CN1034265A - 爆破作业控制方法 - Google Patents

Abstract

一种应用从一个或多个单药包爆破获得的数据 预测爆破作业引起的在任何位置的地面振动和空气 传播的噪声的方法。通过采用在频域中的褶积，考虑 了大装药量非线性振动，从而归纳了使成问题的地面 振动和空气传播的噪音减少到最小程度的最佳激发 频率(引爆时延)。本方法还可以求出炮眼的最佳数 目、位置和装载量以及单位时延引发的药包数和位 置，使表土层的清除达到最高效率而不致损及周围的 构筑物。

Description

本发明涉及爆破作业，特别涉及配合采矿（例如地面采煤或地下采煤）所进行的爆破作业。在地面采矿作业中，为使矿床（例如煤层）暴露出来，通常需要清除表土层。表土层是松土或松散的岩状物质时不难用一般的土方工程机械加以清除。可是当表土层是高度固结的土层或岩层（例如石灰岩或砂岩）时，在清除表土层之前通常就必须采用爆破作业将表土层炸成碎片。有时这样的爆破作业还可使其将表土层物质抛入或扔入原先已挖掘过的矿井中。这显然节省了从煤层清除碎表土层所需要的时间和设备开支。

在地面煤矿进行爆破作业会引起地层的高度振动和在空气中传播的噪声。当地面采矿作业的地点靠近重要的构筑物（例如住宅、建筑物、塔式建筑、管道等）时，爆破所引起的振动和噪音有可能破坏结构。此外公众对噪音和振动认为是会破坏构筑物结构或损害环境的主观评价还会导致怨声载道，单位之间关系恶化和官司诉讼等。因此爆破不是必须遵守严格（而且保守）的限定炮眼装药量的规程就是必须控制每一个爆破过程，保证它们符合振动规范。这些约束影响了进行爆破的方式，同时需要有额外的时间、设备、人员和爆破器材，这一切都在经济上影响着爆破业。

爆破作业给周围的土质输入了大量的冲击能。此冲击能有一部分以振动波的形式从爆破区传播出去。若多药包爆破的激发频率与地面运动的优先响应频率一致，则即使很小的激发幅度也会激起扩大了的地面运动。若地面运动响应频率与附近构筑物的共振频率一致（这在煤表土层的爆破作业时就经常有这种情况），就会发生扩大了的结构运动，而且有可能出现结构上的损坏。对房子来说，整个结构的共振大致上是在4～10赫之之间的频率发生的，墙壁的共振大致在10～25赫之间的频率发生。确切的频率视乎构筑物的几何形状和材料的性能而定。

尽管在本技术领域中已进行了大量工作和研究，目前在更好地控制爆破所引起的振动和噪音的幅度、频率和持续时间的方法和设备方面仍然需要进一步改进。此外，这种改进应该是在作业单位中易于推广的那一种，使现场人员既可用它防止结构上的损坏，又可用它解决公众所关心的问题。另外，目前仍然需要进一步提高表土层清除作业的效率，例如通过提高从煤层抛出的表土层物质的破碎程度、膨胀程度和抛掷量等。

看来迄今爆破文献中所报导的大多数研究成果尽管使人们对基本的激发原理和振动现象有所了解，但要达到准确预测振动的幅度或频率在功用上终究是有限的。此外，在测量和分析方法方面看来也局限于按照其它工程技术和地球物理等技术领域通用的信号处理技术。

有两篇研究报告例外，值得我们注意，一篇是希斯金等人的研究报告（Siskind，D.E.，Stagg，M.S.，Kopp，J.W.和Dowding，C.H.，1980年“由地面矿床爆破的地面振动所产生的结构响应和破坏”，煤矿局调查报告，8507），另一篇是安德森等人的研究报告，1982年，（Anderson    D.A.，Ninzer，S.R.，和Ritter，A.P.，1982年，“控制地面振动频率的同时使碎化过程最佳化的爆破设计”，第八届爆破器材和爆破技术会议记录，爆破器材工程师协会）。这两份刊物和安德森等人写的文章（1985年）（Anderson，D.A.，Ritter，A.P.，Winzer，S.R.，和Reil，J.W.，1985，“爆破引起的地面振动的现场具体预测和控制的方法”第十一届爆破器材和爆破技术会议记录，爆破器材工程师协会）中所列的文献中充分概括这方面技术领域进化过程的知识。

矿务局（BOM）进行过旨在说明频率、炮眼装药量和爆破振动的远程效应对结构响应和破坏的影响的全面的实验性研究（Siskind等人）。但这项研究所提供的表土层和建筑材料类型繁多，而且数据分布在1～2个数量级上。因此这些结果不能用以精确预测某一特定矿区表土层物质的最大振动速度（叫做粒子峰值速度（PPV）幅值），因为激发过程、地面和结构频率对所提供数据的影响都是未知的。最好的作法是应用BOM数据对能保证不超出规程规定的极限值的PPV幅值作出极其保守的估计。

