基于振动波传播规律的微差台阶爆破降振研究

周文海，王建勇，熊征宇

（1.福州大学紫金矿业学院，福州350116；2.紫金山金铜矿，福建上杭364200；3.福建金山建设工程有限公司，福建上杭364200）

基于振动波传播规律的微差台阶爆破降振研究

周文海1，王建勇2，熊征宇3

（1.福州大学紫金矿业学院，福州350116；2.紫金山金铜矿，福建上杭364200；3.福建金山建设工程有限公司，福建上杭364200）

在某露天矿实施逐孔台阶微差爆破试验，试验过程对三个不同延期时间爆区进行测振。对所测数据和波谱进行分析研究，探究出爆破振动过程中振动波传播规律以及波速峰值、主频、频带能量、总能量等的变化特征。在此基础上分析该特征与爆破振动之间的关系，发现最大主频、峰值速度、能量汇聚点出现时间和最大振动位移出现时间点吻合。同时对峰值速度随时间变化依据所测得的数据进行数学拟合，给出了速度波衰减方程。通过以上研究发现，改变微差时间来控制这些变量出现的时间点可降低爆破振动。所得理论可为今后爆破降振提供技术参考。

微差爆破；振动速度；最大主频；时速分布

自20世纪中叶开始，国内外学者通过多种理论方式和试验方法对微差台阶爆破降振技术进行研究，并总结出了不少的理论成果以及经验模型。较代表性的有：Morris通过对地震波传播衰减规律研究，总结出振幅可作为微差爆破降振的判断指标［1］；Ghosh和Dement指出地震波峰值速度可作为载体来研究微差爆破降振措施，并首次将统计学原理应用于该理论［2］；马建兴等以爆炸振动破坏机理为理论基础，结合实际经验构建振动降振模型［3-4］；凌同华等采用小波变换时能密度分析，将波段分层重构和分辨分解，从能量变化的角度给出了降振举措［5］；赵明生通过雷管段数对爆破振动信号的时频特性影响分析来探究如何控制爆破振动［6］等。本文以波动学理论为基础，通过对地震波传播过程中波速、主频、功率谱、总能量等变化规律分析，研究各指标变化与振动位移关系，为微差台阶爆破降振措施提供全面的理论依据。

1 试验简介

在某露天金属矿进行三次不同段别雷管的逐孔台阶微差爆破试验，孔内采用10段（380ms）延期雷管，孔间、排间分别采用2、3、4段（25ms、50ms）、（25ms、75ms）、（50ms、75ms）延期雷管。试验过程采用Blast-UM型爆破测振仪对3个爆区产生的地震波测振，其中最大爆破振动合成速度用V＝（最大合成速度为某时三轴速度矢量和最大值）计算。具体装药和测振仪器如图1、2所示。

图1 爆破装药图Fig.1 The blasting charge

图2 测振仪器图Fig.2 The vibration test instrument

2 微差爆破地震波传播规律

测振过程中，在距离爆区大约150m处安置仪器探头，每个爆区安装3～4个探头。对测得的波形和数据进行筛选，挑出较为完整和理想的波形和数据作为研究对象。Blast-UM型测振仪测得振动波分别为x、y、z三轴速度，所以对速度进行矢量合成可得合成速度。其中三个试验爆区测振波数据如表1。

表1 测振波数据表Table 1 The vibration test value

从测振波数据表中可以看出，随着延期时间的增长，振动波最大合成速度和主频（FFT）都呈现递减状态；不难发现，主频和速度的递减几乎趋于线性关系，只有个别点出现突变现象，由傅立叶变换可知道这种递减关系存在线性收敛。原因是振动速度与时间之间函数可表示时域信号，采用傅立叶变换（DTF）展开，依据振动波叠加原理表明振动波对微差时间存在收敛性，文献［7-8］可以加以解释。所以选择合理的微差时间有助于降低爆破振动。

对某测点三轴测振速度矢量合成可得最大合成速度，如图3所示，该测点对应的频率谱如图4所示。

图3 实测某波段最大合成速度图谱Fig.3 Measured maximum synthesis speed of a wave band

通过对三个爆区测振频率谱和最大合成速度、主频随时间变化图分析得出：1）爆破振动能量信号主要分布在0～20Hz，基本上分布在低频频带，峰值速度大多集中在主频幅值较大的时间点上。2）随着微差时间的增大，主频持续时间增大，但主频幅值减小，原因是微差时间的不同导致振动信号在传播过程中相位交错叠加，拉远了叠加密度，催使波峰和波谷的衰减［9］。3）随着微差时间的增大，爆区振动波出现最高主频对应时间点逐渐分散，数据稳定性变差。故通过对振动波主频变化分析，选择合理的微差时间有效控制主频叠加，可作为降振减灾措施。

由波动学理论，通常认为地震波衰减呈指数衰减，采用数学模型，对爆区合成速度随时间变化建立函数关系。为研究方便，用Origin软件进行一阶指数衰减拟合，即最大合成速度随时间变化函数υ＝，A1是强度因子，λ1是衰减因子。具体见表2、3。

图4 实测某波段频率谱Fig.4 Measured frequency spectrum of a wave band

图5 最大合成速度—时间分布图Fig.5 Distribution diagram between largest synthesis speed and time

