精确延时控制爆破试验及振动信号分析.pdf

第3 2 卷第2 期 爆破 V 0 1 ．3 2N 。．2 2 0 1 5 年6 月B L A S T I N GJ u n ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 4 精确延时控制爆破试验及振动信号分析水 何1 , 2 a 钟冬望1 , 2 a ，王文波2 “2 6 1 ．武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．武汉科技大学 a ．冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室；b ．理学院，武汉4 3 0 0 6 5 摘要为进一步完善爆破振动强度预测模型理论、实现爆破振动危害的主动控制，结合隆芯1 号数码电 子雷管，开展室内精确延时控制爆破试验，采用基于小波变换的时一能密度法识别出实际段间延期时间分别 为4 ．8m s 、4 ．8m s 、1 5 ．2m s 、1 5 ．3m s ，与试验设计段间延期时间相对误差小于4 ％。结果表明基于小波变换 的时一能密度法能有效识别微差爆破实际段间延期时间；利用信号的时域移位特性，通过时频转换，从微差爆 破振动信号中成功分离出各分段振波，并按实际段间延期时间依次叠加各分段振波，从峰值振速、主振频率、 能量分布等角度，定量分析得到合成波与原始波形间各细节特征误差均在工程允许范围内。结果表明基于 时．能密度法的微差爆破振动信号分离法具有较高分离精度。 关键词 控制爆破；延期时间；小波变换；时- 能密度法；爆破振动；振波分离 中图分类号T D 8 6 2 ；0 3 8 2 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 2 0 0 2 2 0 7 C o n t r o l l e dB l a s t i n gT e s tw i t hP r e c i s eD e l a yT i m e a n dA n a l y s i so fB l a s t i n gV i b r a t i o nS i g n a l s H EL i l ，h ，Z H O N GD o n g ．w a n 9 1 ，h ，W A N GW e n ．b 0 2 8 2 6 1 ．C o l l e g eo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 81 ，C h i n a ；2 ．a ．H u b e iP r o v i n c eK e yL a b o r a t o r yo f S y s t e m sS c i e n c ei nM e t a l l u r g i c a lP r o c e s s ；b ．C o l l e g eo fS c i e n c e ，W u h a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oi m p r o v et h ep r e d i c t i o nm o d e lt h e o r yo nb l a s t i n gv i b r a t i o ni n t e n s i t ya n dt oa c h i e v ea c t i v e c o n t r o lo fb l a s t i n gv i b r a t i o nh a z a r d sc o m b i n e dw i t hd i g i t a le l e c t r o n i cd e t o n a t o r so fL o n gX i n1 } } ．t h ec o n t r o l l e db l a s t i n gt e s tw i t hp r e c i s ed e l a yt i m ei n t e r v a li sc a r r i e do u t ．T h ea c t u a ld e l a yt i m ei n t e r v a lb e t w e e ns e g m e n t sa r eo b t a i n e d a s4 ．8m s ，4 ．8m s ，1 5 ．2 m s ，1 5 ．3m st h r o u g hT i m e - E n e r g yD e n s i t yM e t h o d T E D M b a s e do nW a v e l e tT r a n s f o r m W T ．