CN102135445A - 爆破振动预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种爆破振动预测方法。首先确定一个基准爆破孔和多个测振点，并在各测振点处安置测振仪；起爆基准爆破孔以获得不同距离点的爆破振动波形，最后执行爆破振动波形预测进程。上述预测进程中，首先获得实际爆破振动测试数据，再依据预测目标点至各炮孔和基准爆破孔的距离，计算各炮孔在预测目标点的爆破振动波形和偏移叠加延期时间，基于振波叠加原理即可得到预测目标点处的振动波形。采用该方法得到的爆破振动预测结果真实地体现出场地的地形地质条件对爆破振动的影响，并能得到预测目标点的完整振动波形；预测波形的质点振动速度峰值与实测振速峰值很接近、出现的时刻相差也很小，分析结果准确可靠，从而可更好地指导爆破方案的调整。

Description

爆破振动预测方法

技术领域

本发明涉及爆破振动安全领域，尤其涉及一种可在爆前预测目标点爆破振动波形的爆破振动预测方法。

背景技术

随着我国基础建设和矿山开采的迅猛发展，爆破作为土岩开挖的一种必要手段所面临的环境越来越复杂，如何采用科学、有效的措施最大限度保证爆破安全，尽量降低爆破振动对周边环境的影响，成为顺利实施爆破施工、构筑和谐社会的一项迫切任务。由此，对爆破振动的评估及分析也成为人们日益重视的问题。

目前，通常采用萨道夫斯基公式

对爆破振动效果进行预测评估。式中，V代表介质质点振动速度的峰值，单位为cm·s^-1；R代表爆心距离，单位为m；Q代表同一时刻起爆的炸药量，单位为kg；K、α分别代表与爆破条件、地形地质条件等有关的系数和衰减指数。在工程应用中，将相应数值代入萨道夫斯基公式就可计算出介质质点振动速度的峰值V，进而再利用峰值V的大小对爆破振动进行安全评估。

但采用上述公式进行爆破振动预测评估存在以下缺陷：

1、上述公式中K和α的值都是根据爆破现场的实际情况靠经验确定的。若想得到比较可信的K和α的值，通常需要利用该爆破现场的多次爆破振动测试数据、采用回归分析法才能得到相应分析结果，但是通常回归分析的相关系数较低，采用上述公式计算爆破振动速度峰值V，只能从概率原理上进行预测。因此，预测结果的可信度和准确度难以把握。

2、公式中炸药量Q的值通常取为起爆网路中同段装药总量的最大值，R代表最大药量爆破药包对应到预测目标点的距离。而实际工程应用中，由于起爆器材自身延期精度的限制，同段的起爆器材无法精确同步起爆；同时，同段起爆的多个炮孔至目标点的距离也各不相同。因此，采用这种方式确定Q和R的值与公式的基本假设有较大差异，得出的预测结果自然准确度降低。

3、通常评估爆破振动效果时除需考虑质点振动速度的峰值V外，还需考虑爆破振动频率和爆破持续时间，只有综合考虑到这三方面的因素，才能得到比较可信的评估结果。而上述公式仅仅给出了对质点振动速度的峰值V的预测方法，无法得知爆破振动频率和爆破持续时间，因此采用上述公式对爆破振动进行分析评估不够全面。

发明内容

本发明的技术目的在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种爆破振动预测方法，该方法基于单孔爆破试验获得单孔爆破信息，再利用振动波叠加原理得到预测爆破振动波形。采用该方法得到的振动波形的预测结果能更加客观地体现出场地的地形地质条件对爆破振动的影响，并能得到预测目标点的完整振动波形。采用本发明的方法预测质点振速峰值比传统的萨道夫斯基经验公式更加准确可靠。