图6 主频—时间分布图Fig.6 Distribution diagram between dominant frequency and time

表2 爆区时间—速度衰减参数表Table 2 Attenuation parameters of blasting area time and velocity

表3 爆区时间—速度衰减方差表Table 3 Attenuation variance of blasting area time and velocity

使用ANSYS软件对某实测振动三轴及合成速度数据拟合，得出速度随距离传播的预测图，如图5所示；同样对该波段最大合成速度图谱进行一阶微分预算，可得速度变化率图谱。

从图7中可以看出，振动波传播速度随距离呈递减趋势，主要原因是随振动波的传播，能量出现衰减导致速度衰减。由拟合的速度衰减图可有效判断距爆源特定位置建筑物的振动情况，为有效控制地震波对于爆区建筑物破坏提供参考［10-11］；对图3中的最大合成速度进行一阶微分运算，得到图8中速度变化率图谱，从两图中不难发现，速度变化率最大点出现时间和最大合成速度峰值最大的突变点出现时期基本吻合。由此说明该点对应的振动作用最为显著，以此可作为最大振速的判据，为降振减灾提供有力的理论参考。

图7 三轴及合成方向预测速度图Fig.7 Prediction velocity diagram of three axis and synthetic direction

图8 实测某波段最大合成速度变化率图谱Fig.8 Measured maximum synthetic velocity change rate of a wave band

3 降振时间点的确定

微差爆破过程中，炮孔按照毫秒级别的间隔顺序依次起爆，使得爆破速度和能量在时间和空间上分散，以致于减弱爆破强度，有效地降低地震效应应当使得地震波波速在时间轴上完全分离［12］，所以理论上应当选取延期时间…（t′为地震波振动周期）。由于振动波传播为多种子波叠加而成，很难用理论时间来控制具体微差起爆。而地震波传播过程中，纵波速度最快，先起爆炮孔振动波波头在传播过程中会被后起爆炮孔纵波赶上叠加。最佳的防振微差时间应当是后起爆炮孔的纵波赶上先起爆炮孔横波初至的时间点之后，该点是速度波首次出现最大峰值速度突变的点，因为该点的出现只受到最先起爆相邻炮孔产生的振动波叠加效应［13］的影响。具体见图9。

图9 子波叠加图Fig.9 Stacking chart of wavelet

凌同华、李夕兵提出基于小波变换的时—能密度法［5］，其主要对爆破地震波传播过程中能量突变点振动信号分析，即小同频带波段能量随时间有较大变化的特点研究可确定微差降振措施；鉴于研究的简单和方便性，将小波变换的时-能分析转化为时-速分析。通过微差爆破频段波状分析，进而确定速度波段中主要的突变点，就可以确定延期爆破过程中炮孔的微差时间和相邻炮孔间最佳的降振延期时间［14］。如图9、10所示。

图10 振动波时间—峰值变化关系Fig.10 Changes between vibration time and peak-value

图11 地面振动位移—时间变化关系Fig.11 Changes between ground vibration displacement and time

从图10可以看出，速度波段中出现了6个速度峰值，其对应的时—速分布点分别为（0.117，0.492）、（0.135，0.356）、（0.395，0.480）、（0.423，0.356）、（0.476，0.492）、（0.495，0.383）。图11为该地震波合成速度波段积分所得地面振动位移随时间变化关系，当t＝0.476s时刻，振动波合成速度为最大值υ＝0.492cm/s，此刻，地面振动位移也达到最大，为s＝0.003 2cm。由此可鉴，利用振动波速度波谱的时—速分布规律可判断出地面最大振动位移以及该位移出现时刻。

4 结论

1）露天台阶微差爆破可利用改变微差时间来控制爆破振动，达到降振减灾的目的。

2）台阶微差爆破地震波随延期时间增加，最大合成速度和主频都出现递减现象，主频和速度的递减几乎趋于线性关系，且这种递减关系存在线性收敛。对速度波谱一阶微分，得到的速度变化率谱中幅值对应时间点和最大合成速度时间突变点吻合。因此，最大合成速度和主频可作为爆破降振指标。

3）通过观察地震波主频频带发现，主频集聚处一般都会出现幅值较大的频率，此处能量汇聚也最为严重，故该处对应的时间点振动最为严重。

4）利用振动波时间—速度分布原理，通过最大合成速度一阶积分，得到的振动位移图谱中显示最大位移处也吻合了合成最大速度的时间点。该点振动最为强烈，可作为抗震减灾的判断依据。

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Study on decreasing vibration for millisecond bench blasting based on the vibration wave propagation law

ZHOU Wenhai1，WANG Jianyong2，XIONG Zhengyu3
（1.College of Zijin Mining，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China；2.Zijinshan Au-Cu Mine，Shanghang Fujian 364200，China；3.Fujian Jinshan Construction Engineering Co.，Ltd.，Shanghang Fujian 364200，China）

In the experiment of hole-by-hole step blasting in a surface mine，the vibration is measured at three blast zones with different delay time.By the study of the measured data and the spectrum，the propagation law of the vibration wave and the peak value of the wave velocity，the basic frequency，the frequency-band energy，the change features of the total energy are studied during the vibration of blasting.On this basis，the relationship between this characteristic and the vibration of blasting is analyzed.The result shows that the maximum basic frequency，the peak velocity，the rendezvous point of energy and the vibration displacement appears at the same time.At the same time mathematical fitting of peak velocity changing with time is obtained according to the measured data，and the velocity attenuation equation is given.From the above results，changing the appeared time of these variables through changing millisecond time can reduce the blasting vibration.In this paper，the theory can provide technical reference for blasting vibration reduction.

millisecond blasting；vibration velocity；maximum frequency；speed distribution

TD235.4

Α

1671-4172（2015）06-0070-05

福建省自然科学基金资助项目（2011J01310）；青海威斯特露天矿临近高陡边坡控制爆破技术研究项目（01051402）

周文海（1989-），男，硕士研究生，采矿工程专业，从事爆破工程方向研究。

王建勇（1989-），男，助理工程师，采矿工程专业，从事爆破工程方向研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.015