因此地面采矿局（OSM）（地面采矿局，1983年“地面采矿和填筑作业;永久性管硐钅?爆破器材的应用;通用作业标准;许可证申请”联邦规程，1983年3月8日）根据BOM的研究结果，正式通过了爆破振动规程。这个规程承认爆破作业显示一致性的三种方法（即最大总PPV法，按比例距离法和PPV频率图解法）是合法的。若一家公司通过测量和分析能显示他们拥有容许他们使用比OSM规范规定的更大的炮眼装药量的PPV精确预测方法，则他们就可在每次延迟引发爆破采用更高的炮眼装药量。本发明的主要目的是提供这种改进的方法。

直到最近本技术领域的研究人员才认识到可以利用适当的引爆延迟控制来控制振动频率、减小振动幅度和缩短振动持续时间，增强或消除应力波，并使表土层物质的破碎达到最佳化（Anderson等人，1982）。尽管目前已经有了控制爆破激发脉冲频率的电气设备，但迄今这种方法采用得不多。

最近，安德森等人（1985）报导了一种预测爆破作业引起的现场具体地面振动的技术方法。还可参看安德森等人1983年的文章（Anderson，D.A，Winzer    S.R.和Ritter.A.P.，1983，“预测爆破引起的地面振动用的综合延迟与频率的关系曲线”关于电子计算机辅助地震分折和鉴别的第三次国际讨论会记录，电气电子工程师协会）。这种技术方法是先测定单药包爆破的地面响应时间经历，然后再反复将这个在时间上延迟了的时域信号叠加（相加），绘制出多药包响应的时间经历。在大范围的延迟时间内重复这个程序。于是就可在延迟时间与频率的关系曲线上绘制出所预测出的多药包爆破信号的幅度等级范围。然后就可以选取符合现行公认的爆破实践规律的最佳延迟时间，以达到适当降低在临界地面频率下的振动。这种叠加法意味着地面运动的响应曲线是线性的，即挠度小，这是一般认为通常不会成立的假设，特别是在每次延发爆破的炮眼装药量大的情况下（例如表面煤矿碎化爆破和抛土作业使用的炮眼装药量）更是如此。

非线性效应是过去（1985）由安德森等人扼要提出的，推迟到后来介绍。但韦茵芝等人（Winzer，S.R.，Anderson，D.A.，Ritter，A.P.，Holloway，D.C.，和Thomas，H.E.，1983，“爆破作业中的碎化和振动机理的研究”，马丁马立达实验室最终报告，美国能源建设部，DE-AC01-80ET    14357号）注意到了在某些炮眼装药量大、有时延和孔眼相隔组合的露天采矿场的爆破中存在着强大的非线性效应。该论文还说（第23页），这使线性叠加变得令人难以接受。因此显然现有技术存在着可能重要的不合理的地方。

本发明是对一种现场专门技术进行研究的成果，该现场专门技术也是应用了单药包爆破的地面运动响应的测定结果（子波）。但本发明是采用了子波的复频域特性连同合成多药包激发信号来选择最佳激发延迟时间，以达到使地面振动程度最小的目的。接着进行频域褶积以预测该最小的振动情况。因此本发明说明了在表土层爆破作业中通常因采用大的单位时延的炮眼装药量而产生的非线性振动响应的原因。

试验表明，应用这种频率控制法使从爆破区幅射出来的损耗的能量最小，可以在爆破区本身内更有效地利用爆炸能，提高表土层物质的碎化、胀化和抛掷效果。由于这种方法在每个延迟时间内容许的炮眼装药量比量度距离法原先认为的可能用量大得多，因此现在可以对许多目前通用的爆破法（经验方法）重新鉴定。这些包括所推荐的功率因数、间距-负载比、单位时延的炸药包数、单位炮眼间距的延迟时间等等。

测定单药包爆破子波的好处（这是安德森的时间叠加法和本频率褶积改进法所固有的）在于，只要在矿区内某一特定位置加一个脉冲即可精确校准所关心的测定点的地面，即无需知道表层土物质的细节和几何形状，因为所有变量都包括在精确测出的子波中。

作为本发明的一个最佳实施例，为便于这项新技术转让给各作业单位并为它们所使用，软件系适当编程在个人计算机上，因此在现场中实用起来非常方便，对爆破人员在设备、软件的应用和测量、分析、预测、极小化和控制程序等方面的培训也是非常容易的。

因此本发明提供的是这样一种方法，用这种方法能精确分析、预测、控制爆破作业所引起的地面振动和空气传播的噪声，并使它们减少到最小程度。特别是，本方法是从测定单药包爆破起爆所产生的振动能入手的。振动波（或子波）最好是在多个预定的位置上测定。然后本发明根据所测出的响应预测在各种不同的时延下引爆的多药包爆破的振动响应。本发明还提供了使引爆单个或成组药包之间的延迟时间达到最佳化以产生具有所希望的频率的振动波同时使其它不希望有的频率达到最小的方法。

此外本发明的方法也提供了计算引爆单个或成组药包之间的延迟时间使被清除的表层土物质达到最佳情况同时使对周围构筑物的损坏达到最小的措施。特别是，本方法测定的延迟时间能减少使周围构筑物破坏的低频振动，同时将较高频频率提高到最大值以便通过提高碎化、胀化或抛掷作用最大限度地清除表土层。

