i s 爆破振动能量在不同个 质中的传播规律分析是 收稿 日期 2 0 1 51 1 1 9 作者简介 宋文峰 1 9 8 6一 ， 女 ， 硕 士 ， 从 事 国际爆破 技术交 流管 理 研究 ， E ma i l s o n g 6 1 8 g ma i l ． c o m。 基金项目 黔科合重大专项字 [ 2 0 1 5 ] 6 0 0 3 ； 贵州省交通厅资助项 目 2 0 1 l 一1 2 10 0 2 爆破振动危害控制的重点和难点问题。为了能够反 映爆破振动对周边建 构 筑物 的综合影响 ， 相关学 者对爆破振动的振速和频率做 了大量研究 引， 如宁 瑞峰 、 黄文华 、 谢全民等利用小波变换将爆破地震波 在时域 、 频域上展开， 将信号在不同频带上的主震相 能量按加权系数合成 ， 建立 了综合考虑爆破振动速 1 5 4 爆破 度峰值 、 振动频率 、 振动持续时间以及受控建筑物 自 振频率 、 动态响应特征等 因素的安全判据 ； 张义 平等利用希 尔伯 特黄变换 H H T ， 通过 E MD将爆 破振动信号分解 ， 综合反映了爆破振动的幅值 和能 量分布特征 圳 。爆破地震波对于结构产生首次超 越和塑性累积损失两种破坏形式 ， 是与瞬时输入能 量和滞回耗能两种能量形式对应的， 因此基于爆破地 震波能量传爆规律的研究具有重要的理论意义及工 程实用价值。采用 H H T分析方法 ， 在分析爆破地震 波穿过岩体层面前后能量分布变化的基础上， 根据现 场地质地形条件提出了爆破振动主动控制措施。 1 工程概况 云南某石灰岩矿 山矿区为喀斯特地貌 ， 根据矿 区下部和现有采场 出露岩层查看 ， 矿区底层为二叠 系 ， 下统为灰色和黑色含燧石灰岩。岩层 以中薄层 为主， 受多期构造挤压 活动影 响， 节理裂 隙极 为发 育 ， 岩层表现极为破碎。矿区 内有两种不 同材料属 性的灰岩 黑色灰岩 和灰色灰岩。两种不同岩性 的 层面分界极为明显 ， 从现开挖边界至边坡底部层面完 全贯通 ， 节理密度 2～1 0条／ m， 普遍无次生泥夹层 ， 无 钙质胶结， 岩体极为破碎， 强风化 ， 可能产生潜在一定 规模的边坡破坏。其 中， 灰色灰岩分布在矿 区西南 部 ， 区内为矿山溜井平台， 黑色灰岩分布在矿区东北 部 ， 为矿区主要开采 台段， 如图 1 所示。矿山现场采 用斜线起爆方式 ， 双孔或多孑 L 齐响， 单响药量较大。 为确保生产爆破的振动对溜井平台不产生破坏效应 ， 对穿过两种岩性的结构分界面进行能量分析 ， 以期达 到矿山的安全生产和溜井平台的安全稳定。 炮 孔 堵 塞 ～岩 ／ ⋯岩 溜 炸 药 | 囊 图 1 矿区内两种不同岩性边坡 Fi g ． 1 L o c a t i o n o f r o c k s l o p e s 2 希 尔伯特- 黄变换 HHT HH T主要 内容包 含 经 验模 态 分解 e mp i r i e a l m o d e d e c o m p o s i t i o n ， 简称 E MD ， 即 H u a n g 变换 以及 H i l b e n变换 H i l b e r t t r a n s f o r m， 简称 H T ， 其核心是 E MD。其本质是对一个信号进行平稳化处理 ， 按信 号中不同尺度的波动或趋势逐级分解 ， 得到一系列 具有不同特征尺度的本征模态函数 。基于这些分量 进行的 H i l b e a变换得到的结 果能够 反映真实的物 理过程 ， 即信号能量在空问 或时问 各种尺度上的 分布规律。 对经过 E MD分解出的 I M F分量进行 H i l b e r t 变 换 ， 综合 I M F瞬时频率则可得到 H i l b e r t 谱形式如式 1 所 示 。 日 ∞ ， R e ∑a i t e Jl “ 1 在 H i l b e r t 谱的表达式中对时间进行积分 ， 则可得到 对应的边际谱形式如式 2 所示。 