CN110487136A - 一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法，包括如下操作步骤：进行现场单孔爆破试验，获取相应的爆破振动数据；将得到的振动数据导入Matlab中，进行希尔伯特黄变换(HHT)，得到该振动数据的边际谱图和百分比能量分布图，通过单孔爆破振动频谱图判断出爆破作业时该爆破区域爆破地震波频率范围；根据基于频谱叠加原理所推导的公式确定在所得频率范围内的合理起爆段数及延期时间大小；进行试爆试验，根据爆破效果及时调整相关爆破参数。本发明可以很好地解决毫秒延时爆破延期时间选取困难的问题，使用爆破振动主振频率和振幅双重指标作为衡量降振效果好坏的标准，避免了使用单一指标进行爆破效果评价的片面性。

Description

一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法

技术领域

本发明涉及工程爆破技术领域，具体为一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法。

背景技术

随着城镇化和基础设施建设的不断推进，爆破工程越来越临近已有建(构)筑物、城镇居民区，由爆破振动引发的边坡失稳、建(构)筑物损毁、人员伤亡等灾害事故时有发生，使得爆破振动灾害已成为制约爆破技术应用于岩土开挖工程的主要技术瓶颈。

随着高精度数码电子雷管的普及，毫秒延时爆破技术作为一种相对高效、环保、安全的降振技术，得到越来越广泛的运用。毫秒延时爆破效果好坏的关键在于延期时间的选取，依据何种方法选取延期时间成为工程爆破中亟待解决的问题之一。从信号分析的角度出发对爆破振动信号进行时频分析，优选出的延期时间能够兼顾时域和频域两个方面，能够很好地分析爆破振动主振频率和振幅对爆破振动危害效应的影响。因此，我们提出一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振的方法，以便于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法，以解决上述背景技术中提出的毫秒延时爆破作业中延期时间选取不当造成振动灾害频发的问题。

为实现上述目的，本发明主要有以下步骤：

步骤1)：现场选择几个有代表性的点，进行单孔爆破试验，使用爆破测振仪对每次单孔爆破进行测振，得到相应振动数据。

步骤2)：将得到的振动数据导入Matlab中，进行时频分析，得到该振动数据的边际谱图和能量分布图，通过几个有代表性的单孔爆破振动频谱图判断出爆破作业时该爆破区域爆破地震波频率范围。

步骤3)：根据基于频谱叠加原理推导的公式所得频率特性曲线确定频率范围内的起爆段数及延期时间大小，当起爆段数固定时，只需确定延期时间大小。所述公式为y＝|K(jω)|＝|sinnπfΔt/sinπfΔt|，y为在观监测处测得的叠加组合后地震波的傅里叶谱值与组合叠加前单个地震波傅里叶谱值的比值，y的大小可表征压制降振效果好坏；n为起爆段数(叠加次数)；f为频率；Δt为延期时间。

步骤4)：进行试爆试验，根据爆破效果及时调整相关爆破参数。

优选的，所述爆破测振仪安装应符合相关要求，选择在相对平坦的岩石上，并使用毛刷将岩石上的尘土清扫干净，确定好水平方向后，用手掌平压三矢量传感器，并在用力过程中左右带动传感器，以便提高传感器与被检面的刚性连接。同时，为了加快石膏凝固，应在传感器周围加石膏粉吸收水分。

优选的，所述能量分布图应转化为百分比例形式，根据边际谱图和能量百分比分布图确定不同监测点的最佳降振频率，得到相应的频率带。通过边际谱图可以看出振动信号的频率和振幅的关系，而通过能量百分比分布图则可以看出频率与能量的关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法所优选出的延期时间能在够兼顾时域及频域两个方面，相比于基于波形叠加的干扰降振方法所优选出的延期时间，采用该方法可大概率降低毫秒延时爆破作业产生的低频振动对爆区附近建构筑物的损坏。

(2)该方法使用爆破振动幅值强度和主振频率双重指标作为衡量毫秒延时爆破降振效果好坏的标准，且具有可靠的理论基础及准确的现场实验数据支撑。通过对爆破振动数据的处理，得到的爆破振动边际谱图和百分比能量分布图可视化程度高，方便操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为单孔爆破试验现场测点位置图；

图2为某一测点爆破振动边际谱图；

图3为某一测点爆破振动能量分布百分比图；

图4为叠加次数n＝8的频率特性曲线图(5-20ms)；

图5为叠加次数n＝8的频率特性曲线图(25-40ms)；

图6为压制频带L与总频带S关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法，主要有以下步骤：

步骤1)：现场选择几个有代表性的点，进行单孔爆破试验，使用爆破测振仪对每次单孔爆破进行测振，得到相应振动数据。

步骤2)：将得到的振动数据导入Matlab中，进行时频分析，得到该振动数据的边际谱图和能量分布图，通过几个有代表性的单孔爆破振动频谱图判断出爆破作业时该爆破区域爆破地震波频率范围。

步骤3)：根据基于频谱叠加原理推导的公式所得频率特性曲线确定频率范围内的起爆段数及延期时间大小，当起爆段数固定时，只需确定延期时间大小。

步骤4)：进行试爆试验，根据爆破效果及时调整相关爆破参数。

实施例1：

某市爆破场平工程采用JL系列数码电子雷管及其起爆系统进行毫秒延时爆破施工，爆破区域场地主要以茅口组灰岩为主，普氏系数为8～10，岩石结构性完好，岩性基本相同。在土石方平整现场一块相对规整的台阶上钻凿了4排炮孔，每排12孔，一共48个孔。根据现场施工情况，确定台阶高度为9m，炮孔垂直钻进，深度10m，孔距3.5m，排距3m，炸药采用现场混装的铵油炸药，每孔装药35公斤，填塞3m。现场拟将48个炮孔以6孔为一组，分成8组，为使相邻组间地震波不相互干扰，组间毫秒延期时间设置为200ms。

首先进行单孔爆破试验。根据现场情况进行了4次单孔爆破，每次单孔爆破试验错开进行，爆破测振仪距离炮孔50m，单孔爆破试验现场测点位置图如图1所示。

单孔爆破试验结束后，将现场4次单孔爆破试验振动数据进行希尔伯特黄变换(HHT)，得到各个测点的边际谱图和能量分布百分比图。整理发现，4次爆破的主要振动频率集中在10～60Hz之间,考虑到篇幅问题，只列举出一个测点的边际谱图和能量分布百分比图，见图2、3。

然后，根据现场岩性情况及爆破施工经验选取出可能取得较好爆破效果的毫秒延期时间区间为5ms～40ms，设置间隔为5ms，Δt分别为5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms，35ms、40ms，以f为横坐标变量，y为纵坐标变量，分别绘制出叠加次数为n＝8的频率特性曲线，如图4、5所示。

为更准确地对不同延期时间的降振效果进行对比分析，采用压制比例值K对其降振效果进行量化，其中K＝L/S，L为压制频带，S为总频带范围(此时S＝50HZ)，K值越大表明降振效果越好，压制频带L与总频带S的关系见图3。借助于压制比例值K的量化作用，计算出不同叠加次数下的各个延期时间的压制比例值K，具体结果见表1。由图3可知，总频带S固定时，压制频带L越长时，表明降振效果更好，当K值为0.5时，压制频带L占比总频带S的1/2，可将其作为一个临界值。K值高于0.5，且越接近1时，降振效果越好；低于0.5，且越接近0时，降振效果越不理想。由表1可知，当延期时间为10ms时，无论波形叠加几次，延期时间10ms和15ms时的压制降振效果都比较好，25ms和30ms次之。所以，对于单孔地震波频率范围在10-60Hz的台阶毫秒延时爆破，为取得良好的降振效果，最佳孔间毫秒延期间隔时间应取10ms-15ms，其次25ms-30ms。

表1不同延期时间的压制比例值K

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于频谱叠加的台阶爆破毫秒延时压制降振方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)：现场选择几个有代表性的点，进行单孔爆破试验，使用爆破测振仪对每次单孔爆破进行测振，得到相应振动数据；

步骤2)：将得到的振动数据导入Matlab中，进行时频分析，得到该振动数据的边际谱图和能量分布图，通过几个有代表性的单孔爆破振动频谱图判断出爆破作业时该爆破区域爆破地震波频率范围；

步骤3)：根据基于频谱叠加原理推导的公式所得频率特性曲线确定频率范围内的起爆段数及延期时间大小，当起爆段数固定时，只需确定延期时间大小；

所述公式为y＝|K(jω)|＝|sin nπfΔt/sinπfΔt|，y为在观监测处测得的叠加组合后地震波的傅里叶谱值与组合叠加前单个地震波傅里叶谱值的比值，y的大小可表征压制降振效果好坏；n为起爆段数(叠加次数)；f为频率；Δt为延期时间；

步骤4)：进行试爆试验，根据爆破效果及时调整相关爆破参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的单孔爆破试验点应保证能大致代表爆区整体环境，且每个测振仪安置处距离爆源距离(爆心距)应相同，且后续试爆以及日常爆破振动监测测振仪安置位置也应相同。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述HHT时频分析方法为希尔伯特黄变换(HHT)，在对振动数据进行导入之前，应把失真信号及污染信号去除。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述公式是基于将台阶毫秒延时爆破所产生的地震波近似地看成是振动波形和振幅一样，相对时差为Δt的n个波形的叠加组合。设第1个波形的振动函数为f(t)，则第2个波形的振动函数为f(t-Δt)，同理，第n个波形的振动函数为f[t-(n-1)Δt]；则到达观测点的地震波函数F(t)可表述为：F(t)＝f(t)+f(t-Δt)+f(t-2Δt)+…+f[t-(n-1)Δt]。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述观测点地震波函数F(t)中的t时刻地震波函数f(t)的傅里叶谱为g(jω)，根据频谱定理中的时延定理，t-Δt时刻地震波函数f(t-Δt)的傅里叶谱为g(jω)e^-jωΔt；以此类推，f[t-(n-1)Δt]的傅里叶谱为g(jω)e^-(n-1)jωΔt，得到到达观测点的地震波的傅里叶谱G(jω)为：令表征叠加后的振幅强度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述公式中ω为角频率；实际爆破地震波不是简谐波，而是包含很多频率成分的脉冲波，因此叠加后的振幅强度应体现频率效应的影响，因此化简可得以下关系：得