磁电式速度传感器安装方位角对测试数据的影响研究

张梦乔 肖定军，2 蒲传金 张 金3

（1.西南科技大学环境与资源学院；2.绵阳市海川爆破工程有限公司）

爆破作为岩土工程的主要开挖手段，在高效开挖的同时也带来了一些有害效应：爆破地震效应、爆破冲击波以及爆破噪声等［1-3］，监测技术是研究如何控制这些有害效应的重要手段之一。大量的学者通过爆破地震波监测探究了各式建（构）筑物的抗震标准［4-6］；同时利用反应谱、小波分析、神经网络以及分形理论等方法［7-9］对爆破地震波进行分析得到其波形特征；通过测得的爆破地震波数据利用一些理论回归方法可以对爆破地震波的峰值与频率进行预测［10-12］。可见大量的爆破地震波的研究都是建立在爆破地震波测试的基础上，而爆破地震波数据的可靠性、精确性研究往往较少。

早期由于爆破设备的发展滞后，国内爆破测试主要采用单向磁电式速度传感器，传感器尺寸也比现在大得多，这给爆破测试带来了不小的困难。随着信息与计算机技术的快速发展，国内的爆破地震波监测设备得到了长足的发展。目前，国内爆破地震波测试已经全面采用三向一体式速度传感器，且爆破安全规程中明确规定了爆破地震波监测时必须使用一体化的三向速度传感器［13］。

一体化三向速度传感器由2支水平传感器与一支垂向传感器构成。由于水平传感器有一定方向性的要求，通常安装传感器时要求传感器的水平X方向指向爆源中心，即测试径向振动，与之垂直的Y方向即为切向。然而在进行爆破振动测试时，测点距爆源距离较远，且测点位置与爆源不在同一高程，难以确定准确的安装方向，因此对测试结果产生影响。

本研究通过改变传感器接收入射波的方向来模拟在测试过程中传感器的安装方向偏差，从而分析对爆破地震波测试数据的影响。

1 试验方法与条件

1.1 爆破振动测试系统

爆破地震波通过一体化的三维传感器捕捉后，转换为电压信号的变化量通过数据连接线传输给爆破测振仪（Blast-UM），利用爆破测振仪的高速A/D转换器将传感器输入的模拟信号采样为数字信号储存于爆破测振仪中，利用爆破测振仪的高速USB接口通过专业软件将测得爆破地震波数据进行分析、结果输出与波形显示。本次采用的爆破振动测试系统如图1所示。

1.2 测点布置

露天台阶爆破是常见的矿山爆破形式，其装药结构丰富，起爆形式多样，这种台阶爆破方式也常常用于城市道路与基坑开挖工程之中。本次测试布置4组测试点，测点组1中心距离爆源30 m，测点组2为40 m，测点组3为50 m，测点组4为60 m。

本次设置的测点组中，每测点组布置3支三分量的速度传感器（其中测点组4只布置了2支三分量传感器）。通常传感器的X轴方向指向爆源，定义其为径向，与之水平垂直的Y方向定义为切向，垂直于水平面的Z方向定义为垂直方向；为了模拟现场传感器布置的偏差，定义爆源与测点连心线与传感器X方向形成的水平夹角为β，分别设置为0°、30°、60°；每组测点中3个传感器距离控制在5 cm左右，以此认为该组测点在整个测试系统中处于相同位置。单组测点现场布置如图2所示。

1.3 主要爆破参数

爆破参数不仅仅决定爆破效果，同时也影响爆破有害效应。本次在广西鱼峰水泥矿山进行深孔台阶爆破时，进行了不同方位传感器的爆破振动测试。台阶布置1排5个炮孔，每孔装药量为22.7 kg（乳化炸药）；台阶高度为10 m，孔深11.5 m，炮孔倾角为80°，孔径90 mm，孔距2 m，抵抗线3 m；采用不耦合装药结构，不耦合系数从孔底往上依次递增；底部留0.8 m空气间隔；堵塞长度为2.35 m。