r h ￡ I H ∞ ， d t 2 则各频率的能量占被分析信号总能量的比例可通过 式 3 求出。 1 0 0 ％ 3 由式 3 就可以得到信号的不同频带能量分布。 3 爆破地震波特性分析 矿山现场主要采用 中深孔爆破进行开挖作业 ， 孔径 1 6 5 m m， 孑 L 深 1 5 m， 孔排距分别为 6 m， 5 ． 5 i n ， 采用 2 岩石膨化硝铵炸药 ， 采用三角形布孑 L 方式进 行斜线起爆。现场利 用成都 中科测 控 T C 一 4 8 5 0仪 器对爆破生产进行振动测试并分别 获取竖直方 向 Z 、 水平切 向 X 、 水平径 向 1 ， ， 指 向爆源 的爆破 地震波 ， 测点与爆破平 台在同一 水平上沿爆破地震 波传播方向射线布置 ， 由于黑色灰岩和灰色灰岩两 种岩体完整性均较差 ， 均极为破碎 ， 在节理面和层面 的共同作用下呈近似砾岩状 ， 因此忽 略不 同方 向上 爆破地震波传播规律的差异。主要考虑两种岩性层 面分界结构面对爆破地震波的衰减作用。其 中， 1 、 2 测点布置在岩体层面分界线之前 ， 2 测点紧邻层 面分界线 ， 基岩与爆破 区域 同属于黑色岩性 ， 3 测点 紧邻层面分界线 ， 布置在灰色灰岩基岩上 ， 4 测点布 置在灰色基岩处。5 、 6 测点位置与爆 心距离分别 与 3 、 4 测点位置相近 ， 但布置在黑色基岩处。具体 布置如图 2所示 。并得到爆破工况参数及其测点振 动速度峰值和振动主频如表 1所示 。 表 1 爆破工况参数 Tabl e 1 Bl a s t i ng c on di t i o n p ar a me t e r s 注 孑 L 问延时 1 7 m s ， 排间延时 1 7 ms ， 单孔装药量 1 4 4 k g 。 1 5 6 爆破 2 0 1 5年 l 2月 8 0 70 60 50 萎4 0 妞 3 O 20 l 0 O i ． j 数组 1 ％_数组2 ％赫数组3 ％ U数组 4 ％麟数 组5 ％一数组 6 ％ -_ 猖- I 疆 I,III h ll ． 蘑． l。． 1 麟． 07 ． 8 7 ． 91 5． 6 1 5 ． 7～ 23 ． 4 23 ． 5～3 1 ． 3 31 ． 4 ～4 6． 9 4 7． 0～6 2． 5 6 2． 6 ～8 5． 9 ≥ 8 6 ． 0 频率 ／ Hz 图 4 爆破地震波频带能量分布／ ％ F i g ．4 E n e r g y d i s t rib u t i o n o f e q u e n c y b a n d s 从表 2和图4可知 ， 爆破地震波的频率分布有 如下规律 不 同测点信号在 6 2 ． 5 H z以下 的能量均 占信号总能量 的7 5 ％以上 ， 这表明爆破地震 波能量 在频域上虽然分布广泛， 但大多数能量都集中在低 频频段。从边际谱中可以看出， 爆破主频都为7 ． 9 1 5 ． 6 H z以内； 从 1 、 2 、 5 、 6 测点信号能量分布可知 在爆破地震波未穿过层面时， 爆破振动频率主要集 中在 7 ． 9～6 2 ． 5 H z ， 占到总爆破能量 的 9 0 ％ ； 从 3 、 4 测点信号能量分布可知 当爆破地震波穿过层面 时， 爆破地震波能量的峰值会急剧减小 ， 频带能量范 围会变窄 ， 从图中可 以看出， 能量主要集 中在 7 ． 9～ 2 3 ． 4 H z ， 占总能量的 9 1 ％以上 ， 超过 6 2 ． 5 H z能量 分布基本为零。 4 爆破振 动速度 回归分析 利用 T C ． 4 8 5 0测振仪对现场 多次地震波 穿越 两种岩性的振速进行测量 ， 测得多组穿过岩层结构 面后的爆破地震波三个垂直方 向爆破的速度 值 ， 通过二元线性 回归计算 ， 得到不 同爆破工况下 的基 于萨道夫斯基公式的 K、 o 【 系数 ， 从而得到地震波 传播规律。 水平切 向 、 Y 水平径 向 、 Z 垂直 方 向上的传播规律分别为 3 1 7 5 3 1 4 ． 