因此在一个最佳实施例中，本发明提供一种现场专用的测定、分析、预测、控制由地层爆破作业所引起的地面振动和空气传播的噪音并使它们达到最小程度的方法。这个方法的具体作法是先在有关地层结构的相应激发位置上发出一个或多个脉冲激发，又由这些脉冲激发产生激发信号。这最好是通过对多个单药包爆破剂、炸药等（在本说明书中“炸药”一词广义指用以产生适当爆破用的任何药剂）的起爆来完成，各炸药的装药量不同，以测定与频率有关的装药量比例。此外，至少一个多药包爆破可以在不同的装药量和至少一个延发药包的情况下起爆。另外，激发信号还可通过使用在多药包爆破中单位时延具有不同装药量的药包加以定形。然后从多个激发位置以外的位置同时测定所产生的振动和噪音响应，以产生相应的时域响应信号，并求出与频率有关的距离和角度比例。其次从所测出的振动和噪音将时域响应信号变换成频域，以产生特定激发与有关响应位置之间的复频域传递函数，从而有效地校准爆破现场附近的地层结构。

其次将复合频域传递函数与合成的多药包爆破复频域最佳激发信号结合起来，以便预测多个最小多药包爆破复合频域响应。这是这样完成的：先是通过选择主频分量包括次谐波和谐波频率分量的大体上反共振频率识别将振动减至最小的线性和非线性最佳频率。再用相应多个合成的多药包爆破复频域最佳激发信号，根据为实现最佳化所选取的诸参数提供多个最合适的预测选择。然后，根据这些经识别的最佳频率，包括补偿非线性响应效应（这些效应是因为在合成激发中，包括了主频率的加权和定相的子谐波和谐波在内而产生的），将相应的多个最佳选择信号进行合成。

本发明的最佳实施例接下去是采用其中一个多药包爆破复频域响应预测并将其转换成时域函数来指定最佳爆破激发频率和延迟时间，以使爆破作业所引起的振动和空气传播的噪声减少到最小程度。从所提供的频域可以看出振动幅度的大小及其频率分布，时域响应预测则表示振动幅度的大小和持续时间。

在最佳实施例中，通过若干方法进一步提高了精确度和效率。一种方法是采用单时延引爆雷管（即所有引爆雷管的时延相同）。另一种方法是改变响应预测，办法是依次引爆多药包、延时药包试爆破，然后改变激发信号使其与试爆一致。这样做的结果使地面振动和空气传播的噪声减少到最小程度，而且提高了爆炸能量在爆破区中的利用率，从而改善了表土层的碎化、胀化和抛掷情况。

因此本发明的一个目的是提供一种经过改进的控制地层炸药爆破作业所引起的振动的方法，该方法可分析出爆破激发频率和延迟时间对所形成的振动之间的关系，然后用这种关系提供其后果的相应定量预测;在该方法中，初始激发信号系通过引爆至少一个在有关地层的特定位置的炸药包产生出来的;在该方法中，初始炸药量所产生的振动响应是在另一个位置测定，以产生相应的时域响应信号;在该方法中，从所测出的振动可在有关特定激发与响应位置之间产生复频域传递函数，从而有效校准爆破现场附近的地层结构;在该方法中，接着是将复频域传递函数与所合成的多药包爆破复频域最佳激发信号结合起来以获取对多药包爆破复频域响应的预测，在该方法中，接着用该复频域响应预测定出最佳爆破激发频率和延迟时间，以控制爆破作业所引起的振动;本发明的目的即以实惠、不复杂、适应性强和可靠的方法实现上述目的和用途，该方法实施起来花费不大，极易适应于控制地层爆破作业所引起的振动响应的最广泛的可能应用。

从下面的介绍、附图和所附权利要求可清楚了解到本发明的其它目的和优点。

结合附图阅读下面的详细介绍就更容易了解本发明的内容。附图中：

图1是从埋在地下的煤层或类似的矿床清除表土层的一般的爆破作业示意图;

图2是按本发明可用以爆破振动的分析、げ獠⒔浼跣〉阶畹统潭鹊牡缱蛹扑慊绦蛄鞒掏?

图3是本发明用以控制电气引爆雷管线路的电子计算机程序流程图。

前面谈过，美国矿务局（Siskind等人）研究过爆破作业对周围建筑物的损害问题，地面采矿局（OSM    1983）根据该项研究公布了爆破作业规程。确定爆破作业是否符合规程的规定有三种方法。特别是，其中一个方法是将地面采矿作业中距构筑物最近的颗粒的最高峰值速度（PPV）限制在下列范围：

1.25英寸/秒，D≤300英尺

PPV≤1.00英寸/秒，300≤英尺D≤5000英尺（1）

0.75英寸/秒，D＞5000英尺

其中D是至构筑物的距离。

尽管这里需要进行测量来验证上述PPV值，但无需说明与振动有关的频率。

第二种方法可确定出可利用各药包引爆之间的8毫秒延迟时间引爆的最大炮眼装药量。

表达式为：

W＝（D/Ds）²（2）

其中D等于距最近建筑物以英尺为单位的距离，Ds项在上述方程（1）给定的距离范围内等于50、55、65（英尺/磅^1/2）。采用这些公式可以确保不超出方程（1）的PPV值，为确保这一点，在方程中是留有相当大的余地的。