T h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e na c t u a lv a l u ea n dd e s i g nv a l u ei sl e s st h a n4 ％，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h eT E D M f r o mW Tc a ne f f e c t i v e l yi d e n t i f ya c t u a ld e l a yt i m ei n t e r v a lb e t w e e ns e g m e n t si nm i l l i s e c o n db l a s t i n g ．U s i n gt i m ed o - m a i ns h i f tc h a r a c t e r i s t i co ft h es i g n a l ，t h r o u g ht i m ea n df r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，e a c hs e g m e n to fv i b r a t i o nw a v ei si s o l a t e ds u c c e s s f u l l yf r o mv i b r a t i o ns i g n a l so fm i l l i s e c o n db l a s t i n g ．E a c hs e g m e n to fv i b r a t i o nw a v ei ss u c c e s s i v e l ys u p e r - i m p o s e dw i t ha c t u a ld e l a yt i m ei n t e r v a l ，t h ed e t a i lf e a t u r e sb e t w e e nt h es y n t h e t i cw a v e f o r ma n do r i g i n a lw a v e f o r ma r e a n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yi nt e r m so ft h ep e a kv e l o c i t y ，d o m i n a n tf r e q u e n c y ，e n e r g yd i s t r i b u t i o n ，e t c ．，t h ee r r o r so fd e t a i l f e a t u r e sa r eo b t a i n e d w i t h i nt h ea l l o w a b l er a n g ei nt h ep r o j e c t ．R e s u l t ss h o wt h a tt h es e p a r a t i o nm e t h o do fv i b r a t i o n s i g n a lo fm i l l i s e c o n db l a s t i n gb a s e do nT E D Mh a sh i g hs e p a r a t i o np r e c i s i o n ． K e yw o r d s c o n t r o l l e db l a s t i n g ；d e l a yt i m ei n t e r v a l ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；t i m e ．e n e r g yd e n s i t ym e t h o d ；b l a s t i n g v i b r a t i o n ；s e p a r a t i o no fv i b r a t i o nw a v e 万方数据 第3 2 卷第2 期何理，钟冬望，王文波精确延时控制爆破试验及振动信号分析 2 3 爆破振动危害至今仍困扰着广大工程爆破从业 人员。多年来，大量学者针对爆破地震危害、爆破振 动危害的主动控制做了大量研究工作，尽管取得了 一些有价值的成果，并归纳总结出一系列降震措施 ‘1 引。但随着爆破施工环境的日渐复杂，公民维权意 识的大幅提高以及爆破振动安全控制标准愈加严 格，都对爆破地震效应研究、爆破振动危害控制提出 了更高的要求。近年来，随着新型爆破器材的产生， 鉴于数码电子雷管起爆网路可以实现对爆破延期时 间的精确控制，保证设计延期间隔时间与实际段间 延期间隔时间高度一致，基于精确延时控制的干扰 降震技术成为国内外爆破振动危害控制研究的主 流o 7 ‘1 1J 。许多工程爆破专家通过将实测单段振波按 不同延期时间叠加预测某特定点峰值振动强度，优 选微差爆破延期时间，从而实现对爆破振动危害的 主动控制} ”J 。