CN104236404B - 一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法，包括如下步骤：⑴布置炮孔；⑵钻孔、装药完成以后，用导爆索将所有炮孔内的雷管同时点燃同时起爆；⑶接收爆炸传来的爆轰波，并记录波形数据；⑷利用小波分析方法将实测波形按从低到高不同的频段进行分解，并求得低频段波形的时能密度曲线，以获得每一段爆破振动到达的精确时间，扣除爆炸应力波在岩石中传播所用时间，得到雷管的精确延期时间。其优点在于：在一个起爆网络中同时布置多个段号的雷管，可同时测得每个雷管的延期时间。在爆破施工现场中易于应用，能够实时动态地检验毫秒雷管的精度，根据试验场地的不同地形，可灵活布置起爆网络。

Description

一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法

技术领域

本发明涉及基于记录爆破振动到达时间来批量、快速测定毫秒雷管的延期时间的方法，具体的说是一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法。

背景技术

随着我国西南地区水电开发的进一步深入以及矿产资源开采深度的日益增加，地下工程将越来越多地应用在国民经济基本建设各个领域，而且大多数的边坡工程涉及到地下洞室的爆破开挖。近年来，随着工程实践的不断发展，爆破技术和爆破振动控制措施取得了巨大的进步，但岩土介质的复杂性给爆破控制技术的研究带来了较大的困难，如何在复杂的周边环境和施工条件下，使保护对象所受影响在工程许可范围内，快速经济的进行地下洞室的爆破开挖仍是工程难点。

现在的钻爆工艺已经在飞速地发展，目前较为成熟的有光面爆破、微差爆破、预裂爆破和洞室爆破等。利用毫秒量级间隔，实现按顺序起爆的方法称为微差爆破。微差爆破是一种毫秒级的延期爆破，使各药包造成的能量场相互影响而产生一系列良好的爆破效果，是使用最为广泛的爆破技术，常见于地下掘进爆破和露天台阶深孔爆破之中。所以雷管的精度对爆破开挖的结果有着至关重要的影响，有必要对开挖所用的雷管精度进行测试。

已有的雷管精度测量方法根据测量原理大致可以分为三类：第一类是传统导爆管雷管精度的测定方法——声光电法，原理是将导爆管雷管放入声音传导管中，以引爆雷管产生的光信号为记录开始标志，以雷管爆炸产生的声音信号为记录关闭标志，导爆管雷管的延期时间就是它们的时间差减去爆轰波在导爆管内的传播时间和声波在传导管中的传播时间，导爆管雷管延期时间在测定实施过程中，是以光开声关来记录的。第二类则采用特殊的设备——防爆箱来进行试验，原理是将待测试雷管放在特殊容器中，用一发雷管作为激发雷管，激发雷管起爆后喷出的火焰被光信号接收器接收后，测时仪启动；当被测的雷管被导爆索引爆后，其喷出的火焰被光讯号接收器接收，测时仪停止，测时仪记录的时间即是被测的某一导爆管雷管的延期时间。第三类是测震法，原理是通过爆破振动传感器和记录仪记录导爆管雷管的爆破振动波形，经过分析振动波形，找出波形中前后各有一个最大波峰或波谷，这两个波峰或波谷对应的时间就是引爆导爆管和导爆管雷管爆炸时刻，以这两个时刻的时差减去爆轰波在导爆管中传播的时间和声波在传导管中的传播时间，就是导爆管雷管的延期时间。

另外，爆破振动号分析是研究爆破振动控制的基础，传统的信号分析是建立在傅立叶变换(FourierTransform)的基础之上的，由于傅立叶分析使用的是一种全局变换，即要么完全在时域，要么完全在频域，无法表达信号的时——频局部化性质，而这种性质恰恰是非平稳信号最根本、最关键的性质。因此，傅氏变换从本质上而言只适用于平稳信号而不适用于非平稳信号。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术状况，以爆破产生的应力波在岩石中传播为依据，提供一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法，该方法利用常规的爆破作业，操作方便可靠，效率高，能够在爆破施工过程中随时测量雷管的精度。

本发明的核心思想是：根据爆炸应力波在岩石中传播的原理，选择一块岩石完整、节理裂隙不发育的平整场地，钻设按一定顺序排列的系列炮孔，每孔装1-2节炸药，然后联网起爆，并在不同的爆心距处布置高精度振动检测设备记录振动信号；再利用适合非平稳信号分析的小波分析方法对实测振动波形按从低到高不同的频段进行分解，并求得低频段波形的时能密度曲线，以获得每一段爆破振动到达的精确时间，扣除爆炸应力波在岩石中传播所用时间，得到雷管的精确延期时间。在一个起爆网络中同时布置多个段号的雷管，可同时测得每个雷管的延期时间。