本发明所提供的爆破振动预测方法是按以下步骤进行的：

首先，在爆破区域附近确定一基准爆破孔；

其次，在位置坐标为(u₀，v₀，r₀)的预测目标点与上述基准爆破孔之间的连线上选取至少一个参考测振点，并在预测目标点和各参考测振点处分别安置可同步触发的测振仪；

再次，起爆基准爆破孔，以获得预测目标点和各参考测振点的爆破振动波形；

最后，根据基准爆破孔的爆破信息以及爆破区域内各炮孔的布孔信息，执行爆破振动波形预测进程，输出对预测目标点的振动波形。

采用本发明的技术方案对振动波形进行预测时，先选取一基准爆破孔用于获取基于场地条件的振动波形，作为原始分析数据。起爆基准爆破孔后，根据基准爆破孔的爆破信息以及爆破区域内各炮孔的布孔信息，执行爆破振动波形预测进程，即可得到预测目标点的预测爆破振动波形。这样得到的振动波形能综合体现质点振动速度的峰值、爆破振动频率以及爆破持续时间等评价爆破振动效果需要的信息，进而可对爆破振动效果进行更全面的评估。除此之外，利用本发明的技术方案进行爆破振动评估时，只需在爆破现场进行一次单孔爆破试验、依据在预测目标点和参考测振点分别测得的数据就可以得到可信的分析结果，爆破现场操作简单，也有利于提高测振效率。本方法执行爆破振动波形预测进程对从各测振点测得的数据进行分析处理，这一数据分析过程几乎不受人为因素的影响，进一步提高了分析结果的准确性和可信性，也为更好地优化调整爆破设计提供了有效手段。

本发明爆破振动预测方法中的爆破振动波形预测进程，依据基准爆破孔的爆破信息以及爆破区域内各炮孔的布孔信息进行预测。其中，基准爆破孔的爆破信息包括基准爆破孔的位置坐标(x₀，y₀，z₀)和装药量Q₀，炮孔的布孔信息包括炮孔的总数n、以及各炮孔的位置坐标(x_i，y_i，z_i)(i＝1，2，...，n)、装药量Q_i(i＝1，2，...，n)和起爆延期时间t_i(i＝1，2，...，n)。

作为本发明的一种优选方案，上述基准爆破孔的爆破信息还可进一步包括炮孔深度H₀，各炮孔的布孔信息还可进一步包括炮孔深度H_i(i＝1，2，...，n)。考虑炮孔的深度，更有利于计算结果的准确性。

爆破振动波形预测进程可按照以下步骤进行：

步骤一，分别读取从各测振仪分别测得的各测振点的爆破振动数据，并计算得到基准爆破孔在预测目标点的振动波形f(t₀)和爆破区域当地的地震波波速C_v；

步骤二，读取基准爆破孔的爆破信息；读取各炮孔的布孔信息；

步骤三，依据基准爆破孔的爆破信息计算地震波从基准爆破孔传播到预测目标点所经过的距离L₀；依据各炮孔的布孔信息分别计算地震波从各炮孔传播到预测目标点将经过的距离L_i；

步骤四，依据公式

依次计算各炮孔的爆破振动波形f(t_i)，其中，所述α为爆破振动衰减指数；依据公式

依次计算各炮孔的爆破振动波形f(t_i)在预测目标点的偏移叠加延期时间T_i(i＝1，2，...，n)；

步骤五，基于振动波叠加原理，在本发明中体现为爆破振动波叠加原理，依据公式计算得到预测目标点的振动波形F(t)；

步骤六，结束本爆破振动波形预测进程。

上述爆破振动波形预测进程中，计算出各个炮孔的起爆振动波形f(t_i)以及各炮孔的起爆振动波形在预测目标点的偏移叠加延期时间T_i后，就可依据振波叠加原理计算出各个炮孔作用于预测目标点时振动波形的叠加效果，从而得以预测预测目标点处振动速度的峰值、爆破振动频率和爆破持续时间等评价指标，而且还能得知峰值出现的时刻，也就是爆破发生后、振动对预测目标点影响最明显的时刻。这就可以准确地把握爆破振动的过程，更加全面地预测爆破振动效果，从而为优化爆破网路设计提供参考依据。