具体做法为首先在某特定点测得 单孑L 药量爆破时单段振波，将其作为基波，然后根据 峰值振速与爆心距、药量的关系，通过将基波按一定 比例系数折算为不同药量爆炸时、不同爆心距处的 单段振波，最后采用线性叠加原理，将折算得到的各 单段振波按不同间隔时间进行叠加，从而预测群药 包微差爆破时特定点 被保护处 峰值振动强度。 也有研究人员从前述方法反方向人手，提出基于小 波变化的微差爆破振动信号分离法。1 “1 8J ，即首先根 据实测微差爆破振动信号识别出段间实际延期时 间，然后从微差爆破振动实测信号中分离出各单段 振波，再对其按不同延期时间进行叠加，预测某特定 点 被保护处 峰值振动强度，选取峰值振速最小时 的延期时间作为最优延期间隔时间。显而易见，若 要从微差爆破振动信号中成功分离出单段振波，必 须有效识别出微差爆破振动信号实际段间延期时间 并保证其精度。基于室内混凝土模型精确延时控制 爆破试验，利用隆芯1 号数码电子雷管误差小、精度 高的特性，从试验角度验证基于小波变换的时．能密 度法识别微差爆破段间实际延期时间的正确性与可 行性；在获取段间实际延期时间的基础上，利用信号 的时域移位特性，通过时频转换，从微差爆破振动实 测波形中成功分离出单段振波；根据线性叠加原理， 按实际段问延期时间依次叠加分段振波，从峰值振 收稿日期2 0 1 5 0 3 0 2 作者简介何理 1 9 8 6 一 ，男，湖北十堰人，博士生，从事岩土工程 方面研究， E ．m a i l e m p ．h e l i h o t m a i l ．C O n l 。 通讯作者钟冬望 1 9 6 3 一 ，男，湖北武穴人，教授、博士生导师，从 事工程爆破方面研究， E m a i l z h o n g d w l 2 3 2 6 3 ．n e t 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 7 7 4 0 5 6 、5 1 1 7 4 1 4 7 ；湖北省自 然科学基金项目 2 0 1 2 F F A l 3 5 速、主振频率、能量分布等角度，定量分析得到合成 波与原始波形间各细节特征量误差均在工程允许范 围内，充分验证了基于时一能密度法的微差爆破振动 信号分离法的分离精度与有效性，为进一步通过爆 破振动峰值预测模型优选微差爆破延期时间、实现 爆破振动危害主动控制积累了经验。 1 小波变化的时一能密度法分析原理 1 ．1 小波变换基本概念 设哕 t ∈L 2 J R ，￡2 R 为能量有限信号空问， 其傅里叶变换为哕 彬 。当哕 W 满足条件 c 妒f 掣d 伽 ∞ 1 女 l 训| 时，称哕 t 为基本小波。将基本小波哕 t 伸缩和 平移，得到小波序列 蛾，。 ￡ ⋯一号哕f 型1 2 式中a 、b 分别为伸缩因子和平移因子。 对任意能量有限的函数八t ，关于哕 t 的连续 小波变换定义如下引 町 Ⅱ，6 u ，叱．。 } ⅡI 一陬￡ 科L 尘d f ★ 、 o 3 从连续小波变化的定义可以看出，伸缩因子a 不仅对时频窗口在频率轴上的位置有影响，而且也 影响窗口形状；然而，平移因子仅仅影响时频窗口在 相平面时间轴上的位置。通过从滤波器的角度分 析，可将小波变换看作是一系列带通滤波器的组合， 带通滤波器的中心频率及带宽均由伸缩因子a 决 定，即可通过改变a 的值，来提高小波变换突出信号 局部特征的能力，在对爆破振动信号进行分析时，可 选取适当a 值来识别信号突变点。 1 ．2 时．能密度法分析原理 根据M o y a l 内积定理，有 麦息愀a , b 汁肌』l f t “ 山 4 式 4 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。式 4 可改写为 Jl 八￡ l2 d t J E 6 d b 5 太夤 式 5 中 E b 声J 专l 野 o ，b l 2 d a 6 u 妒★“ 小波变换中，尺度a 在一定意义上对应于频率 w ，故式 6 给出了信号所有频带能量随时问6 的分 万方数据 爆破2 0 1 5 年6 月 布情况，称为时一能密度函数。在对时域信号进行分 析时，通过改变口值得上、下限，可以使积分区间落 在待分析信号的频带范围内，从而得到信号在该频 带内的能量密度随时间的分布。 1 ．3 时一能密度法识别微差爆破实际延期间隔时间 的原理 若将某次微差爆破看做一个系统，则每一段雷 管爆炸都可视为向系统输入能量的过程，故在每一 段雷管爆炸的同时，必然会引起系统内能量密度的 突变，通过对爆破振动信号进行分析得到其时．能密 度曲线，理论上即可通过曲线上的能量密度突变点 识别出不同段雷管起爆引起的振波到达时刻，从而 确定微差爆破段间实际延期间隔时间。 2 微差爆破振动信号振波分离 2 ．1 基本假设 1 微差爆破中各单段药量相同。 2 假设传播介质均匀、各向同性。 以上基本假设，理论上为保证不同炮孔爆炸时， 相同爆心距处爆破振动波形曲线高度一致。 