装药结构对爆破振动能量传递的影响研究.pdf

第37卷第1期 2020年3月 Vo l . 37 No . 1 Ma r. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487 X. 2020.01 ・ 009 装药结构对爆破振动能量传递的影响研究* 苟借借赵明昇2,张光堪，池恩券2，紬兵2,余伟耽 （1.贵州大学矿业学院，贵阳550025 ；2,保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳550002； 3.保利民爆哈密有限公司，哈密839000；4,武汉爆破有限公司，武汉430000） 摘要针对某石方钻爆工程单耗大、临近建（构）筑物振动响应较大问题，现场进行了连续耦合装药、径 向不耦合装药、中部空气间隔装药及水不耦合装药的四组爆破试验。将测得的试验数据进行基于CEEM- DAN的光滑降噪模型去噪，以各频带与原始信号的相关系数及均方误差为指标，筛选出优势分量，通过计算 其能量值来判断4种装药结构下爆破振动的破坏力大小，并且对比分析了 4种工况下岩体爆破块度，结果表 明空气不耦合装药爆破振动速度-时程曲线携带的能量最小、破坏力最小，水不耦合装药次之，但水不耦合 装药爆破能有效降低岩石大块率及粉尘危害。 关键词 装药结构；爆破振动；信号降噪；能量传递 中图分类号X936 文献标识码A 文章编号1001 -487 X（2020）01 -0061 -07 Effect of Charg e Structure on Energ y Transfer of Blasting Vibration GOU Qian-qian ,Z HA0 Ming-sh eng1,2, Z HANG Guang-xio ng3, CHI En-an1,2 , YU Ho ng-bing2 , YU Wei-ch eng4 1. Min in g Co l l ege o f Guizho u Un iversit y, Guiy a n g 550025 , Chin a ； 2. Ba o Li Xin Lia n Bl a st in g En gin eerin g Gro up Co Lt d, Guiy a n g 550002, Chin a ； 3. Po l y exp l o sive Ha mi Co Lt d, Ha mi 839000,Chin a； 4. Hubei Wuha n Bl a st in g Co Lt d, Wuha n 430000, Chin a Abstract To so l ve t he p ro bl ems o f l a rge sin gl e c o n sump t io n a n d l a rge vibra t io n resp o n se o a dja c en t buil din gs st ruc t ures in a ro c k dril l in g bl a st in g p ro jec t ,fo ur set s o f bl a st in g t est s a bo ut t he c o n t in uo us c o up l in g c ha rge,ra dia l un c o up l ed c ha rge, c en t ra l a ir-dec k ed c ha rge a n d wa t er un c o up l ed c ha rge were c a rried o ut o n sit e. The mea sured t est da t a were den o ised ba sed o n t he CEEMDAN smo o t h n o ise reduc t io n mo del . The c o rrel a t io n c o effic ien t a n d mea n sq ua re erro r bet ween ea c h freq uen c y ba n d a n d t he o rigin a l sign a l were t a k en a s in dic a t o rs t o sel ec t t he do min a n t c o mp o n en t s. The en ergy va l ues were c a l c ul a t ed t o judge t he dest ruc t ive fo rc e o f bl a st in g vibra t io n un der t he fo ur t y p es o f c ha rgin g st ruc t ures, a n d t he ro c k fra gmen t a t io