除上述之外，第三种方法可测定出下面所示的与频率有关的PPV值：

.1875f英寸/秒（1赫≤f≤4赫）

PPV（f）≤.75英寸/秒（4赫≤f≤11.25赫）（3）

.0667f英寸/秒（11.25赫≤f＜30赫）

2.00英寸/秒（f≥30赫）

方程（3）是从OSM公布的曲线推导出来的，且变换成数学表达式。若某家公司在使用较大的炮眼装药量时通过测量分析能精确测定或预测PPV值，且不超过上述水平，则该公司就可以随意使用较大的炮眼装药量。

本发明根据多药包爆破作业预测振动的幅度频率和持续时间。特别是，本发明应用单药包爆破（脉冲激发）在某选定的现场的土层中制造振动。在单个药包周围一些经选定的点上测定地面振动，并计算单个药包所产生的子波。利用从单药包爆破测量得出的单药包爆破子波本发明对在各药包引爆之间具有不同时延的多药包爆破作业的振动响应提供预测。该预测是在频域内进行的，且将大位移和非线性响应的影响也包括进去了。

本发明租用褶积理论用下式表示时域中的振动响应：

V_i（t）＝I_i（t）^＊h_ii（t） （4）

V_j（t）＝i_i（t）^＊h_ij（t）

在上式中，V是振动响应，i是激发脉冲，h是传递函数，t是时间，下标i和j表示具体的测量位置，＊表示褶积。这些方程经傅立叶变换可变换成频域以得出下列方程：

V_i(f) = I_i(f) · H_ii(f)

V_j(f) = I_i(f) · H_ij(f) （5）

其中f为频率，一号表示复量。上冽复数可变换成它们的大小和相位分量，经相除得出下面以它们的大小表示的方程：

T_ij(f)= (V_i(f))/(V_i(f)) = (H_ij(f))/(H_ii(f)) （6）

其中T_ij为声传播系数，即在位置i的振动传播到位置j的小部分。

频率分析也可在单药包爆破时在各位置所测出的响应数据的基础上进行，以提供表示随距某一特定爆破现场的距离的增加而产生的传播损失的V_i、T_ij和。

我们也可以对在各位置所测出的数据应用频率分析法从地层系统传递函数对多药包爆破激发效应进行反褶积。在方程（5）中，单药包和多药包爆破的H项相等（因为它们只与系统诸参数有关而与类似范围的激发细节无关）于是得出;

$V_{i_{\mathrm{HC}}}\left(f\right)/V_{i_{\mathrm{SC}}}\left(f\right)=I_{i_{\mathrm{HC}}}\left(f\right)/I_{i_{\mathrm{SC}}}\left(f\right)---\left(7\right)$

因此若假设单药包激发近似于炮眼装药量幅度A的狄拉克（Dirac）δ脉冲函数，则方程（7）表示多药包引爆系列的频率，

（f）大致由在有关频率范围内不变的激发幅度来度量。将方程（7）反傅立叶变换成时域可得出规格化了的多药包激系列

（t）。

从以上可以看出，如果知道单药包爆破在该位置的响应，就有可能对任何数目的爆破药包和时间的分布预测在某一特定位置的地面运动的幅度、频率和持续时间。特别是，通过引爆单药包爆破和测量多个位置的地层响应，在某一特定的采矿现场上进行测量。根据这些测量结果就有可能用多药包激发将它们进行褶积，以预测地面在这些位置对多药包激发的响应。

参看图1，这是一般地面采矿现场的示意图，在该现场中需要清除表土层10以暴露出媒层12。特别是，表土层一般可以是由页岩、砂岩或石灰岩组成，矿层12一般可以是煤层。表土层可通过爆破碎化和松化之后用机械加以清除。但在某些情况下，最好将表土层以箭头11的方向上抛离煤层，这样就只需用劳力清除最少量的表土层使煤层暴露出来。这当然减少采矿作业总的开支。通常的作法是钻出一系列爆破孔，然后充以适当的炸药，再按预定的次序引爆这些炸药。举例说，可以钻出在13处用1、2、3、4、5表示的五排爆破孔。这些孔通常钻成同一图形，可以是一个接一个排成矩形图形，也可以隔排交错排列，从而使梯队14在一直线上。通常的作法是钻出1至400（或更多）个孔，并在一次爆破作业中装药。各孔可装一个或多个药包。在图1中可以看到两个分开的炸药包15，各炸药包通常装25至4000磅的炸药。

在一般的作法中，各药包通常不是同时引爆的，而是加入某一特定的时延，以便达到预期的效果。这些时延往往是借助于具有多个预定的不同内部时延的电触发引爆雷管和能在不同的引爆雷管电路之间提供时延的爆破机的组合体付诸实现的。然后每次一个地引爆各炸药包，各引爆之间配以适当控制的时延。