上述地震波从基准爆破孔传播到预测目标点所经过的距离L₀可采用公式

计算；

地震波从各炮孔传播到预测目标点将经过的距离L_i可采用公式计算得到。

进一步考虑基准爆破孔的炮孔深度H₀和各炮孔的炮孔深度H_i(i＝1，2，...，n)对地震波传播距离的影响，则距离L₀可采用公式

计算得到，距离L_i可采用公式

计算得到。这样算得的距离就能更准确地反映地震波传播的实际距离，从而更有利于提高预测结果的准确性。

作为本发明中爆破振动波形预测进程的优选方案，在执行上述步骤一时，可采用低通滤波的方式读取各测振仪测得的振动数据，这样有利于抑制高频噪音，消除环境对采集数据的影响，从而有利于提高振动数据的准确性。处理原始振动数据时采用的低通滤波阈值优选取为500Hz以内，以300Hz以内为最佳。

附图说明

图1-1为本发明单孔爆破试验中基准爆破孔起爆后传播到图5所示测振点302处的振动波形图；

图1-2为采用本发明爆破振动预测方法得出的测振点302处的预测波形图；

图1-3为实际爆破后测振点302处的实际波形图；

图2-1为本发明单孔爆破试验中基准爆破孔起爆后传播到图5所示测振点301处的振动波形图；

图2-2为采用本发明爆破振动预测方法得出的测振点301处的预测波形图；

图2-3为实际爆破后测振点301处的实际波形图；

图3-1为本发明单孔爆破试验中基准爆破孔起爆后传播到图5所示预测目标点300处的振动波形图；

图3-2为采用本发明爆破振动预测方法得出的预测目标点300处的预测波形图；

图3-3为实际爆破后预测目标点300处的实际波形图；

图4为振波叠加原理的示意图；

图5为采用本发明的方法进行单孔爆破试验时的实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明所提供的爆破振动预测方法是按以下步骤进行的，参见图5所示实施示意图：

首先，在爆破区域100附近确定基准爆破孔200的位置以及该孔200的装药量。基准爆破孔200位置的选取应在确保该孔200的起爆不对爆破区域100内各炮孔构成影响的前提下，尽可能地接近爆破区域100。

其次，在位置坐标为(u₀，v₀，r₀)的预测目标点300与上述基准爆破孔200之间的连线上选取至少一个参考测振点，例如图5中所示的测振点301和测振点302。在预测目标点300和各参考测振点处分别安置可同步触发的测振仪。参考测振点301/302应选取在基准爆破孔200起爆产生的地震波传播到预测目标点300的必然路径上，并且参考测振点301/302与基准爆破孔200之间的距离应使得参考测振点处的测振仪不被损坏。

再次，起爆基准爆破孔200，获得预测目标点300、参考测振点301以及参考测振点302处的爆破振动波形，分别如图3-1、图2-1和图1-1所示。

最后，根据基准爆破孔200的爆破信息以及爆破区域100内各炮孔的布孔信息，执行爆破振动波形预测进程，输出预测目标点300的振动波形。

采用本发明的实现方式对振动波形进行预测时，先选取一基准爆破孔200用于获取振动波形的原始分析数据。起爆基准爆破孔200后，结合基准爆破孔200的爆破信息以及爆破区域100内各炮孔的布孔信息，执行爆破振动波形预测进程，即可得到预测目标点的预测爆破振动波形。这样得到的振动波形能综合体现质点振动速度的峰值、爆破振动频率以及爆破持续时间等评价爆破振动效果需要的信息，进而可对爆破振动效果进行更全面的评估。除此之外，利用本发明的技术方案进行评估时，只需在爆破现场进行一次单孔爆破试验、依据在预测目标点和参考测振点分别测得的数据就可以得到可信的分析结果，爆破现场操作简单，也有利于提高测振效率。本方法执行爆破振动波形预测进程对从各测振点测得的数据进行分析处理，这一数据分析过程几乎不受人为因素的影响，进一步提高了分析结果的准确性和可信性，也为更好地优化调整爆破设计提供了有效手段。