2 测试结果与分析

2.1 测试数据

本次试验进行了一次现场测试，测试速度峰值数据见表1。

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2.1.1 波形特征分析

布置的4个测点组获取的振动波形图如图3～图6所示，汇总了每组测点组径向与切向振动波形。由于每个测点组距离爆源位置相对一致，因此每个测点组的波形变化趋势较为一致，但由于在同一组测点组中3支传感器的角度有偏差，其径向与切向速度振动波形到达时间、峰值（绝对值）出现的时间以及峰值（绝对值）大小都有不同程度的差异，一般而言测点组距离爆源越近其差异越明显。

2.1.2 速度峰值偏差分析

本次实验以三向速度传感器X方向指向爆源的测点获取的速度峰值定义为标准值，其他2个测点各方向速度峰值与其差值的百分比为偏差值，各测点组偏差值汇总见表2，可见不同测点组的数值都有不同的数值偏差，由于各测点组的垂直方向振动与爆源的方向夹角无关，因此各测点组的垂直方向振动峰值偏差值均在10%以内，最大偏差值仅为7.02%。

根据表2得出各测点组径向、切向以及垂向速度峰值偏差值统计曲线如图7所示，由测试数据知，传感器的安装方向对测试值有明显的影响，主要是对2个水平方向测试数据产生了影响，且径向与切向速度峰值偏差值的平均离散值随着距爆源距离的增加先增大后减小，在50 m处达到峰值。垂直方向速度偏差值的平均离散值随着距爆源距离的增加略微波动增加，平均最大偏差值仅为2.41%。

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2.2 爆破振动传播规律分析

2.2.1 振动数据回归分析

地震波按照传播形式可分为两大类：一类是在岩体内部以压应力形式传播，称为纵波，另一类是沿岩体表面以剪切应力形式传播，称为横波。这2种波均能引起岩体介质的质点振动。因此，研究应力波的传播规律，必须要研究这2种波在传播过程中引起的岩体介质质点的振动规律，爆破振动测试系统是目前获取振动数据的主要手段，我国主要是根据萨道夫斯基公式对振动数据进行分析，见式（1）。

式中，V为质点振动速度峰值，cm/s；R为测点距爆源水平距离，m；Q为单次最大起爆药量，kg；K、α为场地系数与衰减系数，通过现场测试数据回归确定。

结合表2的数据，根据不同传感器安装方位角分别由式（1）回归K、α值，具体分析如下。

一般进行爆破振动测试时，传感器的X方向均为指向爆源即通过传感器安装夹角为0°数据来对K、α值进行回归，本次回归曲线如图8所示，K值回归范围为100～167；α值回归范围为1.20～1.29，2个水平方向回归的K值一致，垂直方向回归的K值偏小；α值均较为稳定。

传感器安装夹角为30°时，其K、α值回归曲线如图9所示。K值回归范围为100～157；α值回归范围为1.19～1.30，垂直方向的K值最小，切向较大，径向最大；α值均较为稳定。

传感器安装夹角为60°时，其K、α值回归曲线如图10所示。K值回归范围为100～120；α值回归范围为1.08～1.27，径向与垂直方向的K值一样且最小，切向较大；α值切向波动较大。

2.2.2 传感器布置角度对回归系数的影响分析

根据图8～图10的K、α回归值，可以得到其随传感器安装方位角的变化关系以及与其平均值关系，如图11所示。径向与切向回归K值均随着角度的增加逐步减小，垂直回归K值保持稳定；径向与垂向回归α值均随着角度的增加在平均值上下波动，其值基本保持不变，而切向回归α值随着角度的增加而急剧减小。

3 结论

（1）传感器的安装方位角对传感器的3个方向的速度峰值均有影响，其中垂向速度峰值影响最小，径向速度峰值影响次之，切向速度峰值影响最大，且随着传感器的安装位置远离爆源其影响逐渐变小。

（2）基于萨道夫斯基公式的K、α回归值也受传感器的安装角影响，但径向与垂直方向回归值基本保持一致，而切向回归值影响明显。