n un der fo ur wo rk in g c o n dit io n s wa s c o mp a red a n d a n a l y zed. The re sul t s sho w t ha t t he vibra t io n vel o c it y -t ime hist o ry c urve o f t he a ir-un c o up l ed c ha rge bl a st in g ha s t he sma l l est en ergy a n d t he l ea st dest ruc t ive fo rc e, fo l l o wed by t he wa t er-un c o up l ed c ha rge bl a st in g, but t he wa t er-un c o up l ed c ha rge bl a s t in g c a n effec t ivel y reduc e t he ro c k ma ss a n d dust ha za rd. Key words c ha rge st ruc t ure ； bl a st in g vibra t io n ； sign a l n o ise reduc t io n ； en ergy t ra n sfer 收稿日期2019-10-27 作者简介苟倩倩（1993 -），女，陕西咸阳人，硕士，主要从事爆破工 程研究与安全技术研究，（E-mail） 1093191798 qq. como 通讯作者赵明生（1982 -），男，黑龙江双城人，博士、研究员，主要 从事爆破工程与安全技术研究,（E-mail） 99113294 qq. como 基金项目贵州省高层次创新型人才培养（百层次）-黔科合人才 （2016）4030号;2017年新疆维吾尔自治区天池百人计划 在岩土工程的钻爆过程中，装药结构的改变对 振动能量传递及爆破效果都有一定的影响，其主要 原因是介质的改变会使得波在传播的过程中发生衰 减，使得作用在岩石上的初始脉冲压力有所改变。 建（构）筑物在受地震波的影响主要变现为“塑性累 积损伤”和“最大位移首次超越”两种破坏形式，最 62爆破2020年3月 大瞬时输入能量会引起结构较大的位移增量，如果 超过结构最大允许位移就会破坏；如果未超过最大 允许值就会引起塑性变形及累积破坏⑴。文献［2］ 分别对耦合装药、空气不耦合装药、水不耦合装药进 行了理论分析,得出水不耦合介质的储能作用最强， 空气不耦合介质的储能作用次之，最后是耦合装药。 此外,炸药与孔壁的接触情况,即耦合系数也是重要 影响因素。一般情况下，耦合装药爆破时，其产生的 应力波峰值最大，持续时间最短;而随着不耦合系数 增大，应力波峰值逐渐减小,持续时间有所延长⑶。 学者们应用试验、理论分析、数值模拟对装药结构对 爆炸产生的应力分布及效果影响有了大量的研 究屮］,但对装药结构对爆破振动信号所携带的能量 及其破坏力大小的研究甚少。因此,研究不同装药 结构爆破振动信号能量对提高炸药利用率及建 构筑物抗震能量分析极为迫切。 鉴于此，对不同装药结构进行了现场试验研究， 通过将各工况下振动信号进行CEEMDAN分解的 IMFS重新计算组合得到降噪算法，以降噪均方误差 及曲线曲折度定义的最小函数目标值作为判定准则 进行判定模型降噪程度，并分别对各组降噪后的振 动信号进行时频分析，分析不同装药结构情况下爆 破振动能量分布的规律、破坏力大小及爆破效果。 1信号降噪模型建立及HHT分析 1.1 CEEMDAN 及 及 HHT 简介简介 自适应噪声完备经验模态分解Co mp l et e En sem- bl e Emp iric a l Mo de Dec o mp o sit io n wit h Ada p t ive No ise, CEEMDAN是近几年To rres提出的⑼，它由EMD分 解改进而来,其通过在每个EMD分解时添加有限次 自适应白噪声，计算唯一余项获取固有模态,实现精 确的信号特征提取［冋。CEEMDAN分解不但克服了 EMD分解时的模态混叠问题,而且还解决了 EEMD 分解时完备性较差及多次增加集成次数来降低重构 误差而导致的计算效率低的问题U。 对CEEMDAN分解得到的IMF分量进行Hil bert 变换,即可得到每个IMF分量的瞬时频谱，把所 得到的所以IMF分量的瞬时频谱全部加起来就可 以得到原始信号的Hil bert谱。Hil bert变换通过线 性变换得到的瞬时频率，该方法强调了原始信号的 局部特性，避免了傅立叶变换会产生信号本身没有 的高、低频成分,具有直观的物理含义。 12信号降噪模型的建立信号降噪模型的建立 1设计滤波器 将CEEMDAN分解的IMFS通过组合构成高 通、低通、带通的滤波器网。