许东沟露天矿爆破震动波频谱分析_杨号.pdf

收稿日期2019-09-11 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51574245） 。 作者简介杨号 （1994） ， 男， 硕士研究生。通讯作者常来山 （1963） ， 男， 教授， 博士。 许东沟露天矿爆破震动波频谱分析 杨号 1 常来山 1 王鑫瑀 21 （1. 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 河北钢铁集团矿业有限公司， 河北 唐山 063000） 摘要频谱分析可获得爆破震动波的各种频率成分和分布情况， 在爆破震动信号分析中， 傅里叶分析方法 是一种最常用的分析方法， 其本质是将时域信号变换到频域进行分析。通过对现场爆破震动信号的监测， 运用傅 里叶变换 （FFT） 原理， 结合Matlab软件中的频谱分析功能， 分析了不同爆心距下的爆破震动信号的频谱变化和功率 谱变化情况， 并绘制爆破震动信号的频谱图和功率谱图。结果表明 爆破震动主频有向低频区域发展的趋势， 爆破 震动峰值速度总体呈衰减趋势， 垂向相对于径向衰减较快， 随着爆心距的增加， 主振方向有向径向转化的趋势； 爆 破震动信号有时主频并不突出， 具有一定的频带宽度， 垂向主频主要集中在12～33 Hz， 径向主频集中在12～20 Hz； 爆破震动能量在频域上虽然展布比较广泛， 但绝大部分能量集中在主频所处波段。研究频率的结构和分布情况， 对后续的爆破设计、 施工具有一定的参考意义。 关键词露天矿山爆破震动频谱功率谱 中图分类号TD 854.2文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -02-177-05 DOI10.19614/ki.jsks.202002030 Spectrum Analysis of Blasting Vibration Signals of Xudonggou Open Pit Mine Yang Hao1Chang Laishan1Wang Xinyu22 （1. School of Mining Engineering， University of Science and Technology， Anshan 114051， China； 2. HBIS Group Ming Company， Tangshan 063000， China） AbstractSpectral analysis can obtain various frequency components and distribution of blasting vibration waves. In the analysis of blasting vibration signals， Fourier analysis is one of the most commonly used analysis s. Its essence is to trans time domain signals into frequency domain for analysis. Through the monitoring of the on-site blasting vibration signal， using the principle of Fourier trans（FFT）and the spectrum analysis function in Matlab software， the spectrum change and power spectrum change of the blasting vibration signal under different blasting distances are analyzed， and the spectrogram and power spectrum of the blasting vibration signal is drawn. It is concluded that the main frequency of blasting vibration has a tendency to develop into the low frequency region. The peak velocity of blasting vibration generally shows a de- caying trend， and the vertical direction decays faster with respect to the radial direction. With the increase of the blasting dis- tance， the main vibration direction has a trend of radial transation；the blasting vibration signal has a certain frequency bandwidth. In the frequency band， sometimes the main frequency is not prominent. The vertical main frequency is mainly con- centrated in 12～33 Hz， and the radial main frequency is concentrated in 12～20 Hz； the blasting vibration energy is Although the spread is widely distributed in the frequency domain，most of the energy is concentrated in the frequency band where the main frequency is located. In addition to the main frequency，there are multiple sub-bands in the dominant frequency band， and the energy of each sub-band is different. The structure and distribution of the research frequency have certain reference significance for the subsequent blasting design and construction. KeywordsOpen pit mine， Blasting vibration， Spectrum， Power spectrum 爆破震动信号是一种非周期性的瞬态随机波 形， 从其波形中可以直观地分析出振幅的大小、 爆破 震动持续时间的长短等物理量 ［1-2］， 但是频率的高低 和分布情况却很难得到。