0 4 f 1 ＼ R ／ V y 4 2 0 ． 3 6 f 1 4 、 R ， 3 9 9 ． 1 1 f 1 ＼R ／ 式 中 K、 为地形 、 地质条件有关的系数和衰减 指数。 矿 山现场层面结构处于溜井平台与生产爆破场 地之间 ， 所以生产爆破地震波必须穿过结构面才能 达到溜井平 台， 其最近的距离为 6 0 m， 而溜井 未经 混凝土 加 固 ， 根 据 爆 破 安 全 规 程 G B 6 7 2 2 2 0 1 4 中规定永久性岩石高边坡的安全允许质点振 动速度为 5～ 9 c m ／ s f 1 0 nz ， 当爆破振动频率穿 过结构面后其振速峰值接近并超过溜井平台临界振 速时 ， 溜井容易破坏。根据 回归公式以 5 c m／ s 为安 全判定标准 ， 计算 可得临界状态下最大单响药量分 别为 1 7 8 ． 7 k g 、 2 1 2 ． 4 k g 、 1 7 7 ． 8 k g 。因此 ， 考虑爆破 振速峰值的影响， 在确保溜井平台安全的情况下最 大单响药量应控制在 1 7 5 k g以内。 5 结论 1 处于 同一岩性的爆破振动传播 ， 随着爆心 距的增加 ， 爆破振动速度峰值 、 能量幅值依次降低 ， 爆破振动各频带能能量分布向低频移动， 主要体现 在 6 2 ． 5 H z以上能量分布降低。 2 相比正常爆破振动速度 和能量衰减 ， 分析 3 、 4 、 5 、 6号爆破地震波 ， 当地震波穿过层面时， 振动 速度和能量幅值 大幅度减小， 能量主要集 中在 7 ． 9～ 2 3 ． 4 H z ， 占总能量的9 1 ％以上 ， 超过 6 2 ． 5 H z 能量分布基本为零 。 3 建立 了溜井平 台爆破振动速度传播规律经 验公式 ， 计算得出在矿山进行常规生产爆破时， 距离 溜井 6 0 m生产爆破时最大允许单响药量为 1 7 5 k g ， 保证矿 山安全生产。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 卢文波， 张乐， 周俊汝， 等． 爆破振动频率衰减机制 和衰减规律的理论 分 析 [ J ] ． 爆破 ， 2 0 1 3 ， 3 0 2 1 6 ， l 1． [ 1 ] L U We n b o ， Z H A N G L e ， Z H O U J u n r u ， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l a n a l y s i s o n d e c a y me c ha n i s m a n d l a w o f bl a s t i ng vi b r a t i o n e q u e n e y [ J ] ． B l a s t i n g ， 2 0 1 3 ， 3 0 2 1 - 6 ， 1 1 ． i n C h i n e s e 第 3 2卷第 4期 宋文峰， 张琪， 李跃中， 等基于 H H T爆破地震波穿越岩体层面衰减规律研究 1 5 7 科技论 文 关键 词使 用小知识 关键词是反映文章最主要 内容的术语 ， 对文献检 索有重要作用。凡期刊文章的文献标识码为 A、 B、 c三 类者均应标注中文关键词， 有英文摘要者应同时给出英文关键词。中、 英文关键词应一一对应。一般每篇文 章可选3～ 8个关键词， 如有可能， 尽量用 汉语主题词表 等词表提供的规范词； 未被词表收录的新学科、 新 技术中的重要术语以及文章题 名 中的人名 、 地名也可 以作为 关键词标 出。多个关键词应按词条外延层次 学科 目录分类 由高至低顺序排列， 以便 于计算机 自动切分 ， 关键词之 间应 以分号“； ” 分 隔， 最后 一个词后 不打标点符号， 并以显著的字符排在 同种语言摘要 的下方。 中文关键词前应冠以“ 关键词 ” ， 英文关键词前 冠 以“ K e y w o r d s ” 作为标识。