液态CO2相变破岩振动信号能量分布特征.pdf

第３５卷 第２期 ２０１８年６月 爆 破 ＢＬＡＳＴＩＮＧ Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ２ Ｊｕｎ． ２０１８ ｄｏｉ１０． ３９６３／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００１ －４８７Ｘ． ２０１８． ０２． ０２７ 液态ＣＯ２相变破岩振动信号能量分布特征* 陈 冠， 李启月， 刘小雄， 吴正宇， 马 举 （ 中南大学资源与安全工程学院， 长沙４１００８３） 摘 要 针对液态ＣＯ２相变破岩， 设计振动信号监测试验， 基于小波包变换分析振动信号能量分布规律。 结果表明 液态ＣＯ２相变破岩振动信号主振频带与振动信号方向及传播距离相关性较小， 基本位于０ ～４ Ｈｚ 子频带， 但主振频率对应能量分布百分比随着传播距离增加逐渐降低。随传播距离的增加， 垂向振动信号高 频段能量百分比逐渐增加， 低频段能量百分比逐渐降低， 且在中高频附近出现与主振频带对应能量百分比逐 渐接近的“子中心”频带。同一测点不同方向频率能量分布百分比在０ ～１００ Ｈｚ频带存在一定差异， 但在其 他频域内基本一致。 关键词 液态ＣＯ２；相变破岩；振动；能量分布；小波包分析 中图分类号 ＴＤ２３５ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１ －４８７Ｘ（２０１８）０２ －０１５５ －０９ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ａｂｏｕｔ Ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２Ｐｈａｓｅ-ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｂｒｏｋｅｎ Ｒｏｃｋ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ ＣＨＥＮ Ｇｕａｎ，ＬＩ Ｑｉ-ｙｕｅ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ-ｘｉｏｎｇ，ＷＵ Ｚｈｅｎｇ-ｙｕ，ＭＡ Ｊｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｅｓｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ０ ～ ４ Ｈｚ ｓｕｂ-ｂａｎｄ． Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｄｅｃｒｅａ- ｓｅｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ． Ｔｈｅ ｓｕｂ-ｃｅｎｔｅｒ ｂａｎｄ ａｒｉｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｃｉｎｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｍａｓｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ． Ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒ- ｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ０ ～１００ Ｈｚ，ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ａｌｍｏｓｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｉｎ ｏｔｈｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２；ｐｈａｓｅ-ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｂｒｏｋｅｎ ｒｏｃｋ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ；ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋ- ｅｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 收稿日期２０１８ －０１ －１２ 作者简介陈 冠（１９９３ －） ， 男， 湖南娄底人， 硕士研究生， 主要从事 爆破及振动方面的研究， （Ｅ-ｍａｉｌ）ｃｈｅｎｇｕａｎ＠ ｃｓｕ． ｅｄｕ． ｃｎ。 通信作者李启月（１９６８ －） ， 男， 湖南衡阳人， 教授、 博士生导师， 主 要从事采矿及爆破方面的教学和研究，（Ｅ-ｍａｉｌ）ｑｙｌｉ＠ ｃｓｕ． ｅｄｕ． ｃｎ。 基金项目中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助（５０２２１ １７３９） ； 国家自然科学基金（５１３７４２４３、４１３７２２７８） 液态ＣＯ２相变破岩技术由于克服了炸药爆破 产生明火和飞石等诸多缺点， 在煤矿及地铁基坑等 硬岩开挖中得到迅速的发展。液态ＣＯ２相变破岩 技术最初运用于国外高瓦斯煤矿的开采［ １，２］； 而后 郭志兴在国内介绍了液态ＣＯ２相变破岩原理并进 行了现场试验［ ３］； 徐颖等介绍了高压气体爆破采煤 技术的发展及其在我国的应用现状［ ４］； Ｓ Ｐ Ｓｉｎｇｈ等 在ＰＣＦ（Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｃｏｎｅ Ｆｒａｃｔｕｒｅ）理念指出液态 ＣＯ２相变破岩技术没有炸药爆破制约， 可高效率持 续作业， 适用于岩石开挖［ ５］； 近年来， 朱拴成等将液 万方数据 态ＣＯ２相变破岩技术运用于处理工作面巷道三角 区悬顶煤［ ６］； 张悦， 孙建中等研究了液态 ＣＯ２相变 破岩技术对煤层的增透作用［ ７，８］； 董庆祥等基于试 验和ＡＮＳＹＳ／ ＬＳ-ＤＹＮＡ数值模拟研究了液态ＣＯ２ 相变破岩的ＴＮＴ当量［ ９］； 周西华等研究了液态 ＣＯ２ 相变破岩增透促抽瓦斯技术， 并提出了最优的增透 钻孔参数［ １０，１１］。随着国内外学者对液态 ＣＯ２相变 破岩技术研究的深入， 该技术被运用于诸如城市地 铁及建筑基坑开挖等诸多工程领域， 但与其相关的 安全的问题却鲜有研究。振动是液态ＣＯ２相变破 岩最常见和最重要的灾害之一， 而能量作为能够同 时体现振动的振速、 频率及持续时间三要素的参数， 因此， 研究液态ＣＯ２相变破岩振动能量分布规律对 于分析其振动灾害具有重要意义［ １２，１３］。 液态ＣＯ２相变破岩工作原理为 充装完成的液 态ＣＯ２破岩管， 采用电起爆装置激发加热管， 使其 温度迅速上升，从而使液态ＣＯ２瞬间气化（约 ２０ ｍｓ） ， 体积膨胀为原状态的５００倍以上， 管内压力 剧增为约３００ ＭＰａ， 当管内气体压力超过定压剪切 片临界强度时， 定压剪切片被破坏， 气体由泄能头瞬 间释放； 其周边岩体在体积瞬间膨胀气体的冲击与 压缩作用下， 岩石发生压缩变形和径向位移， 沿切向 拉应力产生径向裂隙， 同时， 压缩变形和径向位移过 程中积蓄的弹性变形能释放， 形成朝向泄能中心的 径向拉应力， 在已形成的径向裂隙间产生环状裂隙； 期间ＣＯ２气体渗入裂隙内， 发挥气楔作用， 使裂隙 进一步扩展、 逐步相互贯通， 具体如图１所示。 １提拉管；２加热管；３填充物；４定压剪切片； ５泄能头；６ＣＯ２气体；７破裂岩体；８ＣＯ２致裂管 图１ 液态ＣＯ２相变破岩工作原理图 Ｆｉｇ． １ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ ｐｈａｓｅ-ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｂｒｏｋｅｎ ｒｏｃｋ 以湖南益阳某小型露天石煤矿为工程背景， 设计 试验获取液态ＣＯ２相变破岩振动信号， 采用小波包能 量分析方法， 得到其振动信号的频率能量分布特征， 为控制液态ＣＯ２相变破岩振动灾害提供理论依据。 １ 试验设计 １． １ 液态ＣＯ２管布置 湖南益阳某小型露天石煤矿由于靠近居民区， 根据我国 爆破安全规程（ＧＢ６７２２２０１４）规定不 允许采用炸药进行爆破作业， 从而选择液态ＣＯ２相 变破岩技术进行开采。该露天石煤矿台阶高度约 １４． ５ ｍ， 台阶坡面角约为８０， 矿体普氏系数ｆ ＝４ ～ ５， 如图２（ａ） 所示。 试验液态ＣＯ２单管参数为 直径为７６ ｍｍ， 长度 为１． ０ ｍ，充装质量为１． ６ ｋｇ，最大充装压力为 ９． ０ ＭＰａ。 破岩孔参数为 破岩孔沿台阶坡顶面线单 排平行布置， 孔径９０ ｍｍ， 孔深５． ０ ｍ， 单孔连续安 装液态ＣＯ２管质量共为６． ４ ｋｇ（１． ６ ｋｇ ４根） ， 底 盘抵抗线为３． ５ ｍ， 孔距为２． ５ ～３． ９ ｍ， 孔口采用细 沙堵塞，５个破岩孔同时起爆， 总液态ＣＯ２质量为 ３２．０ ｋｇ， 具体布孔参数如图２（ｂ）所示， 液态ＣＯ２管 现场布置示意图如图２（ｃ） 所示。 １． ２ 振动监测方案 试验振动监测设备为Ｂｌａｓｔｍａｔｅ Ｐｒｏ６振动监测 仪（ 如图３所示） ， 该仪器可以连接２个３向检波器 进行同时监测， 最小触发水平为０． １２７ ｍｍ／ ｓ， 速度 量程为０ ～２５４ ｍｍ／ ｓ， 工作频率范围为４ ～１２５ Ｈｚ， 采样率１０２４ ～ ４０９６ Ｈｚ， 分辨率为０． ００７８８ ｍｍ／ ｓ。 本次试验采样率设置为１０２４ Ｈｚ， 在确保监测到液 态ＣＯ２相变破岩信号的同时为尽可能的减少干扰 信号触发传感器，触发水平在５＃监测点设置为 ０． １２７ ｍｍ／ ｓ， 其余为１０． ００ ｍｍ／ ｓ。振动监测点布置 在５个破岩孔中心位置， 在同一水平面沿台阶坡顶 线垂线的不同距离处共布置５个三轴传感器（如图 ２（ａ）所示） ，各传感器与震源中心的距离如表１ 所示。 表１ 监测点与震源中心之间的距离 Ｔａｂｌｅ １ Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ 监测点１＃２＃３＃４＃５＃ 震源距Ｒ／ ｍ０． ７３． ５４． ５６． ７２８． ７ ２ 振动信号监测结果及预处理 振动监测过程中， 由于受到如运输矿石的卡车、 人员行走等诸多外界因素的影响，５个监测点共得 ６５１爆 破 ２０１８年６月 万方数据 到上百组数据。通过对比分析各组数据， 发现干扰 信号主要分为两类 第一类为脉冲信号， 由瞬间峰值 导致监测仪器被触发， 该类信号特征明显容易分辨， 如图４（ａ）所示； 第二类信号由大型机械工作引起， 该类信号速度大， 波形紊乱， 速度随时间不存在明显 衰减， 如图４（ｂ）～（ｃ）所示。通过对每组监测数据 进行逐个对比分析， 分别得到１＃ ～５＃测点共５组液 态ＣＯ２相变破岩振动信号， 其中１＃测点水平径向， 水平切向和垂向的速度时间曲线分别如图４（ｄ） 、 （ｅ） 和（ｆ）所示， 振动信号持续时间约为２００ ｍｓ， 速 度随时间增加而衰减， 且信号不同方向衰减特征基 本一致。 图２ 液态ＣＯ２管布置 Ｆｉｇ． ２ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ 图３ Ｂｌａｓｔｍａｔｅ Ｐｒｏ６振动监测仪 Ｆｉｇ． ３ Ｂｌａｓｔｍａｔｅ Ｐｒｏ６ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒ 主振频率为信号通过傅里叶变换得到的能量峰 值点所对应的频率值， 是振动信号分析中最常用的 参数， 因此， 采用ＦＦＴ（快速傅里叶变换）方法分别 求得各测点３个方向的主振频率， 并将１＃ ～５＃测点 振动监测结果与主振频率统计如表２所示。 表２ 液态ＣＯ２相变破岩振动监测结果与主振频率 Ｔａｂｌｅ ２ Ｍａｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ｐｈａｓｅ-ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｂｒｏｋｅｎ ｒｏｃｋ 测点 质点振动速度矢量和 峰值ＰＰＶ／（ｍｍｓ －１）垂向 主振频率／ Ｈｚ 水平径向 水平切向 １＃１８． ３０２． ０２． ０２． ６ ２＃４． ６５２． ８５． ３２． １ ３＃２． ３８６． １６． １６． １ ４＃１． ４８６． １６． １６． ４ ５＃０． １４５４． ９４． ９１８． ３ 由主振频率概念可知， 通过分析主振频率特征 可以反应出信号能量峰值特征。