分析爆破震动波的频率特 性， 主要原因是较小的爆破震动可能产生较强的共 振效应 ［3-5］。频率的结构和分布情况， 对合理选择爆 总第 524 期 2020 年第 2 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 524 February 2020 177 ChaoXing 破药量、 爆破方法和确定爆破安全距离提供了科学 依据 ［6-8］， 因此在爆破震动分析中， 获得爆破震动波的 主要频率成分是十分必要的 ［9］。 根据许东沟露天矿现场爆破震动实测数据， 基 于频谱分析FFT原理， 利用Matlab软件中的频谱分析 功能， 绘出震动信号的傅里叶频谱图和功率谱图， 对 许东沟露天矿爆破震动信号的频谱、 功率谱分布特 性进行了分析研究。 1震动信号频谱分析 1. 1傅里叶快速变换 傅里叶变换可将爆破震动信号由时域转换为频 域， 以分析频率相关的信息。函数a （t） 在R2上的连 续傅里叶变换 ［10］定义为 A ω ∫ -∞ ∞ a t e -jωtdt .（1） 爆破震动信号为离散信号， 需要对等时间间隔 的信号进行积分以获得离散傅里叶变换 （DFT） ［11］ X k ∑ n 0 N -1 x n e -j 2π N nk, k 0,1,,N -1 . 2 逆变换公式为 x n 1 N∑ k 0 N -1 X k e j 2π N nk, n 0,1,,N -1 . 3 FFT是利用计算机将DFT快速实现的方法， 它巧 妙地将震动信号分解成若干频率正弦波的叠加。 1. 2爆破震动信号的谱密度分析 爆破震动信号有很大的随机性， 不适合作幅值 谱、 相位谱及离散谱分析， 往往只做功率谱分析。功 率谱密度函数可定义为 Sx f ∫ -∞ ∞ Rx τ e -i2πftdτ. （4） 功率谱密度函数在实际工程中用单边功率谱表 示， 即 Gx f 2∫ 0 ∞R x τ e -i2πftdτ. （5） 2爆破震动现场测试分析 2. 1工程概况与测点布置 许东沟采场位于辽宁省鞍山市东南 15～20 km。 爆区位于采场南端， 岩性为磁铁石英岩， 爆区呈块状 分布， 宽 32.79 m， 长 74.61 m， 钻孔采用 45R 牙轮钻 机， 孔径250 mm， 孔深15 m， 孔距7 m， 排距7 m， 采用 的炸药为铵油乳化炸药， 连续柱状装药， 逐孔微差起 爆。炮孔布置与起爆网络如图 1。现场测试采用 IDTS-3850型爆破震动仪， 爆区与测点布置如图2所 示。 2. 2爆破震动实测数据 根据现场爆破试验， 用爆破震动仪记录许东沟 采场爆区的数据汇总如表1所示。 从表1可以看出， 爆破震动峰值速度总体呈衰减 趋势， 垂向相对于径向衰减较快， 随着爆心距的增 加， 其垂直方向的爆破震动速度将小于径向爆破震 动的数值， 主振方向有向径向转化的趋势； 爆破震动 信号的径向主频分量大于垂直方向， 其主频具有向 低频发展的趋势， 且径向较为明显。 2. 3频谱分析 利用傅里叶变换对采集的爆破震动信号进行频谱 分析时， 在Matlab中编制相应的信号处理和分析程序， 得到该爆破震动实测信号的频谱图和功率谱密度图。 基于Matlab的FFT设计流程图如图3所示， 图4为爆破 震动信号各测点的垂向震动频谱图， 图5为各测点的 径向震动频谱图 （测点1径向测振失败） 。 金属矿山2020年第2期总第524期 178 ChaoXing 杨号等 许东沟露天矿爆破震动波频谱分析 爆破震动信号波形曲线的复杂程度可根据它的 频率成分体现出来 （如图4、 图5） ， 矿山爆破震动信号 具有较宽的频带分布， 常常存在多峰值现象， 主频并 不突出。垂向震动的主频主要分布在低中频区域， 范围在8.5～54.9 Hz， 主要集中在12～33 Hz； 径向震动 的主频主要分布在低频区域， 范围在6.1～23.2 Hz， 主 要集中在12～20 Hz。垂向震动主频相对于径向主频 频带较宽， 但其幅值相对较小。 2. 4功率谱分析 由Matlab频谱分析功能绘制的爆区各测点的垂 向震动功率谱如图6所示， 图7为各测点的径向震动 功率谱图。 矿山爆破震动具有典型的非平稳随机特征。由 图6和图7的功率谱图可以看出， 爆破震动能量在频 域上虽然展布比较广泛， 但大部分能量都集中在低 中频范围内， 低中频震动信号在径向方向上的能量 高于垂直分量的能量。传播时能量衰减较快， 且高 频快于低频。 2020年第2期 179 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ 3结论 （1） 许东沟露天矿爆破震动峰值速度总体呈衰 减趋势， 随着爆心距的增加， 高频信号衰减较快， 震 动主频有向低频区域发展的趋势。 （2） 在爆破震动信号的频谱分析中， 爆破震动信 号具有一定的频带宽度， 有时主频并不突出， 包含多 个子频； 垂向震动主频相对于径向主频频带较宽， 垂 向震动主频主要集中在 12～33 Hz， 径向震动主频主 要集中在12～20 Hz。 参 考 文 献 林秀英， 张志呈 .爆破地震波的频谱分析 ［J］ .中国矿业， 2000 （6） 77-80. 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