本发明所做的重要改进之一是必要时可采用仅有单个时延的电引爆雷管。就是说，各炸药包是与具有同样延迟时间的引爆雷管一起装填的。这些完全相同的时延相当长（例如大于100毫秒），这样在第一炸药包被引爆之前就有足够多的雷管被激发。这可以防止可能因地面运动而使引爆电路被切断（例如，引到雷管的导线断裂）。这样，在本发明中，各炸药包之间或在一起引爆的成组炸药包之间的时延是由微电子计算机和适当的软件或一个能使许多电路之间具有可调时延（例如以毫秒计的时延增量）的顺序爆破机提供的。应该指出，采用能产生最小振动的频率（延迟时间的例数），则单位时延可采用比原先认为可能的更多的炮眼药量。因此，应用本发明现在就不难同时引爆成排或成梯队等排列的多个炸药包，而仍然不致超出早先谈过的振动规程的要求。因此，通过提供各种不同的炮眼装药量、每个孔的各种装药量或单位时延额外的炸药包、梯队等可以在每个时延采用不同的装药量。

回想起在爆破作业中，除要清除表土层10之外，还需要防止损坏如图中20处所示的周围的建筑物，则本发明既容易解决也完全可以满足这个要求。如上所述，本发明的方法的步骤如下：首先引爆在选定的采矿现场的单个试验爆破，然后测定在至少一个位置或现场附近的地层振动。单个爆破试验最好包括一个或多个装有一个或多个药包的炸药。然后在距爆破现场各种不同距离处进行测定以获取实现本发明的方法所需要的足够数据。一得出地面响应之后，本发明接着就对多药包爆破进行预测，如图1所示。

除可预测地面对多药包爆破的响应之外，本发明的方法还提供使表土层的清除最佳化，同时使对诸如建筑物20的周围建筑物的破坏程度最小的措施。特别是，我们发现，若将延迟时间加以控制〔清除地面煤矿的表土层时各时延之间最好控制在15至40毫秒（频率为25～67赫）〕，则形成的爆炸含有实质上更大的高频激发，而且使低频激发大大降低。当然，低频激发是能产生引起周围构筑物损坏的地面振动。这对任何爆破作业（即煤矿以外的爆破作业）来说都是成立的，尽管频率范围（延迟时间）可能发生变化，但只要确保主激发频率充分高于地层面共振频率（主延迟时间比地面共振时间足够短）且与地面频率最小值完全一致（反共振），则上述情况总是成立的。

现在参看图2和图3，下面更译细介绍优选的分析和控制程序。

流程图说明（图2）

爆炸振动的分析、预测和使其减少到最小程度的方法

第一阶段：预处理所测出的响应信号

步数

100-指定数据字化参数：数据数字化参数包括采样率、通路数和数字化持续时间。操作员将这些参数输入电子计算机中，计算机然后给数据数字化单元（多道程序器）发送信息。采样率告诉计算机对各个数据信号或数据通道应采用多快的数字化速率（以每秒样品数计）。通路数参数告诉计算机应扫描现有16个通路中的哪一个通路。持续时间参数表明数据采集过程应持续多长时间（例如10秒）。

101-对所测出的地面振动和空气传播的噪声响应信号进行数字化;数据数字化过程一经起动，就持续到（步数100所设定的）持续时间期满为止。然后数据从多道程序器被传移到计算机中。

102-从各信号除去直流分量：将各通路的直流偏移或恒定偏移调到零。直流漂移是由测定信号用的电子设备引入的，而不是地面振动信号的一部分。

103-识别信号类型、位置、方向、运行号和校准系数：所有在程序101中数字化了的信号系按测量位置进行排列，并配以信号类型（即速度或加速度）、方向（X、Y、Z或M）、运行号和校准系数。注：X、Y、和Z是地面振动的垂直方向，M表示传声器通路。

104-在时域中进行位置起动：通常操作员是在实际地面振动信号出现之前几秒钟起动程序101的。此程序消除了若干秒在实际有关振动信号之前数字化的电子数据。

105-除去时域中的后信号噪声：这时由于信号的开始部分已正确就位，在有关实际振动数据消失之后在通路上出现的电子噪声就被调到零。

106-校准信号：将在步数103输入的各校准系数加到它们相应的信号上。

107-对信号进行积分（必要时）：通常是将各个测出加速度信号积分成速度，因为速度是在爆破业通用的对地面振动的量度值。积分是在频域中进行的。通常对直接测出的速度和声信号是不进行积分的。

108-给时域中的信号设窗口（必要时）：这时可将数学上正确的指数时间窗口函数按周知的方式加到数字化了的数据上，以减少数字化过程所引起的频率噪声（混淆现象）。这种指数窗口需用三个参数。这些参数是指数衰减（α）、系数、窗口起始点和窗口终止点。这些系数由用户输入。

109-将时域信号傅立叶变换复频域信号（必要时）：对所有时去域信号进行快速傅立叶变换（FFT）以产生表示各信号（大小和相位）的复频域。（FFT算法是工程技术和计算机科学领域专业人员周知和通用的运算法。）