对比分析表２中各 测点主振频率易得 垂向和水平切向主振频率均随 着传播距离的增加呈增加趋势， 即振动信号能量峰 值点随传播距离增加向高频移动， 且垂向更为明显； 水平径向主振频率没有体现出明显规律。但仅以主 振频率进行振动信号能量分析是不够精确的， 因此， 采用小波包分析方法对振动信号进行更加精细的能 量分布特征分析。 ３ 振动信号能量分布 ３． １ 小波包能量分析方法 根据正交多分辨小波包分析理论［ １４，１５］， Ｈｉｌｂｅｒｔ 空间Ｌ２（Ｒ） 和小波包空间Ｕｉ，ｊ存在如下关系 Ｌ２（Ｒ）＝ ∪ ２ｉ－１ ｊ ＝１ Ｕｉ，ｊ （ｉ ＝ １，２， ，Ｎ） Ｈｉｌｂｅｒｔ空间Ｌ２（Ｒ） 内信号Ｓ（ｔ） 可以表示为 Ｓ（ｔ）＝∑ ２ｉ－１ ｊ ＝０ ｆｉ，ｊ（ｔｊ） 式中，ｆｉ，ｊ（ｔｊ）＝∑ ｍ ｋ ＝１ ｄ（ ｋ） ｉ，ｊφｊ，ｋ（ ｔ）为信号Ｓ（ｔ）在 小波包空间Ｕｉ，ｊ内的投影，ｄ（ ｋ） ｉ，ｊ ＝ ＜ ｆｉ，ｊ，φｊ， ｋ（ ｔ）＞， 小波函数φｊ， ｋ（ ｔ）为小波包空间Ｕｉ，ｊ内的标准正交 基，ｉ为尺度参数， 即小波包分解层数，ｊ为小波包分 解至ｉ层的第ｊ个小波子空间，ｋ为位移参数，ｍ为信 ７５１第３５卷 第２期 陈 冠， 李启月， 刘小雄， 等 液态ＣＯ２相变破岩振动信号能量分布特征 万方数据 号离散采样点数。 图４ 监测信号曲线 Ｆｉｇ． ４ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ 小波包空间Ｕｉ，ｊ内ｆｉ，ｊ（ｔｊ） 对应频带的能量占信 号Ｓ（ｔ） 的能量比为Ｐｉ，ｊ Ｐｉ，ｊ＝ Ｅｉ，ｊ Ｅ （ｉ ＝ １，２Ｎ，ｊ ＝ ０，１，２２ｉ－ １） 式中，Ｅｉ，ｊ＝ ∑ ｍ ｋ ＝１ ｄ（ ｋ） ｉ，ｊ ２ 为小波包空间Ｕｉ，ｊ内ｆｉ，ｊ （ｔｊ） 对应的频带能量，Ｅ ＝∑ ２ｉ－１ ｊ ＝０ Ｅｉ，ｊ为信号整体能量。 ３． ２ 小波包分解与小波基的选择 根据小波包理论， 信号可以分解至无穷层， 但分 析的优劣程度与分解层数之间仅在某个特定范围内 呈正相关， 超出该范围的分解将导致信号分析失真。 一般而言， 小波包分解最优层数由信号监测仪器的 最小工作频率决定。试验中液态ＣＯ２相变破岩振 动监测采用的Ｉｎｓｔａｎｔｅｌ Ｍｉｎｉｍａｔｅ Ｐｒｏ６型振动监测 仪， 其最小工作频率为４ Ｈｚ， 监测时采样频率设为 １０２４ Ｈｚ，由Ｓｈａｎｎｏｎ采样定理，其Ｎｙｑｕｉｓｔ频率为 ５１２ Ｈｚ。当小波包分解至第７层时， 原信号Ｎｙｑｕｉｓｔ 频率区间被划分为频带宽为４ Ｈｚ的１２８个子频带， 此时， 子频带宽与振动监测仪器最小工作频率完全 契合， 为小波包分解最优解层数。 小波基对信号分析结果具有重要影响， 选择合 适的小波基是得到可靠分析结果的关键之一。Ｉｎｇ- ｒｉｄ Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ构造的ｄｂＮ系列和ｓｙｍＮ系列小波由 于具有优秀的连续性、 紧支撑性及对称性等特征， 被 广泛应用于爆破振动信号分析［ １６，１７］。根据小波包 重构最小误差方法［ １８，１９］， 将最为典型的几类 ｄｂＮ和 ｓｙｍＮ系列小波作为小波基对同一液态ＣＯ２相变破 岩振动信号进行７层小波包分解与重构， 并将各小 波基重构误差统计于表３中。 表３ 小波包重构误差 Ｔａｂｌｅ ３ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋｅｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 小波基ｄｂ３ｄｂ５ｄｂ７ｄｂ８ｓｙｍ３ ｓｙｍ５ ｓｙｍ７ 误差值／１Ｅ －１１ ２． １０ ６． ２３ ５． ３５ １４． ０１ ２． １０ ０． ０２ ２． ０８ 从表３易得以ｓｙｍ５作为小波基得到的重构误 差远小于其他小波基， 因此， 本次液态ＣＯ２相变破 岩振动信号小波包分析选择ｓｙｍ５作为小波基。 ８５１爆 破 ２０１８年６月 万方数据 ３． ３ 主振频带能量分布 以ｓｙｍ５为小波基对液态ＣＯ２相变破岩振动信 号进行７层小波包分解， 并根据小波包能量分析理 论， 利用ＭＡＴＬＡＢ编程分别求得５个测点３个方向共 １５组振动数据的能量分布百分比， 其中５个测点垂向 振动信号能量分布百分比部分数据如表４所示。 表４ 振动信号垂向能量分布百分比部分数据 Ｔａｂｌｅ ４ Ｐａｒｔ ｏｆ ｄａｔａ ａｂｏｕｔ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ 频带编号 频率／ Ｈｚ １＃２＃ 垂向能量分布百分比／ ％ ３＃４＃５＃ Ｐ７， ０ ０ ～４１０． ９５０２ １４． ８２２３ ３８． ７７８８ １３． ９９７３ ９． １８７９ Ｐ７， １ ４ ～８５． ３９１２１３． ０３５５ ４． ６３８９２． ５５８５１． ３９１１ Ｐ７， ２ ８ ～１２４． ３４２５１３． ９０３２ ３． ２４１８２． ５５６４０． ７７８１ Ｐ７， ３ １２ ～１６６． １５７８１９． ８９２２ ４． １５８２１． ９４６２１． ３６８６ Ｐ７， ４ １６ ～２０３． ４１３５０． ９９８３２． ０５３４１． ４２８３０． ３６９５ Ｐ７， ５ ２０ ～２４４． ６８７８３． ４６９８１． ９６９７１． １５２５０． ４４０８ Ｐ７， ６ ２４ ～２８６． ５９３８３． ６１９６２． ４９２９１． ８０７００． ８２６７ Ｐ７， ７ ２８ ～３２６． ２０７１３． ５２８３３． ３７６０２． ６８５５０． ４９８３ Ｐ７， ８ ３２ ～３６１． ９６４６０． ５９８９０． ７１８５０． ４６０１０． １２６４ Ｐ７， ９ ３６ ～４０２． ４０７８０． ３３７９０． ７６４３０． ５４２４０． ２３２６ Ｐ７， １０ ４０ ～４４０． ５６０９０． ９６０８０． ２６１０１． ２８１４０． １４５６ Ｐ７， １１ ４４ ～４８０． ７０７８０． ７６８７０． ２２７８０． ７２６６０． ３５００ Ｐ７， １２ ４８ ～５２２． ６９３４１． ４０５４１． ４６６８１． ０４６７０． ３８６５ Ｐ７， １３ ５２ ～５６３． ２２６６１． ００４０１． ４９２３０． ７０７４０． ７３４８ Ｐ７， １４ ５６ ～６００． ４４３５１． ４２６６１． ０１９８０． ７０１１０． １６３５ Ｐ７， １５ ６０ ～６４１． ４０７７２． ２１９２０． ８１６３０． ６００６０． ２１０５ Ｐ７， １６ ６４ ～６８０． ５６５４０． １６９３０． ０９６５０． ０９３７０． １１７５ Ｐ７， １７ ６８ ～７２０． ４８８１０． １６２００． ０７５６０． ０５６８０． ０５９０ Ｐ７， １８ ７２ ～７６１． ７７２１０． １７１５０． １２３９０． ０７２１０． ０３９８ Ｐ７， １９ ７６ ～８０１． ３８８９０． １０４７０． ０６５８０． １０７６０． １２４４ Ｐ７， ２０ ８０ ～８４０． ４４２９０． ６１６７０． １９０４０． １６２１０． １１２７ Ｐ７， ２１ ８４ ～８８０． ４８２１０． ９７７３０． ２１２５０． １２６００． １２９８ Ｐ７， ２２ ８８ ～９２１． ３４４５０． ５１２２０． １７４９０． ２１３９０． ２５７４ Ｐ７， ２３ ９２ ～９６１． ２０１１０． ６０３６０． ２２８４０． １８０５０． ２０２３ Ｐ７， １２５ ４９６ ～５０００． ４４５９０． ０７１２０． ９８１１２． １６６１２． ８２５７ Ｐ７， １２６ ５００ ～５０４０． ２８１８０． ０５８４０． ０８４８０． １６９６０． ２１８８ Ｐ７， １２７ ５０４ ～５０８０． ３０２００． ０６２３０． ６３４７１． ４４０２１． ８６２４ Ｐ７， １２８ ５０８ ～５１２０． １５７００． ０４６７０． ４７１６１． ０４３８１． ３５２１ 借鉴主振频率概念， 认为主振频带为在小波包 最优分解尺度下， 小波包分析所得能量分布百分比峰 值对应子频带。将液态ＣＯ２相变破岩振动信号主振 频带及其对应能量分布百分比统计如表５所示。 