一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法，包括如下步骤：

步骤1，布置炮孔，各炮孔所激发的应力波传播路线不重叠；

步骤2，钻孔、装药完成以后，在已有的钻爆参数基础上，用导爆索将所有炮孔内的雷管同时点燃同时起爆；

步骤3，在不同的爆心距处布置多个振动监测仪，接收爆炸传来的爆轰波，并记录波形数据；

步骤4，利用小波分析方法将实测波形按从低到高不同的频段进行分解，并求得低频段波形的时能密度曲线，以获得每一段爆破振动到达的精确时间，扣除爆炸应力波在岩石中传播所用时间，得到雷管的精确延期时间；

步骤4具体包括如下子步骤：

4.1)根据所得到的波形文件，确定爆炸开始时间，记为t₀；

4.2)找出随后每个波峰开始时刻，记为T_n；

4.3)测出每个炮孔中雷管与监测器的距离S_n；

4.4)用测得的数据根据公式(1)计算出各个雷管的延期时间

$t_n=T_n-t_0-\frac{S_n}{v}---\left(1\right)$

式中：t₀—开始记录时间，实际t₀取0；

t_n—雷管的延期时间，ms；

T_n—波峰开始时刻，ms；

v—爆炸应力波在岩石中的传播速度，m/ms；

S_n—爆心距。

布置炮孔的方式为双排布置或者环形布置或者布置成四边形、五边形。

爆炸应力波在岩石中的传播速度由公式(2)确定：

$v=\frac{S}{t}---\left(2\right)$

式中：v—爆炸应力波在岩石中的传播速度；

t—应力波在岩石中传播时间，ms；

S—爆心距，m。

对任意能量有限的函数f(t)，关于ψ(t)的连续小波变换定义如下：

$W_f(a,b)=<f,{\mathrm{\&psi;}}_{a,b}>={\left|a\right|}^{-\frac{1}{2}}\underset{R}{\&Integral;}f\left(t\right)\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&psi;}}\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

上式中的a、b分别为伸缩因子和平移因子。根据Moyal内积定理，有下式成立：

$\frac{1}{C_{\mathrm{\&psi;}}}\underset{R}{\&Integral;}{\frac{\mathrm{da}}{a^2}\underset{R}{\&Integral;}\left|W_f(a,b)\right|}^2\mathrm{ab}=\underset{R}{\&Integral;}{\left|f\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}---\left(4\right)$

上式表明，小波变换幅度平方的积分和被分析信号的能量成正比。根据能量密度的概念，式(4)可以写成：

$\underset{R}{\&Integral;}{\left|f\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}\underset{R}{\&Integral;}E\left(b\right)\mathrm{db}---\left(5\right)$

式中：

$E\left(b\right)=\frac{1}{C_{\mathrm{\&psi;}}}\underset{R}{\&Integral;}\frac{1}{a^2}{\left|W_f(a,b)\right|}^2\mathrm{da}---\left(6\right)$

小波变换中，尺度a在一定意义上对应于频率ω，因此(6)式给出了信号所有频带的能量随时间b的分布情况，称为时能密度函数。实际应用中，可以通过改变上式的积分上、下限，使积分区间落在待分析信号的某频率范围内，从而得到该频带内信号能量密度随时间的分布特征。

如将某次爆破作为一个系统来考虑，则每一段雷管的起爆就是向系统输入能量的过程，每一段雷管起爆必然引起系统内能量密度的改变。因此，可以适当选取积分上、下限，按(6)式计算单段围岩振动信号主频段内的能量密度，并画出其时-能密度图。根据图中出现的突峰位置即可得到各微差段爆炸荷载所诱发的振动的到达时刻，从而得各段雷管的实际起爆延迟时间。

本发明一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法的优点是：在一个起爆网络中同时布置多个段号的雷管，可同时测得每个雷管的延期时间。较传统的雷管精度测量方法操作简单，效率高，而且分析结果可靠、安全，成本低廉。在爆破施工现场中易于应用，能够实时动态地检验毫秒雷管的精度，根据试验场地的不同地形，可灵活布置起爆网络。

附图说明

图1为测试岩石中纵波速度时炮孔与监测器的位置示意图。

图2为爆破信号滤波图。

图3为时能密度图。

图4为炮孔双排布置时炮孔与监测器的位置示意图。

图5为炮孔双排布置时监测器记录的振动波形图。

图6为炮孔环形布置时炮孔与监测器的位置示意图。

图7为炮孔环形布置时监测器记录的振动波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。

实施例一

确定测试场地的纵波速度。在测试场地中央布置一个炮孔，孔内装填段号为MS1的雷管，在距离炮孔不同距离处布置三个爆破振动监测仪A、B、C，用来接收爆炸传来的应力波，监测仪之间的夹角为120°。引爆雷管，测出应力波到达监测设备的时间t以及雷管与监测仪的距离S，由于MS1段的雷管延期时间为0ms，利用公式(2)即可求出爆炸应力波在岩石中的传播速度。