本发明爆破振动预测方法中的爆破振动波形预测进程，依据基准爆破孔200的爆破信息以及爆破区域100内各炮孔(例如孔A105、孔A112、孔A113等)的布孔信息进行预测。其中，基准爆破孔200的爆破信息包括基准爆破孔的位置坐标(x₀，y₀，z₀)和装药量Q₀，炮孔的布孔信息包括炮孔的总数n、以及各炮孔的位置坐标(x_i，y_i，z_i)(i＝1，2，...，n)、装药量Q_i(i＝1，2，...，n)和起爆延期时间t_i(i＝1，2，...，n)。由于爆破施工时，炮孔实际深度往往与设计值有一定偏差，因此，各炮孔的炮孔深度需完成打孔后逐孔实际测量方能得到。在执行本发明中的爆破振动波形预测进程时，若炮孔深度与该炮孔距预测目标点的距离相比小一个或多个数量级，或各个炮孔深度相差不大时，可以不考虑炮孔深度的影响，这样有利于简化现场操作步骤，提高工作效率，同时，仍然可以得到较现有技术更加准确可靠的计算结果，满足精度要求。

考虑炮孔深度对振动波形的影响，上述基准爆破孔200的爆破信息进一步包括炮孔深度H₀，各炮孔的布孔信息进一步包括炮孔深度H_i(i＝1，2，...，n)，这样就更加周全地考虑了基准爆破孔200的爆破信息以及各炮孔的布孔信息，从而更有利于计算结果的准确性。

爆破振动波形预测进程可按照以下步骤进行：

步骤一，分别读取各测振仪分别测得的各测振点的爆破振动数据，并计算得到基准爆破孔200在预测目标点300的振动波形f(t₀)和爆破区域100当地的地震波波速C_v；

步骤二，读取基准爆破孔的爆破信息；读取各炮孔的布孔信息；

步骤三，依据基准爆破孔的爆破信息计算地震波从基准爆破孔200传播到预测目标点300所经过的距离L₀；依据各炮孔的布孔信息，分别计算地震波从各炮孔传播到预测目标点将经过的距离L_i(i＝1，2，...，n)；

步骤四，依据公式

依次计算各炮孔的爆破振动波形f(t_i)，其中，α为爆破振动衰减指数；依据公式依次计算各炮孔的爆破振动波形f(t_i)在预测目标点的偏移叠加延期时间T_i(i＝1，2，...，n)；

步骤五，基于振动波叠加原理，在本发明中体现为爆破振动波叠加原理，依据公式计算得到预测目标点的振动波形F(t)；

步骤六，结束本爆破振动波形预测进程。

上述爆破振动波形预测进程中，计算出各个炮孔的起爆振动波形f(t_i)以及各炮孔的起爆振动波形在预测目标点的偏移叠加延期时间T_i后，就可依据图4所示意的振波叠加原理计算出各个炮孔作用于预测目标点时振动波形的叠加效果，从而得以预测预测目标点处振动速度的峰值、爆破振动频率和爆破持续时间等评价指标，而且还能得知峰值出现的时刻，也就是爆破发生后、振动对预测目标点影响最明显的时刻。这就可以准确地把握爆破振动的历程，更加全面地预测爆破振动效果，从而为优化爆破网路设计提供了参考依据。

地震波传播到预测目标点300的距离L₀可取为基准爆破孔200与预测目标点300间的空间距离，相应地，距离L_i亦可取为炮孔与预测目标点300间的空间距离。这种空间距离与地震波传播的实际距离之间误差较小，且更便于计算。

具体地，距离L₀可采用公式

计算得到，距离L_i可采用公式

计算得到。若考虑到炮孔深度对地震波传播距离的影响，则距离L₀可采用公式

计算得到，距离L_i可采用公式

计算得到。这样算得的距离更真实地反映地震波传播距离，从而更有利于提高预测结果的准确性。

上述爆破振动波形预测进程中的爆破振动衰减指数α的值可根据单孔爆破试验测得的基准爆破孔200的爆破振动衰减规律获得，该指数α反映了振动速度随地震波传播距离的衰减规律，一般可取为1～3。