表５ 振动信号主振频带及其对应能量分布百分比 Ｔａｂｌｅ ５ Ｍａｓｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｏｕｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ 测点 震源 距／ ｍ 垂向 水平径向 水平切向 主振频带／ Ｈｚ能量百分比／ ％主振频带／ Ｈｚ能量百分比／ ％主振频带／ Ｈｚ能量百分比／ ％ １＃０． ７０ ～４１０． ９５０２０ ～４３７． ０４２０１２ ～１６１７． ２３２９ ２＃３． ５１２ ～１６１９． ８９２２０ ～４１９． １２１５０ ～４１３． ３７８０ ３＃４． ５０ ～４３８． ７７８８０ ～４３２． ９３０３０ ～４１２． ０５９３ ４＃６． ７０ ～４１３． ９９７３０ ～４１９． ９９０２０ ～４８． ９６３２ ５＃２８． ７０ ～４９． １８７９０ ～４９． ５０２２０ ～４１０． １９６１ ９５１第３５卷 第２期 陈 冠， 李启月， 刘小雄， 等 液态ＣＯ２相变破岩振动信号能量分布特征 万方数据 由表５易得， 除１＃测点水平切向和２＃测点垂向 以外， 其余信号主振频带均为０ ～４ Ｈｚ， 但１＃测点水 平切向和２＃测点垂向０ ～４ Ｈｚ频带能量分布百分比 分别为１１． ５３１４％和１４． ８２２３％， 与其主振频带对应 能量分布百分比相差约５％。据此得液态ＣＯ２相变 破岩振动信号主振频带与振动信号方向及传播距离 相关性较小， 基本位于０ ～ ４ Ｈｚ子频带。该频率范 围与构建筑物的自振频率十分接近， 因此虽然液态 ＣＯ２相变破岩振动速度峰值较爆破振动小很多， 但 仍需特别注意液态ＣＯ２相变破岩可能引起的振动 灾害。 此外， 水平切向主振频带对应能量百分比随着传 播距离的增加， 呈现出下降趋势； 而垂向和水平径向 主振频带对应能量百分比随着这传播距离并没有表 现出明显的变化规律， 但当震源距Ｒ≤４．５ ｍ时， 主振 频带对应能量百分比约为２０％ ～４０％， 而当震源距 Ｒ≥６．７ ｍ时， 主振频带对应能量百分比仅约为１１％， 出现了显著下降。据此得随着传播距离的增加， 主振 频带对应能量百分比整体呈现出下降趋势。 ３． ４ 同一方向不同震源距振动信号能量分布 以垂向振动信号为例， 绘制其频率能量分布百 分比柱状图， 如图５所示， 以此分析同一方向不同距 离振动信号能量分布。 根据图５可得 振动信号能量一般围绕主振频 带分布， 即主振频带附近子频带能量分布百分比一 般会高于其他子频带； 此外， 综合分析图５与主振频 带对应能量百分比随着传播距离增加整体呈下降趋 势的特征， 容易发现， 随着传播距离增加， 在２００ Ｈｚ 和４５０ Ｈｚ频率附近出现与主振频带对应能量分布 百分比逐渐接近的“ 子中心” 频带， 且“子中心”频带 附近子频带能量分布百分比特征与主振频带相同。 为进一步分析液态ＣＯ２相变破岩频带能量分 布特征， 将子频带合并划分为５个宽频带， 分别为 Ｓ１１ ～ １００ Ｈｚ，Ｓ２１００ ～ ２００ Ｈｚ，Ｓ３２００ ～ ３００ Ｈｚ， Ｓ４３００ ～４００ Ｈｚ及Ｓ５４００ ～５０８ Ｈｚ，５个宽频带能 量分布情况如图６所示。 根据图６对比分析同一测点不同频带内能量分 布百分比可得 当震源距Ｒ≤３． ５ ｍ时， 信号能量集 中于Ｓ１频带， 在Ｓ２频带内能量迅速衰减， 且在Ｓ３ ～ Ｓ５频带内逐渐衰减为０； 当震源距Ｒ≥６． ７ ｍ时， 能 量不再集中于Ｓ１频带，Ｓ３ ～ Ｓ５频带内能量逐渐增 加， 当Ｒ ＝２８． ７时，Ｓ３频带和Ｓ５频带内能量甚至高 于Ｓ１频带； 对比分析不同测点同一频带内能量分布 百分比可得 随着传播距离的增加，Ｓ１频带能量分 布百分比逐渐降低，Ｓ３频带、Ｓ４频带和Ｓ５频带能量 分布百分比均逐渐升高，Ｓ２频带能量分布相对稳 定。上述特征说明随传播距离的增加， 振动信号高 频段能量分布百分比逐渐增加， 低频段能量分布百 分比逐渐降低。 