某金属矿山的爆破振动监测与分析

黄伟强，栾龙发，张智宇，李祥龙

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明　650093)



某金属矿山的爆破振动监测与分析

黄伟强，栾龙发，张智宇，李祥龙

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明650093)

摘要：根据矿山爆破开挖工程，结合爆破实际参数，对矿山安全管理较为关心的两处地方进行爆破振动监测，运用Matlab软件对萨道夫斯基公式进行回归，从而得出地质条件有关系数和衰减指数，并运用希尔伯特—黄变换(HHT)方法对爆破振动信号进行分析，确保爆破施工的安全，使得矿山生产顺利进行。

关键词：爆破振动；爆破参数；安全

1矿区工程概况

该矿区位于老君山复式花岗岩体西南侧外接触带，北面和东面以F0断层为界，宽约1.5 km，向南延至中越国境线。矿区断裂构造以纵向断裂为主，横向断裂次之。纵向断层成组出现，一般错距不大，以层间错动为主，具多期次活动，以F0及F1断层规模较大，是矿区主要断裂。横向断层规模较小，一般切割南北向断层，但错距不大。

在矿山东帮F0断层处出现沉降，半年之内沉降深度达4~5 m，给生产带来隐患。其中，F0断层出露于矿区东北部，是马关—都龙断裂的南段，走向近南北走向，倾向西，倾角40(°)~55(°)，其产状与地层展布基本一致，属层间断层。破碎带或构造角砾岩幅宽数米至十余米。断层切割较深，规模较大，具多期继承性特点，也是热液矿汁的通道。

2爆破器材与监测仪器

爆破器材：本矿山炸药主要采用规格为φ=120 mm、6.0 kg的RJ1号岩石型高威力乳化炸药；所使用的雷管为规格1~9段的毫秒导爆管雷管；还采用了MTIφ200空气间隔器，其双层密闭气袋透气量<5 g/24 h；炮孔内间隔器充气后的静荷强度≥0.32 Mpa；间隔器在炮孔内达到其额定静荷强度(压力)的时间≤20 s。

监测仪器：TC-4850爆炸测振仪、测距仪、GPS定位仪。

3爆破振动监测数据与分析

针对矿山比较关心的运矿隧道和东帮公路的F0断层两处，我们在爆破实例中分别布了测点进行爆破振动监测，具体数据及分析如下。

3.1爆破振动监测数据

本次爆破地点为矿区设定的1110平台，总药量12 000 kg，最大同时起爆药量24×19×2=912 kg。主要爆破参数如表1所示，起爆方式为逐孔起爆，装药方式为空气间隔装药。

表1　爆破实例主要爆破参数

爆破振动监测数据如表2所示。

表2　爆破振动监测数据

注：5、6的最大同时起爆药量是前4次单次药量的两倍，其余不变。

《爆破安全规程》(GB6722-2003)[1]规定的爆破振动安全允许标准见表3。

表3　爆破振动安全允许标准　cm/s

结合表2~3可知：爆破振动速度均在安全允许之内，符合要求。

3.2爆破振动信号萨道夫斯基回归

根据爆破振动测试结果，运用Matlab软件对萨道夫斯基公式进行回归，回归结果如图1所示，从而得出与爆破点至被保护对象间的地形、地质条件有关系数K、衰减指数α值[2]。

图1　萨道夫斯基回归拟合关系

由图1可知回归后方程为：Y=0.922X+0.780，R2=0.705；将萨道夫斯基公式变形得：lnV=lnK+ln(Q1/3/R)·α，设y=lnV，a=lnK，b=α，x=ln(Q1/3/R)，得y=b·x+a。则K、α的估计值为：K=6.036，α=0.922。

根据衰减系数与指数的求解结果可得到矿山爆破地震波传播规律为：

V=6.036(Q1/3/R)0.922

式中R——爆破振动安全允许距离，m；

Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；

V——保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s。

该公式可为矿山以后的爆破振动分析提供依据。

3.3基于HHT方法的爆破振动信号分析

在露天矿爆破振动监测的基础上，采用希尔伯特—黄变换(HHT)对爆破振动信号进行了分析处理，通过经验模态分解(EMD)，将信号分解为包含不同成分的数个IMF分量，经Hilbert变换绘制信号的频谱、边际能量谱等，并分析得出爆破振动信号的时频特性、能量分布等[3-4]，从而对爆破振动信号的特点做进一步的了解。

仪器记录的1组数据包含X、Y、Z 3个方向的振动数值，而在工程实践中，一般情况下，我国通常采用爆炸地震波的垂直振动速度(即Z方向的振动速度)作为分析依据，其中两个监测点各自垂直振动速度最大监测点Z方向的振动波形如图2~3所示。