爆破区域100当地的地震波波速C_v的值可根据地震波传播到任意两个测振点所经过的距离s以及地震波在该距离传播所对应的传播时间t，采用速度公式C_v＝s/t计算即可。以图5所示的单孔爆破试验为例，该试验中取定了三个测振点，分别为目标测振点300，即本发明所述的预测目标点300，与参考测振点301和302。其中目标测振点300的位置坐标为(u₀，v₀，r₀)，参考测振点301的位置坐标为(u₁，v₁，r₁)，如图5所示。为计算地震波波速C_v的值，任选两个测振点之间的距离和与该距离对应的地震波传播时间即可。例如，距离s的值可取为目标测振点300与参考测振点301之间的距离，可采用公式

计算得到。为提高计算结果的精度，也可取不同测振点进行计算，取多个计算值的平均值作为爆破区域当地的地震波波速C_v。

以下结合图5所示意的单孔爆破试验进一步说明本发明所提供的爆破振动预测方法的实施方式和技术效果。

图5所示的爆破区域100为露天台阶爆破的一部分，该次爆破每个孔分别独立起爆，单孔最大装药量为700kg。基准爆破孔200取在爆破区域100内接近爆区边沿的位置，该孔的装药结构与实际炮孔的完全相同，装药量取为700kg。目标测振点300取在距离基准爆破孔200直线距离L₀约200m处，在基准爆破孔200和目标测振点300之间的连线上选取两参考测振点301和302，参考测振点301距离基准爆破孔200的直线距离约为150m，参考测振点302距离基准爆破孔200的直线距离约为100m。在三个测振点处分别安置可同步触发的测振仪，该测振仪可采用中科测控TC-4850来实现。

引爆基准爆破孔200后，在三个测振点处将分别得到如图1-1、图2-1和图3-1所示的振动波形。为了抑制高频噪音，可采用低通滤波的方式读取各测振仪测得的振动数据。处理原始振动数据时采用的低通滤波阈值优选取为500Hz以内，以300Hz以内为最佳，用以去除外界环境对测量结果的影响。

依据各测振点测得的振动数据，就可计算得到该爆破区域100的地震波波速C_v约为3700m/s。进一步执行本发明给出的爆破振动波形预测进程，即可得到目标测振点300处振动波形的预测结果，如图3-2所示。图3-3给出了该次爆破实际实施后在目标测振点300处测得的振动波形。对比图3-2和图3-3所示波形可知，利用本发明的爆破振动预测方法计算得到的预测波形的波动形态与实际振动波形的波动形态一致性较好，预测质点振动速度的峰值(简称预测振速峰值)V_c与实际质点振动速度的峰值(简称实测振速峰值)V_s的值相近、峰值出现的时刻很接近，爆破持续时间基本相同。

为进一步说明本发明的技术效果，图1-2给出了参考测振点302处振动波形的预测结果，相对应地，该点302处的实际振动波形如图1-3所示。图2-2给出了参考测振点301处振动波形的预测结果，相对应地，该点301处的实际振动波形如图2-3所示。同样可以看出，利用本发明的爆破振动预测方法计算得到的预测波形的波动形态与实际振动波形的波动形态趋于一致，能较真实地反映出测振点处的振动情况。

表1给出了三个测振点处预测振速峰值V_c与实测振速峰值V_s的数值对比。由表1可以看出，采用本发明所提供的爆破振动预测方法能较准确地预测出质点振动速度的峰值。

表1测振点处振速峰值数值对比表

在相同试验条件下，根据现场实测数据回归分析得到K、α值，K取为168，α取为1.7，装药量Q取为700kg，若采用传统的萨道夫斯基公式

对质点振动速度的峰值V_x进行预测，则可分别计算得到三个测振点处的预测振速峰值。表2列出了这些预测值与实测振速峰值V_s的数值对比。

表2测振点处振速峰值数值对比表

由表2可以看出，利用萨道夫斯基公式仅能从概率原理预测出质点振速峰值的绝对值，并且预测值与实测值之间存在较大误差，当实测数据点较少时，预测值可信度很低，无法满足工程预测精度的要求。