假设由CEEMDAN分 解出的IMFS有N个不包含余项，则滤波算法具 体的表达式为 Aj sn - IMFl A2 sn _ IMF, _ IMF2 A3 sn _ IMF1 _ IMF2 _ IMF3 An sn - IMF] - IMF2 - IMF3 --IMFn 1 2定义曲线曲折度及降噪均方误差 为判定上述滤波算法的优劣性,现由曲线的曲 折度和降噪均方误差指标来判断算法有效性。 设有两条曲线Pt、Qt 0MW1,如果曲线 P在点Pl 处的二阶倒数等于曲线Q在点00 的二阶倒数,则曲线光滑。 倚⑴ 丨严⑴丨［丨00丨 |1 P⑴严 |1 00严 ⑵ 将点P1、QO处的二阶倒数按照离散公式 展开得 p”⑴〜P1 -2心-2P1 -h P13 q”0〜01 2h -20 心 Q0⑷ h2 由于曲线光滑，则点P1、QO 阶导数相 等，即可得到在“宓点处的光滑指标 SN* f x0 2h -f x0 -2h - 2［/o h -f x0 -h ］ 5 式中也为步长，取值1;当％。趋于零时,。附近 的点对应曲线越光滑，即曲折度越小,信号降噪曲线 越光滑，越偏离原始含噪信号。 _ 设原始信号为s,,降噪后的信号为囂则降噪偏 差均方差可定义为 由式6可知，降噪均方误差越小,降噪信号曲 线越接近原始信号曲线,即降噪均方误差越小,降噪 信号曲线与原始信号相似度越高。 3基于CEEMDAN最优降噪光滑模型判定准则 通过上述定义可知，滤波算法的曲折度指标 SMSEf的值越小,降噪后的信号曲线越光滑;降噪均 方误差MSFf的值越小，降噪信号与原始信号相似 度越高，因此，建立约束条件 第37卷第1期苟倩倩，赵明生,张光雄,等装药结构对爆破振动能量传递的影响研究63 约束条件严跑叫 7 则爆破振动信号滤波算法目标函数可以写成 min {/} min{ aSMSEf 1 - aMSEf\ 8 式中,a为曲线降噪均方误差的权重因子,1 -a 为曲线曲折度的权重因子。 22现场试验 结合贵阳市龙洞堡机场场平爆破工程,对耦合 装药、径向不耦合、轴向空气间隔以及水不耦合装药 进行了4组爆破实验。施工区主要为中风化白云 岩，以闭合隐节理为主，岩体普氏系数为6 8。4组 实验单孔装药结构如图1所示，其中，孔深10 m,炮 孔直径115 c m,单孔药量64 k g,选用2号岩石乳化 炸药,径向不耦合装药中药卷直径75 c m,不耦合系 数％ 1.53；轴向中部空气间隔装药中，空气层比例 为装药长度的15[14]，装药时采用直径110 c m的 PVC管间隔装药;水不耦合装药中注水长度也为装 药长度的15。测点分别布置在距离炮孔30 m 处。现场试验装药参数如表1所示,空气间隔与水 孔装药实验如图2所示。 耦合装药 径向空气 不耦合装药 乳化炸药填塞 水不耦合 装药 空气间隔 装药 □ 空气水 Fig. 1 Fo ur c ha rge st ruc t ure dia gra ms 图1四种装药结构图 图2中部空气间隔、水不耦合装药 Fig. 2 Cen t ra l a ir sep a ra t io n, wa t er un c o up l ed c ha rge 表1试验参数表 Table 1 Test parameter table 装药结构孔数/个孔深/m孔径/c m药卷直径/c m装药长度/m单孔药量/k g 连续耦合610115754.964 径向不耦合610115755.364 空气间隔610115755.864 水不耦合610115755.864 凶国 3基于CEEMDAN的最优降噪光滑 模型的信号时频分析 3.1振动信号降噪处理振动信号降噪处理 现分别选取4组实验20 m处的垂直速度-时程 曲线进行分析「切，如表2所示。连续耦合装药、径 向不耦合装药、空气间隔装药及水不耦合装药的爆 破振动信号分别记为S I、S 2、S 3、S 4。为精确提取原 始信号中有用的特征信息，现将信号S I、S 2、S 3、S4 垂直速度-时程数据分别进行基于CEEMDAN的光 滑降噪算法去噪。4个信号经分解后分别产生了 12 个固有模态分量及余项，经式1分别产生了 12个 算法,a分别取0. 1 0.3时，算法A5的目标函数都 最小，其次是算法皿；当a分别取0. 4 0. 9时,算 法44的目标函数最小,在此取a为0.4作为降噪均 方误差的权重因子选取目标函数确定最优算法。限 于文章篇幅，现列取信号S1垂直速度的最优算法对 比及原始图和降噪信号的对比图，如图3、图4所 示。信号S 2、S 3、S 4也做同样降噪处理。由图3可 知在12个算法中，算法4的目标函数最小,故采用 算法4对信号S1进行降噪。 图3信号S 4分解后降噪算法误差 Fig. 3 No ise reduc t io n a l go rit hm erro r a ft er sign a l S 4 dec o mp o sit io n 64爆破2020年3月 表2测点20 m处速度原始数据 Table 2 Speed raw data at 20 m 信号 水平径向速度/ c m s 1 主频/Hz 水平切向速度/ c m s 1 主频/Hz 垂直速度/ c m ■ s 1 主频/Hz S I2. 