110-在时域和/或复频域中绘制响应信号曲线（必要时）：各信号曲线可在时域和/或频域中绘制。

111-将响应信号存储在存储媒体里：现在可以将数字化信号存储起来，作为稍后在程序中的应用。

第二阶段：用另一个所测出的响应信号对一个所测出的响应信号进行规格化。

甲：抽出真正的激发信号将其与合成激发信号加以比较

乙：装药量、距离、方向等的定标

120-从存储媒体中读取两个响应信号：从存储媒体读取两个原先数字化了的和已存储的信号。接着电子计算机核对两个信号的数据数字化参数，以保证各信号是兼容性的。

121-给时域中的信号重新设窗口（必要时）：必要时，可在这时改变加到程序108中的信号的窗口。

122-将时域信号傅立叶变换成复频域信号（必要时）：将时域信号变换成复频域信号。

123-在时域和/或频域中绘制信号曲线（必要时）：两个信号可绘制成信号幅度对时间和/或信号频谱的大小和相位对频率的关系曲线。

124-将时域信号傅立叶变换成复频域信号：将两个时域信号都变换成复频域信号。

125-用一个信号去除另一个信号获取激发或量度信号：在频域中的这个除法运算从一个信号消除（反褶积）了另一个信号的影响。若被除数是多药包爆破（MC）响应，除数是单药包爆破（SC）响应，则商数是多药包爆破激发信号。若两个信号都是来自类似的爆破，例如SC爆破，则商数表示有关的量度信号。

126-将复频域信号逆傅立叶变换成时域信号：此步数是步数122的逆处理。但在最佳实施例中，只将商数信号反变换成时域。必要时，被除数和除数时域信号可从存储体中获取。

127-从信号除去现有的时域窗口（必要时）：这时商数信号是在时域中。它包含在步数108和121中加到被除数和除数信号的窗口特性。这时，必要时可从该点商数信号除去窗口。

128-从信号除去后数据噪音（必要时）：一般说来，商数信号的后部分是电子噪音。必要时，可除去此部分信号。

129-在时域和/或复频域中绘制信号曲线（必要时）：这时可在时域和/复频域中绘制信号曲线。

130-将信号存储在存储媒体上（必要时）：必要时，可在这时将商数信号存储起来供以后使用。

第三阶段：合成激发信号并预测响应信号以便将振动和噪音减少到最小程度。

140-从存储媒体中读取一个单药包爆破响应信号：尽管电子计算机实际上会接收系统所产生的任何信号，此信号通常是在一阶段中产生的。

141-用第二阶段确定的适当装药量比例系数对单药包爆破响应信号进行规格化：对步数140读出的信号进行规格化以表明装药量的比例。装药量比例系数作为频率的函数是在第二阶段为两个不同装药量的单药包爆破信号相除得出的商数确定的。

142-从大于主要的响应频率范围的单药包爆破响应曲线的最小值（反共振）选取用以使预测出的线性多药包爆破响应减少到最小程度的最佳候补激发频率：通过观察规格化单药包爆破响应信号的频域曲线并选取最低响应的频率（最小反谐振），确定供线性多药包爆破用的最佳延迟时间。最佳线性延迟时间为此频率的倒数。

143-144-通过步数143或144求出最佳激发信号以将不希望有的振动响应减少到最小程度：

143-从存储媒体读取在第二阶段由所测定的信号计算出的激发信号或在第三阶段原先合成的激发信号：用以预测多药包爆破地面振动的激发信号可以是在步数130所存储的激发信号。若想进一步证实程序的第二阶段所取得的结果或想用来自另一位置单药包爆破信号预测因同一个激发在新位置所产生的多药包爆破响应就必须选择此信号。

144-用下列步骤合成激发信号：

144（a）一构制由基频正弦波组成的周期时域信号。计入适当加权了的和定相了的次谐波和谐波以说明非线性效应：为基本激发频率构制周期时间信号。然后根据在分析中的具体情况构制次谐波和谐波频率的周期时间信号，并适当予以加权。根据在分析中的具体情况将这些周期时间信号加到基本信号上，说明各信号相对于基本信号的适当相位。

144（b）-将合成激发信号和规格化单药包爆破响应信号傅立叶变换成复频域：将两时域信号都变换成复频域信号。

144（c）-选取使非线性响应减小到最小程度的三个最佳基本激发频率：用在144（a）中所产生的激发信号在整个有关的基本频率范围内扫描规格化的单药包爆破响应信号。选取使非线性响应减少到最小程度的三个最佳基本频率。

144（d）-选择待用于多药包爆破响应预测中的最佳基本频率：可适当选用142或144（c）的线性或非线性最佳激发频率中的最佳者或任何其他有关频率以供合成多药包爆破激发信号使用。

144（e）-加适当的装药量比例：这时可将步数125得出的与频率有关的装药量比例加到合成激发信号上。

144（f）-加从第二阶段观测结果得出的适当的时域定形系数：当单位时延的装药量在整个爆破方式中变化着时，应及时将合成激发信号的幅度定形以说明该振动的原因。定形过程可通过利用先前从分析实际信号获得的操作经验加以改进（如步数125中所说明的那样）。