2 ．2 函数关系式 将微差爆破振动信号与各分段振波可用如下函 数关系表达 Y 。 z n 一南1 z n k 2 ⋯ 戈 凡一k 。 z n 7 式中 ，。为微差爆破振动信号时间序列；戈 凡一k 。 为 不同延时的分段振波信号时间序列；m 为分段振波 的条数；z 凡 为高斯白噪声时间序列。 2 ．3 微差爆破振动信号分离原理 设序列石 凡 绝对可和，即有 ∑lz n } ∞ 8 成立。并 凡 的离散时间傅立叶变换为 x e j ” ∑．z n e 圳 9 x ∥ 的逆离散时间傅立叶变化为 1r 盯 石 n fx 一“ e J ”d w 1 0 二1 T J 一竹 根据离散时间傅立叶变化的时域移位特性，可 以得到 F [ 戈 n i ] X 一” e 1 ” 1 1 式中，F [ 戈 凡一i ] 表示对离散序列x n i 作 离散时间傅立叶变换。 式 1 1 表明，时间序列在时域上的移位，在频 域上会产生相应的附加相移，但其频谱特性不发生 改变。也就是说，若不考虑附加相移，同一时间序列 经时域上的移位后其频谱特性完全相同。因此，根 据时间序列的时域移位特性，对微差爆破振动信号 进行离散时间傅里叶变化，转换至频域，然后消除其 相移因子影响后，再通过傅里叶反变换，转换至时 域，即可得到分段振波信号，实现振波分离。 3 精确延时控制爆破试验 3 ．1 试验设计 室内模型试验一般均采用混凝土材料对岩体爆 破损伤特性与动力响应规律进行研究，均已取得有 价值研究成果㈣’2 。笔者采用4 2 5 硅酸盐水泥和 筛选后的细砂制作模型，确定其配比为0 ．5 1 2 水 水泥砂子，重量比 ，尽可能搅拌均匀，保证模型 材料尽可能均匀、各向同性，养护2 8d 。试验时在模 型上平面中线上分别距爆源4 0c m 、5 0c m 处布置两 个测点，模型尺寸与测点布置如图l 所示。 图1 试验模型与测点布置 单位e m F i g ．1 T h et e s tm o d e la n dm o n i t o r i n g p o i n t sa r r a n g e m e n t u n i t c m 试验中通过起爆单发隆芯1 号数码电子雷管模 拟单段炸药爆炸，隆芯1 号数码电子雷管属于在线 可编程型电子雷管，通过铱钵起爆器进行控制，是目 前世界上最先进类型的电子雷管。其延期精度误差 小于1m s 0 ～1 0 0m s 范围内 ，这一特性为进行精 确延时控制爆破试验奠定了基础。 在混凝土模型中预置三个炮孔，深度h 1 5c m ，孑L 径 b 5I T l m ，孔距o 2 0m m ，为尽可能消 除各炮孔与测点间距离的差异，使过炮孔中心的连 线呈圆弧形，如图1 所示。雷管在炮孔底部正向起 爆，起爆前，将细沙填入雷管与炮孑L 间隙处，避免雷 管与孔壁径向不耦合；对炮孔进行堵塞时，尽量保证 每次试验时各炮孑L 堵塞效果一致，堵塞长度f - 8c m ，选用泥土堵塞各炮孔，保证堵塞质量，防止试 验中发生冲炮现象。 共进行两次精确延时控制爆破试验，第一次试 万方数据 第3 2 卷第2 期 何理，钟冬望，王文波精确延时控制爆破试验及振动信号分析 2 5 验分别向炮孔中放入单发数码电子雷管至孔底，通 过脚线串联3 发数码电子雷管，用细沙充填并用泥 土堵塞炮孔，以5m s 为延期时间 出 进行精确延时 控制爆破试验；第二次试验以同样方式串联3 发数 码电子雷管，以1 5m s 为延期时间 △￡ 进行精确延 时控制爆破试验。 3 ．2 信号采集 爆破振动测试仪器选用成都泰测科技有限公司 州卜， O0 ．0 3O ．0 60 ．0 9 0 ．1 2 时间／s a 1 一有堵塞△t 5 m s ，测点1 a At 5m s ，m o n i t o r i n gp o i n t1 研发的M i n i B l a s tI 型爆破振动测试仪，仪器具备 国内最高采集精度 2 4B i t ，动态范围高达1 0 0d B ， 可同步采集三个方向振动信号。试验时，设置仪器 为自动工作模式，仪器自适应爆破现场环境。两次 爆破试验共测得四组爆破振动信号，选取其中2 个 垂直向爆破振动信号进行分析，典型爆破振动信号 波形曲线如图2 所示。 一 №h ～ 00 ．0 30 ．0 60 ．0 9 0 ．1 2 时间／s b A t 1 5 m s ，测点2 b △t 1 5m s ，m o n i t o r i n gp o i n t2 图2 爆破振动信号波形曲线 F i g ．2 T h ew a v ec u r v e so fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 为便于下文描述，将图2 中振动信号依次命名 为A 信号、曰信号。 4 信号处理与分析 4 ．1 时一能法识别微差爆破振动信号延期时间可行 性分析 在对爆破振动信号进行小波变换时，所选小波 基的匹配程度直接影响到最终的分析结果。