0814.7 11.4614. 091.9923.81 S21.5015. 871. 1220. 831.9219. 23 S 31.2115. 871.0319. 231.2523.81 S 40.6114.930.5518.521.2122.22 0.010 -OO1Oo 0 0.005 0.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 时间/s 垂直速度原始数据 -0.005 垂直速度的最优降噪光华数据 图4信号S 4原始及降噪图 Fig. 4 S ign a l S 4 o rigin a l a n d n o ise reduc t io n ma p 3.2不同装药结构下信号优势分量筛选不同装药结构下信号优势分量筛选 为分析4种不同装药结构爆破振动信号所携带 的能量，现将其去噪信号进行CEEMDAN分解后分 别得到13个IMFS ,为进一步了解每个IMFS与原始 信号的相关性和密切程度，分别计算相关系数及与 原始信号的均方误差去掉余项，如图5、图6所 示。可以看出4种装药结构下爆破振动信号经 CEEMDAN分解的固有模态分量/MF6的相关性最 大,/MF5JMF7次之;4种装药结构下经CEEMDAN 分解的固有模态分量的均方误差都在10“数量级 以下，其中信号S 2、S 3、S 4分解的固有模态分量都达 到了 10 “数量级，说明经CEEMDAN分解固有模态 分量与原始信号的误差极小。四种装药结构下经 CEEMDAN分解的固有模态分量IMF5 IMF1的相 关性较大，均方误差较小。因此，在通过Hil bert变 换后，主要选择ZMF5 优势分量的所占能量 比进行比较分析，其能准确的体现原始信号的特征 信息。 3.3不同装药结构下信号时频分析不同装药结构下信号时频分析 表3为各信号优势分量能量及总能量分布情 况,可以看出信号S 1、S 2、S 3、S 4的总能量分别为 0. 0502,0. 0282,0. 0068、0. 0122；；其所分解的 IMF5 IMF6所占总能量的百分比分别为93. 7、 86.9 .87 .1、95. 2 ,即在装药量等实验参数相 同的情况下，连续耦合装药的振动信号所携带的能 量最大，径向不耦合装药和空气间隔装药次之，水不 耦合装药最小。 0 9 8 0 9 8 1 0 0 1 0 0 7 -6 -5 -4 -3 -2J - IMFS分量 图5信号S 1、S 2、S 3、S 4各分量与原信号相关性 Fig. 5 Co rrel a t io n bet ween t he c o mp o n en t s o f t he sign a l s S I ,S 2,S 3 ,a n d S 4 a n d t he o rigin a l sign a l 图6信号S 1、S 2、S 3、S 4各分量与原信号均方误差 Fig. 6 The mea n sq ua re erro r o f t he c o mp o n en t s S I ,S 2,S 3,S 4 a n d t he o rigin a l sign a l 图7给出了信号S 1、S 2、S 3、S 4的三维能量谱, 它可以直观的反应出幅值能量和频率随时间变化的 规律。4种装药结构下爆破振动信号的能量主要集 中在10-50 Hz,高于50 Hz的频率携带的能量较 少,并且持续时间不超过0.5 s；站在总能量角度,结 第37卷第1期苟倩倩，赵明生,张光雄,等装药结构对爆破振动能量传递的影响研究65 合幅值坐标及染色棒刻度数值，四种装药结构下爆 破振动信号所携带的能量从大到小依次为S 1、S 2、 S 4、S 3。另外,在时间0. 5 s和频率80 Hz以后信号 S I S 4所携带的能量几乎为零，这进一步说明了基 于CEEMDAN分解的光滑降噪算能有效去掉高频噪 声，精确提取了爆破振动信号所携带的有用信息。 表3信号S1、S2、S3、S4优势分量能量比 Table 3 Sig nal SI ,S2 ,S3 ,S4 dominant component energ y ratio a 014 能量百分比/ S 1S 2S3S 4S 1S 2S 3S 4 IMF50. 00310. 00260. 00080. 00346.39.227 .812.2 IMF60. 03850. 01840. 00440. 00767 6.765.362. 