图2　8 000 t输送巷道Z方向振动波形

3.3.1分析信号的选取

兼顾针对性和分析的全面性，分别选取8 000 t输送巷道和东帮公路两处监测点中峰值振速最大的振动信号(分别记为：S1、S2)做HHT分析。

图3　东帮公路Z方向振动波形

3.3.2波形信号的EMD分解

运用测试仪自带的软件将波形数据导出，并将波形数据的txt文档中负延时、波形后的数据去除，选用有波形的数据随后导入Matlab程序，再对波形信号进行EMD分解，其中S1、S2波形信号可得到如图4~5所示的各IMF分量。

图4　S1信号IMF分量

从图4~5可以看出：在各个IMF分量中，分量C1频率最高，但幅值非常小，说明所占的能量非常少，在S1中，这样的高频率低能量的分量甚至一直从C1到C5都是，表明在检测过程中引入了大量的高频噪声，可能是由于监测过程中监测点周围经过的矿用汽车产生，在分析的时候应该去掉；随后的分量C6~C11频率逐渐降低，说明在地震波的传播过程中高频已经大幅衰减，但他们的振幅较之前的高频分量大幅增加，并包含了信号的大部分能量，属于原始信号的优势频段，体现了原始信号所具有的特征，建(构)筑物的受振破坏主要是由这些分量所造成的，是分析的侧重点所在；对比两个信号的优势频段IMF分量可以看出，信号S1(8 000 t输送巷道处)的振幅均较小，说明地震波对这处的输入能量不是很大。

图5　S2信号IMF分量

3.3.3波形的瞬时能量谱分析

瞬时能量谱显示了爆破振动信号能量随时间的分布情况，他能够清晰地表征能量随时间变化的快慢，图6~7为各监测点信号的瞬时能量谱图。

图6　S1信号的瞬时能量

图7　S2信号的瞬时能量

从图6~7可以看出：在爆破近区(8 000 t输送巷道和东帮公路处振动信号S1和S2)爆破能量比较集中，主要在爆破之后0.5 s内到达能量峰值，然后逐渐降低，振动频率以中低频为主，8 000 t输送巷道处峰值能量较小于东帮公路处，分析认为东帮公路高程高于8 000 t输送巷道，也高于爆区，在之后的监测过程中应该考虑高程对地震波的影响；在合适的条件下东帮公路的破坏效应可能更大，特别对于距离爆破较远的露天矿高台阶边坡的累积损伤破坏效应会加大，对边坡稳定性的影响会日益突出，特别是在多雨季节，由于边坡岩质饱和水特性的变化，这对边坡稳定性的维护很不利，应该未雨绸缪做好防范。

4结论

由于爆破振动监测时受现场各方面的因素影响，且爆破振动效应危害大，所以如何根据工程实际情况来选取爆破振动监测设备、布置爆破振动监测点显得至关重要。通过对矿山两处的爆破振动监测数据的分析，可获得以下几点结论：

1) 爆破监测点布置较为合理，设备及调试符合工程测试要求，所测得的垂直震动速度满足可信度要求，且都符合国家安全标准;

2) 监测过程中应该考虑高程对地震波的影响，在合适的条件下其破坏效应可能更大，特别对于距离爆破较远的露天矿高台阶边坡的累积损伤破坏效应会加大，对边坡稳定性的影响会日益突出;

3) 采用HHT分析法能够求出爆破振动的频谱分布特征，得到的结果能够满足国家安全爆破规程的规定。

参考文献：

[1]GB6722-2003爆破安全规程[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004:97.

[2]葛哲学, 陈仲生. Matlab时频分析技术及其应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006: 140-152.

[3]王涛，夏岸雄，廖新旭.基于小波变换的爆破振动信号不同频带能量分析[J].金属矿山，2014(3)：52-55.

[4]何理，钟冬望，刘建程，等.微差爆破试验及爆破振动能量的小波包分析[J].金属矿山，2014(6)：10-15.

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Monitoring and Analysis on Blasting Vibration of a Metal Mine

HUANG Weiqiang，LUAN Longfa，ZHANG Zhiyu，LI Xianglong

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceand

Technology,Kunming,Yunnan650093,China)

Abstract:According to actual mining blasting excavation engineering, we have combined the reality of blasting parameters in the mine safety management concerned with two areas for blasting vibration monitoring. By using Matlab software to Steve sadove in regression formula, we have calculated geological conditions of related coefficient and damped exponential, and made an analysis of blasting vibration signals using the HHT method to ensure the safety of blasting construction in making mine production run smoothly.

Key words:Blasting vibration; Blasting parameters; Safety

中图分类号：TD235.1+4

文献标识码：A

doi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.01.005

作者简介：黄伟强(1991-)，男，福建闽侯人，在读硕士研究生，研究方向：工程爆破，手机：18669200462，E-mail：527160518@qq.com.

收稿日期：2015-11-12