图５ 垂向频率能量分布百分比柱状图 Ｆｉｇ． ５ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ 图６ 宽频带能量分布曲线图 Ｆｉｇ． ６ Ｇｒａｐｈ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｉｎ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ０６１爆 破 ２０１８年６月 万方数据 ３． ５ 同一测点不同方向振动信号能量分布 分别将１＃ ～ ５＃测点不同方向振动信号频率能 量分布百分比曲线图绘制如图７所示。 图７ １＃ ～５＃测点振动信号频率能量分布百分比曲线图 Ｆｉｇ． ７ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ １＃ ～５＃ 对比分析图７中同一测点不同方向频率能量分 布百分比曲线可得 能量分布百分比在０ ～ １００ Ｈｚ 频带内存在一定差异， 但其他频域内曲线基本重合； 此外， 随着传播距离的增加， 水平切相向能量分布百 分比最先开始在中高频附近出现波动， 但随后垂向 和水平径向均出现与水平切向向基本重合的波动。 为更进一步分析各方向０ ～１００ Ｈｚ频带内能量 分布差异， 将各测点３个方向０ ～ １００ Ｈｚ频带能量 分布百分比折线图绘制如图８所示。 图８ ０ ～１００ Ｈｚ能量分布百分比曲线 Ｆｉｇ． ８ Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｉｎ ０ ～１００ Ｈｚ 对比分析图８可得 当震源距Ｒ≤６． ７ ｍ时，０ ～ １００ Ｈｚ频带水平径向能量分布百分比略高于垂向 和水平切向； 随着传播距离的增加，３个方向０ ～ １００ Ｈｚ频带能量分布百分比均呈现下降趋势， 且３ 个方向能量分布百分比逐渐趋向于一致。 ４ 结论 （１）采用ｓｙｍ５作为小波基对液态ＣＯ２相变破 岩振动信号进行小波包分析，其重构误差远小于 Ｉｎｇｒｉｄ Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ构造的其他小波基， 其值仅为２ １０ －１３， 确保了小波包分析结果的可靠性。 （２） 液态ＣＯ２相变破岩振动信号主振频带与振 动信号方向及传播距离相关性较小， 基本位于０ ～ ４ Ｈｚ子频带， 但随着传播距离的增加， 主振频带对应 能量百分比整体呈现出下降趋势。 （３）随着传播距离的增加， 垂向Ｓ１频带（０ ～ １００ Ｈｚ）能量百分比逐渐降低，Ｓ３频带（２００ ～ ３００ Ｈｚ） 、Ｓ４频带（３００ ～ ４００ Ｈｚ）和Ｓ５频带（４００ ～ ５０８ Ｈｚ）能量分布百分比均逐渐增加，Ｓ２频带 （１００ ～２００ Ｈｚ）能量分布百分比相对稳定； 且随着 传播距离增加， 在２００ Ｈｚ和４５０ Ｈｚ频率附近出现 与主振频带对应能量分布百分比逐渐接近的“子中 心” 频带。 （４） 同一测点不同方向频率能量分布百分比， 在Ｓ２ ～ Ｓ５频带基本一致； 在Ｓ１频带， 当震源距Ｒ≤ ６． ７ ｍ时， 水平径向略高于水平切向和垂向， 但随着 传播距离增加， 三个方向均呈现下降趋势且逐渐趋 于一致。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］ ＳＣＨＯＯＬＥＲ Ｄ Ｒ． Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｆｏｒ ｄｉｓｌｏｄｇｉｎｇ ｃｏａｌ ｉｎ ｍｉｎｅｓ［Ｄ］． ＭｉｓｓｏｕｒｉＳｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌ- ｌｕｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｓｓｏｕｒｉ，１９４４． １６１第３５卷 第２期 陈 冠， 李启月， 刘小雄， 等 液态ＣＯ２相变破岩振动信号能量分布特征 万方数据 ［２］ ＫＲＩＳＴＩＮＡ Ｐ，ＪＯＨＮ Ｍ Ｓ，ＦＡＲＲＵＫＨ Ａ，ｅｔ ａｌ． Ｃａｒｄｏｘ ｓｙｓｔｅｍ ｂｒｉｎｇｓ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｃｏａｌＡＮＯＮ ［Ｊ］． Ｃｏａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９５，２４３（１） ２７-２８． ［３］ 郭志兴．