D a u b e c h i e s 小波系列凭借其良好的紧支撑性、光滑性以 及近似对称性，近年被广泛的应用于爆破振动信号 分析中。D a u b e c h i e s 小波系列按正整数Ⅳ具有不同 系列 d b N ，目前d b 5 和d b 8 小波系列运用最为广 泛，本文选用d b 5 作为小波基函数。其次，进行时一 ＼置0 ．0 2 2 8 ，，15 ．6 7 。礁0 ．0 1 3 2X 0 ．0 l8 ．y 3 ．4 3 5y 2 ．8 7 1 ， 。妇锄 O ．0 20 ．0 40 ．0 6 时间，s a A 信号 a S i g n a l A 能密度分析之前，小波变化尺度n 的确定也非常重 要。尺度可根据爆破振动测试仪的最小工作频率以 及所记录信号的主频带确定。M i n i B l a s tI 型振动 测试仪最小工作频率为5H z ，由于此次爆破振动测 试在爆破近区进行，爆破振动信号受传播介质“天 然滤波器”的影响小，故振动信号中有高频成分，因 此将式 6 中积分的下限取为1 ，上限取为1 0 0 ，涵 盖5 5 0 0H z 范围内信号。 根据以上分析，采用d b 5 小波基，尺度下限取 1 ，上限取为1 0 0 ，依据式 6 ，对图2 中振动信号进 行能量密度计算，得到A 、B 信号的时- 能密度分布曲 线，如图3 所示。 l O 8 舍 色6 o 蛔4 避 2 m 0 ．0 2 6 7 一Y 9 ．8 5 5 j - 0 ．0 l1 5 Y 4 ．8 0 8 置00 4 2 I ／／Y 5 ．7 4 8 ．U玩j 0 ．0 20 ．0 40 ．0 60 ．0 80 ．1 00 ．1 2 时间／s b B 信号 b S i g n a l B 图3 时一能密度分布曲线 F i g ．3 T h et i m e e n e r g yd e n s i t yc u r v e s 6 4 2 O 2 4 6 6 4 2 0 2 4 6 6 2 8 4 O 一_，o_【一＼调温 万方数据 2 6爆破 2 0 1 5 年6 月 由图3 可以看出，4 信号与B 信号的时一能密度 分布曲线随时间变化均出现三个能量密度突变点， 对应A 信号发生能量密度突变时刻分别为 0 ．0 1 3 2S 、0 ．0 1 8S 、0 ．0 2 2 8S ，对应曰信号发生能量 密度突变时刻分别为0 ．0 1 1 5S 、0 ．0 2 6 7S 、0 ．0 4 2S ， 表明A 信号与日信号均包含有3 个具有一定时间 问隔的激励源，与单次试验中使用3 发数码电子雷 管一致。依次将时一能密度分布曲线中3 个突变点 之间的时间间隔定义为第一次间隔时间、第二次间 隔时间。现将试验设计延期时间与由时一能密度法 确定的延期时间列于表1 ，分析时．能法误差。 表1 试验设计延期时间与时- 能法确定的延期时间 T a b l e1T h ed e l a yt i m ei n t e r v a ld e s i g n e db ye x p e r i m e n ta n di d e n t i f i e db yT E D M 注相对误差 I 设计延期一时一能法I ／设计延期X1 0 0 ％ 由表1 可以看出，由时- 能密度法表征的A 信号 各段间延期时间与设计延期时问之间的相对误差均 为4 ％，B 信号各段间延期时问与设计延期时间之 间的相对误差分别为1 ．3 ％、2 ％，分析误差原因主 要包括 1 数码电子雷管本身的延期精度误差； 2 传播介质的不均匀性改变了爆破地震波的传播 路径； 3 测点距各炮孔的距离存在差异。 以上分析表明时一能密度分布曲线中的能量密 度突变点数量与微差爆破振动信号的实际段数具有 很好的一致性，基于时一能密度法将各能量密度突变 点之间的间隔时问作为微差爆破段间实际延期时间 切实可行。这为微差爆破振动信号振波分离提供了 基础，便于爆破工程师更好的运用爆破器材优化设 计延期时间和更深入的研究延时爆破机理。 4 ．2 微差爆破振动信号振波分离有效性检验 根据前述分离原理对B 信号进行振波分离。 试验采用的M i n i B l a s tI 型爆破振动测试仪采样率 为1 0k ，即每秒采1 0 0 0 0 个点，根据图3 中曰信号能 量密度突变时刻，可确定B 信号各分段振波到达测 点的时序位置分别为1 1 5 、2 6 7 、4 2 0 ，依据前述分析， 可将B 信号各分段振波依次表示为茗 n 一1 1 5 、 茗 ／2 2 6 7 、戈 n 一4 2 0 。则经叠加后的B 信号可由 下式表示 Y ／2 z n 一1 1 5 z ／2 2 6 7 戈 n 一4 2 0 z ／2 1 2 根据式 1 1 对式 1 2 两端进行离散时间傅里 叶变换，得到 F E y n ] X 矿’ e - 1 1 5 j u , e 一2 蛳 e 。