基于小波包的某矿爆破震动信号分析

王柳， 邵亚建， 刘礼华， 刘剑， 尹丽冰

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西西华山钨业有限公司，江西 赣州 341000）

震动是爆破的主要危害之一[1-3]，是一个涉及爆源、传播介质、受震物体，受爆破参数、地质地层、结构响应等因素影响的复杂过程[4-5].在地下矿山，频繁爆破产生的震动对采空区、巷道、井筒、支护体、地表构筑物和尾矿库坝体的稳定性造成了极大的危害，信号的获取和分析研究是矿山爆破研究的重要内容[6-7].小波包技术具有多分辨分析特性，适合处理爆破震动等非平稳信号，针对小波技术只对低频部分持续分解，造成高频部分频率分辨率差，小波包技术对信号高频部分同样细化分解，提高了信号高频部分的分辨率，是一种更加精细的信号分析方法[8-10].为此，借助小波包技术对某矿爆破震动信号进行分析.

1 矿山与测试

1.1 矿山概况

该矿位于地表侵蚀面之上，是急倾斜中厚矿体，矿石、夹石和顶底板围岩稳固性好；矿区含水层少，岩组富水性较弱，水文地质情况较好.采用水平扇形深孔阶段矿房法开采矿体（图1），矿房沿走向布置，长度 56 m，宽度 12.7 m，阶段高度50 m，顶柱 5 m，间柱6 m.炮孔由YT-28型钻机钻进，孔径62～65 mm，孔深5～20 m，崩矿时采用导爆管雷管孔内微差起爆，水平扇形炮孔由下往上逐排爆破，矿石靠自重下放到底部结构.

图1 爆源、测点布置

1.2 仪器与测点

现场测试分 5 组（A、B、C、D、E）实验，见图 1，爆源集中在该矿79线的+372 m分段的采矿进路和切割巷道，测点（1、2、3、4、5）布置在+384 m 分段的放顶巷道.

测试仪器为BlastmateIII爆破测震仪[11]，当质点速度超过0.1 mm时，传感器自动触发，采样持续时间6 s，D、E组采样率 2 048，A、B、C组采样率4 096， 为方便分析，对其进行抽稀，变成2 048.

1.3 测试结果

表1是测震仪记录数据，图2是B组实验测试2号点的原始波形图，噪声充满整个时间采样坐标，波形出现只有正值部分的异常现象，信号分辨率差，分析前须进行去噪处理.

图2 原始波形

表1 原始数据

表1 （续） 原始数据

2 小波包去噪

小波包去噪通常采用阈值法去噪，其基本步骤有[12-14]：①选定合适的小波基，对原始信号进行一定层次的分解；②确定阈值并对最底层小波包高频系数进行阈值量化；③重构最底层小波包低频系数和经过量化处理的高频系数，得到真实信号.

爆破震动信号衰减迅速，常采用db和sym两类小波基进行分析[15]，图3是采用db8小波基对原始波形进行3层小波包分解去噪后的波形.去噪后，信号的质点峰值速度 （PPV）由 0.152 0 cm/s变成0.153 0 cm/s，噪声强度达到0.016 5 cm/s.

图3 小波包去噪

3 小波包分解

奈奎斯特频率为采样率的一半[16]，故信号的频率范围为0～1 024 Hz，选定db8小波基对去噪后获取的真实信号进行4层分解，则可获取24个频段长度为64 Hz的分信号，其对应的频率范围分别为0～64 Hz、64～128 Hz、 …、960～1 024 Hz.0～64 Hz、64～128 Hz、64～192 Hz、192～256 Hz这 4 个频段（图 4）的分信号，幅值较大，有明显的衰减，为信号分布的主要频率区域.大于256 Hz频段的分信号幅值很小，是信号的微弱部分，而爆破震动信号频率通常是在200 Hz以下的区域，这也反证了小波包去噪的有效性.

图4 4层小波包分解

4 实验分析

测振仪记录的数据变化复杂，规律性差.在相同爆破条件下，1、2、5号测点的速度和频段分速度大致呈随距离增大而变小的规律.而3、4号与1、2、5号测点相比，总速度和频段分速度幅值大，其原因是1、2、5号测点与爆源中间隔有一条放顶巷道，震动波传播实际距离比理论值更远，3、4号测点与爆源同侧，震动波理论传播距离即为实际传播距离.

噪声呈随机、多变特性，与测试环境、传播介质等因素有关，但常与真实信号混叠，造成信号波形淹没，使PPV增大或减小，降低原始信号的准确性与可靠性.

总体而言，爆破震动速度在各频段均匀分布，没有明显集中现象，见表2.但在一次爆破中，1、2测点频段4的分速度相对频段1、频段2大，由于高频振动波在传播过程中容易被吸收，5测点频段2的分速度相对频段4大，也即随着传播距离的增大，速度有向低频集中的趋势.实际工程中，在井筒、地表等地，距离爆源较远，爆破震动波频率易接近于构筑物的固有频率，产生共振效应，加大爆破震动危害.

表2 频段分信号

表2 （续） 频段分信号

为得出速度V、药量Q和距离R的关系，将国内外普遍采用的萨道夫斯基公式是与爆破条件有关的系数、a是与传播地层和介质有关的衰减指数、ρ是药量Q与距离R的组合值称为比列药量）引入，对去噪后的数据进行线性拟合，见图5，得出a=1.459 5、k=10.657 0，也即该矿爆破震动速度的经验公式为

图5 ln V与lnρ的线性拟合

5 结 论

1）噪声易与真实信号混叠，造成信号波形被淹没，使PPV增大或减小，降低原始信号的准确性与可靠性.

2）真实信号在0～256 Hz均有分布，各频段未见明显集中现象，但在同一爆破中，随着传播距离的增加，速度有向低频集中的趋势.

3）通过线性回归，得出该矿的萨道夫斯基公式衰减系数a=1.459 5、k=10.657 0，从而确定了爆破震动波衰减的经验公式，为矿山爆破设计提供了一定依据.

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