液态二氧化碳爆破筒及现场试爆［Ｊ］．爆破， １９９４，１１（３） ７２-７４． ［３］ ＧＯＵ Ｚｈｉ-ｘｉｎｇ． Ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ｂｌａｓｔｉｎｇ ｄｒｕｍ ａｎｄ ｏｎ-ｓｉｔｅ ｔｅｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ，１９９４，１１（３） ７２-７４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｓ- ｅｓ） ［４］ 徐 颖．高压气体爆破采煤技术的发展及其在我国的 应用［Ｊ］．爆破，１９９８，１５（１） ６７-６９． ［４］ ＸＵ 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ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｉｔｉａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｄ］． ＸｕｚｈｏｕＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｓｅｓ） ［９］ 董庆祥，王兆丰，韩亚北，等．液态ＣＯ２相变致裂的 ＴＮＴ当量研究［Ｊ］．中国安全科学学报，２０１４，２４（１１） ８４-８８． ［９］ ＤＯＮＧ Ｑｉｎｇ-ｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ-ｆｅｎｇ，ＨＡＮ Ｙａ-ｂｅｉ，ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＴＮＴ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ ｐｈａｓｅ-ｔｒａｎｓｉ- ｔｉｏｎ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］． Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１４， ２４（１１） ８４-８８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｓｅｓ） ［１０］ 周西华， 门金龙， 宋东平， 等．煤层液态ＣＯ２爆破增透 促抽瓦斯技术研究［Ｊ］．中国安全科学学报，２０１５， ２５（２） ６０-６５． ［１０］ ＺＨＯＵ Ｘｉ-ｈｕａ，ＭＥＮ Ｊｉｎ-ｌｏｎｇ，ＳＯＮＧ Ｄｏｎｇ-ｐｉｎｇ，ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏ- ｍｏｔｉｎｇ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗｉｔｈ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１５，２５（２） ６０-６５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｓｅｓ） ［１１］ 周西华， 门金龙， 宋东平， 等．液态ＣＯ２爆破煤层增透 最优钻孔参数研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１６， ３５（３） ５２４-５２９． ［１１］ ＺＨＯＵ Ｘｉ-ｈｕａ，ＭＥＮ Ｊｉｎ-ｌｏｎｇ，ＳＯＮＧ Ｄｏｎｇ-ｐｉｎｇ，ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ ＣＯ２ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３５（３） ５２４-５２９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｓｅｓ） 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