4 靴 z 扩 1 3 由式 1 3 可得 x ， { F [ Y n ] 一Z 矿 } ／ e 一1 1 跏 e 瑙7 j w e 一4 靴 1 4 式 1 4 中，F [ Y 凡 ] 为微差爆破振动信号的离 散时问傅里叶变换，Z 一” 为高斯白噪声的离散时 间傅里叶变换。将F [ Y n ] 、Z e j ” 的各个频率离 散值分别带入式 1 4 ，可得到分段振波信号的离散 时间傅里叶变化X 一” ，然后对x ∥ 进行傅里叶 逆变换，即可从微差爆破信号中分离出单段振波。 通过将单段振波按不同间隔时间进行叠加，即可预 测某特定点 被保护 处质点振动速度峰值。 根据式 1 3 、式 1 4 ，通过M A T L A B7 ．0 ，编制 相应计算程序，对B 信号进行计算，得到单段振波。 为检验分离精度与有效性，根据线性叠加原理，将单 段振波分别按1 5 ．2m s 、1 5 ．3m s 延期时间进行叠加 合成，将合成信号波形与实测原始信号波形共同示 于图4 中。 U0 ．0 j00 600 9 J ．1 二 H 、j 问／s 图4 合成波形与原始波形 F i g ．4 T h es y n t h e t i cw a v e f O F l T Ia n do r i g i n a lw a v e f o F 0 1 分别对合成信号与实测信号进行频谱分析以及 1 0 层小波包分解，将合成信号与实测信号三次峰值 时刻和峰值速度、总能量、振动主频列于表2 中，对 6 4 2 0 2 4 一．。．o。一、越幽 万方数据 第3 2 卷第2 期何理，钟冬望，王文波精确延时控制爆破试验及振动信号分析 2 7 比分析合成信号与实测信号细节特征量之间的误差，分析探讨分离方法的有效性和精度。 表2 信号特征量对比 T a b l e2T h ec o m p a r i s o no fs i g n a lc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t y 注 a 绝对误差 合成一实测； b 相对误差 I 合成．实测I ／实测1 0 0 ％。 由图4 及表2 可以看出，合成信号波形与实测 信号波形整体上具有高度的相似性，两波形的3 次 峰值速度值极为接近，相对误差分别为1 0 ．1 ％、 7 ．1 4 ％、1 1 ．4 ％，虽然在一些次峰位置 3 个主波峰 以外其他处 ，波形之间振动幅值有较大差异，但爆 破安全规程主要是以质点振动速度峰值作为安全判 据，故不影响整体合成效果；合成信号与实测信号3 个峰值到达时刻绝对误差分别为0 ．6 3m s 、 一0 ．3 5m s 、0 ．4 9m s ，误差均在1m s 以内，表明合成 波形能准确反映实际爆破振动信号中各次峰值速度 抵达时刻；合成信号与实测信号之间总能量相对误 1 0 蓬8 墓s n4 黎z O▲√ ，、 y 叫、，，．、 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 0 4 0 04 5 05 0 0 频率／H z a 合成信号 差为6 ．4 8 ％，振波相位、振动持续时间基本相同，均 表明此分离方法具有较高精度；振动主频相对误差 为1 2 ．5 1 ％，出于对爆破振动主频在爆破安全评价 指标中的地位日趋重要的考虑，此分离方法还有待 进一步研究与发展。 小波包分解能根据信号特征和分析要求自适应 地选择相应频带与信号频谱相匹配，运用M A T L A B 7 ．0 ，选取d b 8 小波基分别对图4 中的合成信号与实 测信号进行深度为1 0 层的小波包分解，得到信号各 频带的能量分布，如图5 所示。 永 二 “ 求 妞 商 ∞ ∞ 频率／H z b 实测信号 T h em e a s u r e ds i g n a l 图5信号各频带能量分布 F i g ．5 T h ee n e r g yd i s t r i b u t i o ni ne a c hf r e q u e n c yb a n do ft h es i g n a l 由图5 可以看出，合成信号与实测信号均包含 四个能量集中频带，各能量集中频带的频率上下限 极为接近，分别大概为5 0 ～1 0 0H z 、1 5 0 ～2 3 0H z 、 2 8 0 ～3 6 0H z 、4 1 0 ～4 3 0H z ；联合表2 中各信号总能 量及图5 中信号各频带能量分布，可分别估算出合 成信号与实测信号各个能量集中频带的能量，比较 发现，合成信号与实测信号各能量集中频带能量值 相差不多；表2 中，信号振动主频分别为6 6 ．6 7H z 、 5 8 ．