在某宽阔的平整的完整无裂隙岩体中，布置两排炮孔，排距为5m，试验时每排炮孔取5个；垂直钻孔，孔径取70mm，孔深为1m，炮孔之间的距离为4m。

在两排炮孔之间布置三个振动监测传感器，监测器之间的距离为2m。将炮孔接成如图4所示的由MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS15、MS17、MS19以及起爆器组成的起爆网络。

按上述联网进行起爆，记录爆炸发生时刻，此后导爆管雷管由于延期时间不同而依次爆炸，爆炸产生的应力波传至监测点被监测设备接收。将测得的数据进行处理，最终得到的波形图象如图5所示，图象中包含多个波段，理论上波段个数与雷管数量一致。

用滤波的方法分离出低频信号，再用小波分析及时能密度方法确定每个波段中波峰开始时刻，根据图中出现的突峰位置即可得到各微差段爆炸荷载所诱发的振动的到达时刻，从而得各段雷管的实际起爆延迟时间。

具体实施过程如下：

1)确定爆炸开始时间，记为t₀；

2)找出随后每个波峰开始时刻，记为T_n；

3)测出每个炮孔中雷管与监测器的距离S_n；

4)用测得的数据根据公式(1)计算出各个雷管的延期时间。

为了得到更加准确的结果，我们在测试时，在炮孔不同位置布置3个监测器，分别测出每个雷管的延期时间，对结果进行比较分析。

实施例二

确定测试场地的纵波速度。在测试场地中央布置一个炮孔，孔内装填段号为MS1的雷管，在距离炮孔不同距离处布置三个爆破振动监测仪A、B、C，用来接收爆炸传来的应力波，监测仪之间的夹角为120°。引爆雷管，测出应力波到达监测设备的时间t以及雷管与监测仪的距离S，由于MS1段的雷管延期时间为0ms，利用公式(2)即可求出爆炸应力波在岩石中的传播速度。

在某宽阔的平整的完整无裂隙岩体中，布置一圈环形炮孔，初次试验时炮孔取9个；垂直钻孔，孔径取70mm，孔深为1m，炮孔之间的夹角为22.5°。

在炮孔连线所在的圆形的圆心处布置一个振动监测传感器，记为A；同时，在圆心附近布置另外两个监测器，分别记为B、C，监测器之间的距离为2m。将炮孔接成如图6所示的由MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS15、MS17以及起爆器组成的起爆网络。

按上述联网进行起爆，记录爆炸发生时刻，此后导爆管雷管由于延期时间不同而依次爆炸，爆炸产生的应力波传至监测点被监测设备接收。最终得到的波形图象如图7所示，图象中包含多个波段，理论上波段个数与雷管数量一致。

用滤波的方法分离出低频信号，再用小波分析及时能密度方法确定每个波段中波峰开始时刻，记为T_n，测出每个导爆管雷管与监测器之间的距离S_n，根据公式(1)计算出各个雷管的延期时间。

为了得到更加准确的结果，我们在测试时，在炮孔不同位置布置3个监测器，分别测出每个雷管的延期时间，对结果进行比较分析。

Claims (2)

1.一种基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)布置炮孔，各炮孔所激发的应力波传播路线不重叠；

(2)钻孔、装药完成以后，在已有的钻爆参数基础上，用导爆索将所有炮孔内的雷管同时点燃同时起爆；

(3)在不同的爆心距处布置多个振动监测仪，接收爆炸传来的爆轰波，并记录波形数据；

(4)利用小波分析方法将实测波形按从低到高不同的频段进行分解，并求得低频段波形的时能密度曲线，以获得每一段爆破振动到达的精确时间，扣除爆炸应力波在岩石中传播所用时间，得到雷管的精确延期时间；具体包括如下子步骤：

(4.1)根据所得到的波形文件，确定爆炸开始时间，记为t₀；

(4.2)找出随后每个波峰开始时刻，记为T_n；

(4.3)测出每个炮孔中雷管与监测器的距离S_n；

(4.4)用测得的数据根据公式(1)计算出各个雷管的延期时间

$t_n=T_n-t_0-\frac{S_n}{v}---\left(1\right)$

式中：t₀—开始记录时间，实际t₀取0；

t_n—雷管的延期时间，ms；

T_n—波峰开始时刻，ms；

v—爆炸应力波在岩石中的传播速度，m/ms；

S_n—爆心距。

2.如权利要求1所述的基于爆破振动测试的现场快速测定毫秒雷管延时精度的方法，其特征在于：所述布置炮孔的方式为双排布置或者环形布置或者布置成四边形、五边形。