145-用同样的加权在时域中给最佳激发信号和规格化单药包爆破响应信号开设窗口（必要时）：这里所加的窗口与程序108和121中所加的窗口类似。

146-将最佳的激发信号和规格化单药包爆破响应信号用傅立叶变换成复频域：此过程采用与步数109所采用的同样的FFT子程序。

147-将最佳激发信号与规格化单药包爆破响应信号相乘以预测多药包爆破最小响应：在频域中将这两个复合信号相乘（褶积）以预测多药包爆破的最小响应。

148-将预测出的复频域响应信号用傅立叶变换成时域信号：此步数采用逆FFT变换将步数147的结果变换成时域。

149-清除预测出的多药包爆破最小响应信号的窗口（必要时）：必要时，可在这时清除在步数145中加到各信号的窗口。

150-在时域和/或复频域中绘制规格化单药包爆破响信号、最佳激发信号和预测出的多药包爆破最小响应信号的曲线（必要时）：这时操作员可任意选择在时域和频域中绘制预测出来的信号的曲线。

151-将合成激发信号和预测出的响应信号存储在存储媒体上以便以后与现场测出的多药包爆破激发和响应加以比较，并根据该激发和响应加以修改：可将预测出的信号存储起来供将来分析之用。

流程图说明（图3）

电雷管线路的计算机控制引爆

200-规定炮孔布置方式参数的几何形状、计时和顺序：将炮孔布置方式经由图形显示器输进计算机系统中。按行和列输入炮孔。各炮孔可装有多个（分层的）炸药包。准备同时引爆的炸药包都输入同一个爆破线路上。最后输入的参数是各线路之间的恒定延迟时间。

201-用人工将雷管线路连接到线路终端接线盒上：将现场爆破线路连接到计算机系统。此步数是靠人工进行的，而且为确保系统的操作安全，此步数是在设备接通电源并自测试过后进行的。

202-检查爆破线路有否断路、短路或过载的情况。当检测出有这些情况时警告爆破人员并终止爆破程序。打印出线路情况表：检查各线路有否断路、短路和线路过载的情况。断路是由于导线没有连接好所致，短路是由导线交叉造成的。线路过载是由于接在单个线路上的引爆雷管太多所致。若发现任何上述情况，在这些情况予以纠正之前，计算机是不会让任何线路引爆的。

203-若线路经过试验都合格，则输入口令以便开始引爆的递减计数。为安全计，在引爆之前递减计数过程的任何时候，爆破程序都可以异常结束：若用在炮孔布置方式的全部爆破线路经线路试验都合格，则可以准备引爆。为安全计，用户应在计算机开始引爆程序之前给计算机输入一个口令。之所以需要有口令是为了防止现场爆破不合时宜的引爆。口令输入之后，计算机就开始进行递减计数程序。在递减计数过程中可通过按压计算机键盘上的任何按键使引爆异常结束。

204-若不异常结束，则在递减计数终了时引爆：若递减计数没有异常结束，则在递减计数终了时引爆。递减计数历时约10秒钟。由此可以看出，本发明具有许多优点。具体地说，它提供了测定、分析、预测、尽量减少和控制诸如地面采矿的表土层爆破作业引起的地面振动和空气传播的噪声的现场专用方法。现场试验表明，这个方法可用以获取矿场附近有关位置的表土层振动和空气噪音特性的特征，选择使振动减少到最小程度的最佳激发频率，测定和合成使振动幅度最小并缩短振动持续时间的多药包爆破激发信号，精确预测在时域和频域中的多药包爆破振动响应，并准确控制引爆以达到预期的振动控制。通过将爆破区放出的振动能减少到最小程度（即将能量限制在爆破区内），和通过本技术所容许的使每个延迟时间引爆的药包数和装药量达到最佳化的方法，可以更有效地利用爆破区本身内的爆炸能以提高表土层的碎化、胀化和抛掷效果。在本技术的所有阶段中，包括实际引爆在内，可以在现场或办公室环境中使用个人电子计算机硬件和软件。与较早的时域叠加法比较（该方法实际上限制了对采用小装药量以获取小偏差时所遇到的线性振动情况的预测），本发明教导了在频域中采用褶积法，考虑到在煤表土层爆破作业大装药量大偏差情况下经常遇到的非线性振动。本发明还提供了直接理解在有关的响应位置多药包爆破激发信号的特性和影响。

此外应该理解的是，如果先谈过的那样，当多药包爆破每个时延的装药量与单药包爆包的装药量差别不太大，且当测量所在的位置离引爆位置够远从而只产生小的线性振动时，那么就可从单药包爆破复频域响应特征直接获取线性多药包爆破的最佳激发频率（延迟时间），即这是对应最小（反谐振）响应的频率。

Claims (21)

1、一种控制地层爆破作业所引起的振动的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

在有关的地层至少一个第一预定位置上引爆至少一预定的炸药包以产生一相应的激发信号；

在与第一位置不同的至少一预定位置上测定所产生的振动响应产生相应的时域响应信号；

根据所测出的振动产生具体激发与有关的响应位置之间的复频域传递函数，从而有效地校准爆破现场附近的地层；和

将复频域传递函数与合成的多药包爆破复频域最佳激发信号结合起来以预测多药包爆破复频域响应。

2、根据权利要求1的方法，其特征还在于，对多个单药包爆破进行引爆。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于，所述引爆多个单药包爆破的步骤还包括通过引爆不同装药量爆破测定与频率有关的装药量比例。