164.7 IMF0.00540.00350.00070.000610.712.45.310.2 总能量、百分比0.05020.02820.00680.0122100.0100.0100.0100.0 0.020 0 200 0.015 4 血 i 0.0104 0J05 4 2,0 値信号甌三维时频图 a Signal SI three-dimensional timefrequeijcy diagram 0 0.020 0.018 0.016 0.014 0AH2 0.015 ■ 0.010 0.008 〜0.005 ■■ 0.006 0. 200 0.004 0.002 0.008 0.004 0.002 0 b信号2三维时频图 b Signal S2- three-dimensional tieiie-freqiiency diagram .012 .010 0.006 2. B 0.010 0.008 Y信号S3三维时频图 c Signal S3 three-dimensional time-frequency dizigram 小信号4三维时频图 d Signal S4 three-dimensional time-frequency diagram xlf 图7信号S I、S 2、S 3、S 4三维时频图 Fig. 7 Three-dimen sio n a l t ime-freq uen c y dia gra m o f sign a l s S I, S 2, S 3 , a n d S 4 图8以4种信号各个频带总能量为指标进一步 反映了信号各频带破坏力大小，可以看出信号S 1 分解的固有模态分量ZMF5 -IMF所占能量明显大 于信号S 2、S 3和S 4,在每个信号的ZMFS所占能量 趋势上也呈现出信号S1最大，信号S 2和S 4次之, S 3最小。 4不同装药结构爆破效果对比 图9为4种装药结构下爆破后的岩石块度对比 图，可以看出4种装药结构在相同实验条件下爆破 效果差别较大。连续耦合装药时，大块度岩石所占 比例较大,需要二次破碎;径向不耦合装药岩石大块 率有所下降，但也不利于铲装;轴向空气间隔装药和 水不耦合装药爆破后大块率明显下降，水不耦合装 药岩石块度更为均匀，并且有效减少了爆破粉尘。 通过上述分析可知,该地质条件及实验参数相 同的情况下不同装药结构爆破振动信号透射到岩石 的能量也不同，即在装药量、孔深、孔径等参数一样 66爆破2020年3月 的情况下，连续耦合装药的振动信号所携带的能量 最大，破坏力最大，径向不耦合装药和水不耦合装药 次之,空气间隔装药破坏力最小。此因炸药爆炸产 生的炮轰产物进一步膨胀使得岩石的极限破碎强度 随着爆轰压力的加载速度的增加而增加,连续耦合 装药时，由于炸药与孔壁直接接触,使得初始脉冲压 力作用于岩石，在岩石破碎区的耗能就有所增大，导 致粉碎区以外产生大块岩石;而空气不耦合装药与 水不耦合装药中的空气介质和水介质都使得应力波 的作用时间增大，进而增大了应力波传递给岩石的 比能量，炮轰产物在形成岩石中的准静态应力场后 贯通各个炮孔，增加了破碎区的范围。但是由于水 的密度远大于空气密度，比空气的压缩性小,降低了 消耗在介质压缩变形上的能量，进一步提高了炸药 能量利用率,并且一定程度的降低了爆破粉尘。 图8信号S I、52、53、S 4各分量破坏力大小 Fig. 8 The ma gn it ude o t he dest ruc t ive fo rc e o f t he c o mp o n en t s S I ,S 2,S 3 ,a n d S 4 b径向不耦合装药a连续耦合装药c轴向中部空气间隔装药S水不耦合装药 c Axial central air space charge 图9四种装药结构爆破效果 Fig. 9 Fo ur c ha rge st ruc t ure bl a st in g effec t s 5结论 四种工况爆破振动信号进行基于CEEMDAN的 光滑降噪处理后进行时频分析表明连续耦合装药 产生的振动信号携带的能量最大、破坏力最大，径向 不耦合和水不耦合其次，空气间隔装药携带的能量 最小、破坏力最小;轴向中部空气间隔装药和水不耦 合装药能有效减少岩石大块率，增加炸药能量利用 率,提高经济效益，并且以水为不耦合介质时能有效 减小扬尘量。 因此,针对该土石方爆破单耗大及周围建构 筑物振动响应较大的问题，结合实际生产建议采用 轴向中部空气间隔装药，在多雨季亦可采取水不耦 合装药，在相同的炸药量下,即可提高炸药能量利用 率来减小炸药单耗，又能有效减小其对临近建构 筑物的累积损害。 参考文献参考文献References [1]魏晓刚，麻凤海，刘书贤.爆破开采对采空区地面建筑 抗震性能的影响分析[J].中国安全科学学报,2015, 259 102-10 [1 ] WEI Xia o -ga n g, MA Fen g-ha i, LIU S hu-xia n . 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