3 3H z ，高于一般爆破振动信号主频 0 ～3 0H z ， 图5 中信号能量在频域分布范围 0 ～5 0 0H z ，较一 般爆破振动信号频域范围 0 3 0 0H z 广，分析其 原因，主要包括 1 爆破振动主频与炸药量成反 比，试验条件下采用单发雷管起爆模拟单段炸药爆 0 破，导致振动主频偏大； 2 测点距离爆源较近，属 于爆破近区，爆破振动信号受到“天然滤波器” 传 播介质 的作用较小； 3 传播介质为混凝土材料， 相比于天然岩体，密实度好，裂隙数量少，爆破振动 信号高频成分衰减缓慢； 4 微差爆破间隔时间短， 当炮孔以5m s 、1 5I l l s 间隔时间连续起爆，相当于对 整个爆破历程附加以较高基频的爆破作强迫振动 源，从而导致爆破近区振动主频趋于振动源基频，大 幅提高了主振频率。 对合成信号与实测信号从振动波形形状、三次 峰值振速值及抵达时刻、总能量、振动主频、各频带 能量分布等角度进行比较发现，合成信号与实测信 号波形相似度高、各细节特征量间误差小、各能量集 万方数据 2 8 爆破 2 0 1 5 年6 月 中频带频率上下限相近，从反方向验证了微差爆破 信号振波分离方法切实可行，且具有较高精度，具备 较高实际应用价值。这为通过振波叠加法预测爆破 振动强度、优选微差爆破间隔时间提供了一种切实 可行的新方法，为进一步完善爆破振动峰值预测模 型理论、实现爆破振动危害主动控制积累了经验。 5 结论 1 从试验角度，验证了将时一能密度曲线各能 量突变点间的间隔时间作为微差爆破实际延期时间 切实可行；试验条件下，微差爆破段间实际延期时间 与设计延期时间相对误差在4 ％以内。 2 基于时．能密度法的微差爆破振波分离法具 有较高分离精度，通过将单段振波按不同间隔时间 进行叠加，可进一步优选微差爆破延期时间。 3 微差爆破中，段间以较短的延期时间起爆， 相当于对整个爆破历程附加以较高基频的爆破作强 迫振动源，从而导致爆破近区振动主频趋于振动源 基频，大幅提高了爆破地震波主振频率；实际微差爆 破工程中，可适当缩短段间延期时间，以提高爆破振 动主频使其远离建 构 筑物自振频率。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 惠峰，李志龙，徐全军，等．空孔对爆破地震波减震 作用的数值模拟分析[ J ] ．爆破，2 0 1 2 ，2 9 4 5 8 - 6 1 ， 1 1 6 ． H U IF e n g ，L IZ h i l o n g ，X UQ u a n - j u n ，e ta 1 ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no ne f f e c to fe m p t yh o l eo nd a m p i n go fb l a s t i n g v i b r a t i o n [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 2 ，2 9 4 5 8 6 1 ，1 1 6 ． i n C h i n e s e 石洪超，张继春，夏森林，等．层状围岩小净距隧道掏 槽爆破减震技术[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 4 6 0 6 5 ． S I I IH o n g - c h a o ，Z H A N GJ i c h u n ，X I AS e n l i n ，e ta 1 ．V i b r a t i o nr e d u c t i o nt u n n e lc u t t i n gb l a s t i n g t e c h n o l o g yo f s m a l l ．d i s t a n c ei ns t r a t i f o r ms u r r o u n d i n gr o c k [ J ] ．B i a s t i n g ，2 0 1 3 ，3 0 4 6 0 6 5 ． i nC h i n e s e 徐文文，叶海旺，张迎吉，等．金堆城露天矿空气间隔 装药减震控制爆破试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 3 7 0 - 7 4 ． X UW e n w e n ，Y EH a i - w a n g ，Z H A N GY i n g - j i ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo na i r - - d e c k i n gc h a r g i n gc o n t r o l l e db i a s - - t i n gt o r e d u c ev i b r a t i o ni nJ i n d u i c h e n gO p e n p i tM i n e [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0