4、根据权利要求1的方法，其特征在于，对至少一个多药包爆破进行引爆。

5、根据权利要求4的方法，其特征还在于，多药包爆破采用不同的装药量。

6、根据权利要求5的方法，其特征还在于，采用不同的单位时延的装药量使激发信号定形。

7、根据权利要求4、5或6的方法，其特征还在于，多药包爆破包括至少一个延迟引发的炸药包。

8、根据以上任一权利要求的方法，其特征在于，所述测定步骤还括通过同时有多个预定位置测定所产生的响应求出与频率有关的距离和角度比例。

9、根据以任一权利要求的方法，其特征还在于，通过依次引爆多药包和延迟引爆的药包试爆来检验对响应进行的预测。

10、根据权利要求9的方法，其特征在于，改变激发信号使其与试爆一致。

11、根据权利要求1的方法，其特征还在于，采用单时延雷管提高实际引爆时间的准确度。

12、根据以上任一权利要求的方法，其特征在于，所述对多药包爆破复合频域响应的预测还包括采用多个合成多药包爆破复频域最佳激发信号获取多个这类预测，以便根据为进行最佳化选择的参数提供多个最合适的选择。

13、一种现场专用的测定、分析、预测、控制和尽量减少地层（例如地面采煤）爆破作业所引起的地面振动和空气传播的噪声的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

在有关的地层多个预定的激发位置上产生脉冲激发，以产生激发信号，办法是通过引发具有不同装药量的多个单药包爆破以确定与频率有关的装药量比例，并引爆至少一个具有不同装药量的多药包爆破和引爆至少一个延迟引爆的药包;

采用具有不同的单位时延装药量的多药包爆破使激发信号定形;

在多个不同于激发位置的预定位置同时测定所产生的振动和噪声响应，以产生相应的时域响应信号，并求出与频率有关的距离和角度比例;

将时域响应信号从所测出的振动和噪音变换成频域，以产生特定激发与有关的响应位置之间的复频域传递函数，从而有效地获取爆破现场附近地层结构的特征;

通过下列步骤将复频域传递函数与合成多药包爆破复频域最佳激发信号结合起来，以预测多个最小多药包爆破复频域响应：

ⅰ）通过选择一次和所包含的次谐波和谐波频率分量大体上反共振的频率识别使振动减少到最小程度的线性和非线性最佳频率;

ⅱ）产生相应的多个合成多药包爆破复频域最佳激发信号，以便根据为实现最佳化而在选择中的参数提供多个最合适的预测选择;和

ⅲ）通过将加权了的和定相了的主频率的次谐波和谐波分量包括进合成激发中来根据这类经识别的最佳频率（包括对非线性响应影响的补偿）合成相应的多个最佳选择信号;

采用其中一个复频域响应预测来指定使爆破作业所引起的振动和空气传播的噪声最小的最佳引爆频率的延迟时间;

采用单时延雷管以提高实际引爆时间的准确度;

通过依次引发多药包爆破和进行延迟引爆药包试爆来检验对响应的预测;和

改变激发信号，使其与试爆一致，从而使振动和空气传播的噪声减少到最小程度，更有效地利用爆破区内的爆炸能，从而提高表土层的碎化、胀化和抛掷效果。

14、一种提高爆破作业过程中表土层的清除效率的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

在有关的地层至少一个第一预定的位置上引爆至少一预定的炸药包以产生相应的激化信号;

测定在与第一位置不同的至少一个预定的位置上所产生的振动响应，以产生相应的时域响应信号;

从所测出的振动产生特定激发与有关的响应位置之间的复频域传递函数，从而有效地校准爆破区附近的地层;和

将复频域传递函数与合成多药包爆破复频域最佳激发信号结合起来，以获取最小的多药包复频域响应的预测，用以使爆炸能保持在爆破区中的爆破作业所引起的振动减少到最小程度。

15、根据权利要求14的方法，其特征还在于，通过增加单位时延的装药量来提高清除表土层的效率，使降低了的振动程度恢复到规程所容许的水平，从而提高碎化、胀化和抛掷效果。

16、根据以上任一权利要求的方法，其特征在于，所述产生复频域传递函数的步骤还包括将时域响应信号变换成频域。

17、根据以上任一权利要求的方法，其特征在于，所述获取对多药包爆破复频域响应的预测的步骤还包括：

识别达到所希望的振动所需用的最佳激发频率;和

根据如此识别出的最佳频率合成最佳选择的激发信号。

18、根据权利要求17的方法，其特征在于，所述识别最佳频率的步骤还包括识别线性和非线性最佳频率，且所述合成最佳选择信号的步骤还包括通过将主频率加权了的和定相了的次谐波和谐波分量包括进合成激发中。

19、根据权利要求18的方法，其特征在于，所述识别最佳频率的步骤还包括选择主频和所包括的次谐波和谐测频率分量大体上反谐振的频率。

20、根据14至19任一权利要求的方法，其特征在于，将复频域响应预测转换成时域函数。

21、一种采矿方法，其特征在于，该方法包括在矿床或其表土层上进行一次或多次爆破操作的过程中履行以上任一权利要求所述的方法的步骤。

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