因此，可得出以下结论：采用本发明所提供的爆破振动预测方法不仅可体现出目标测振点处整个振动波的形态，而且该振动波的波动形态与实际振动波的波动形态具有较好的一致性；另外，质点振速峰值的大小与实测振速峰值更加接近、出现的时刻相差也很小，预测原理上可信度较高。因而，可依据实施本发明所提供的爆破振动预测方法得到的预测结果调整爆破方案，有利于优化爆破网路设计，改善爆破振动效果。

Claims (11)

1.一种爆破振动预测方法，其特征在于：

首先，在爆破区域附近确定一基准爆破孔；

其次，在位置坐标为(u₀，v₀，r₀)的所述预测目标点与所述基准爆破孔之间的连线上选取至少一个参考测振点，并在所述预测目标点和各所述参考测振点处分别安置可同步触发的测振仪；

再次，起爆所述基准爆破孔，以获得所述预测目标点和各所述参考测振点的爆破振动波形；

最后，结合所述基准爆破孔的爆破信息以及所述爆破区域内各炮孔的布孔信息，执行爆破振动波形预测进程，输出对所述预测目标点的所述振动波形进行预测的结果。

2.按照权利要求1所述的预测方法，其特征在于：

所述爆破信息包括所述基准爆破孔的位置坐标(x₀，y₀，z₀)和装药量Q₀；

所述布孔信息包括所述炮孔的总数n，以及各所述炮孔的位置坐标(x_i，y_i，z_i)(i＝1，2，...，n)、装药量Q_i(i＝1，2，...，n)和起爆延期时间t_i(i＝1，2，...，n)。

3.按照权利要求2所述的预测方法，其特征在于：

所述爆破信息还包括所述基准爆破孔的炮孔深度H0。

4.按照权利要求3所述的预测方法，其特征在于：

所述布孔信息还包括各所述炮孔的炮孔深度H_i(i＝1，2，...，n)。

5.按照权利要求1、2、3或4所述的预测方法，其特征在于：

所述炮孔振动波形预测进程按照以下步骤进行，

步骤一，分别读取各所述测振仪测得的各测振点的爆破振动数据，并计算得到所述基准爆破孔在所述预测目标点的振动波形f(t₀)和所述爆破区域的地震波波速C_v；

步骤二，读取所述基准爆破孔的所述爆破信息；读取各所述炮孔的所述布孔信息；

步骤三，依据所述基准爆破孔的所述爆破信息，计算地震波从所述基准爆破孔传到所述预测目标点所经过的距离L₀；依据各所述炮孔的所述布孔信息，分别计算地震波从各所述炮孔传播到所述预测目标点将经过的距离L_i；

步骤四，依据公式

依次计算各所述炮孔的爆破振动波形f(t_i)，其中，所述α为爆破振动衰减指数；依据公式

依次计算各所述炮孔的所述爆破振动波形f(t_i)在所述预测目标点的偏移叠加延期时间T_i；

步骤五，基于振动波叠加原理，依据公式

计算得到所述预测目标点的所述振动波形F(t)；

步骤六，结束本炮孔振动波形预测进程。

6.按照权利要求5所述的预测方法，其特征在于：

所述爆破振动衰减指数α的值取为1～3。

7.按照权利要求5所述的预测方法，其特征在于：

所述地震波波速C_v的值根据地震波传播到任意两个测振点所经过的距离以及所述地震波在该距离传播所对应的传播时间计算。

8.按照权利要求5所述的预测方法，其特征在于：

所述距离L₀采用公式

或者公式

计算得到；

所述距离L_i采用公式

或者公式

计算得到。

9.按照权利要求5所述的预测方法，其特征在于：

执行所述步骤一读取各所述测振仪测得的所述振动数据时，采用低通滤波的方式读取。

10.按照权利要求9所述的预测方法，其特征在于：

所述低通滤波的阈值取为500Hz以内。

11.按照权利要求9所述的预测方法，其特征在于：

所述低通滤波的阈值取为300Hz以内。

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