基于双谱时延估计的爆心定位研究.pdf

第2 8 卷第1 期 2 0 1 1 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．1 M a r ．2 0 l l D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 1 ．0 0 4 基于双谱时延估计的爆心定位研究 耿贵刚1 ，池恩安k 2 ”，刘凤钱1 1 ．贵州新联爆破工程有限公司，贵阳5 5 0 0 0 2 ； 2 ．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 ；3 ．贵州大学矿业学院，贵阳5 5 0 0 0 3 摘要爆心距是影响爆破振动强度的重要因素，对爆心的准确定位可获取更接近实际情况的爆心距，从 而更加准确的对爆破振动质点速度峰值进行预测。基于现场的实测爆破振动信号，利用M A T L A B 软件编制 程序。进行双谱时廷估计仿真试验，验证了此方法对于爆破振动信号时延估计的可靠性。然后利用该方法确 定不同传感器接收的爆破振动信号延迟时间，采用正三角定位原理推导出爆心定位的计算方法，并利用单孔 爆破进行爆心定位试验，初步验证了该方法的有效性。此方法的研究具有重要的工程价值，为准确的进行爆 破振动的预测和控制提供一个新的方法。 关键词爆破振动；双谱时延估计；仿真试验；爆心定位 中图分类号T I Y 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 1 0 0 1 4 0 4 B i s p e c t r u mT i m eD e l a yE s t i m a t i o nb a s e do nL o c a l i z a t i o n G E N GG u i ．g a n 9 1 ，C H lE n ．a n l ，2 ⋯，H UF e n g ．q i a n l 1 ．G u i z h o uX i n l i a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o r p ，G u i y a n g5 5 0 0 0 2 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n t ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ； 3 ．M i n i n gS c h o o l ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed i s t a n c et ob l a s tc e n t e ri sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fi m p a c t i n go nb l a s t i n gv i b r a t i o n ，t h ee x a c tl o c a t i o n o fb l a s tc e n t e rc o u l do b t a i nt h ea c t u Md i s t a n c et ob l a s tc e n t e r ，w h i c hi sm o r ea c c u r a t eo fp r e d i c t t i n gt h ep e a kp a r t i c l e v e l o c i t yo fb l a s t i n gv i b r a t i o n ．B a s e do nt h em o n i t o r e dv i b r a t i o i ns i g n a l so ns i t e ，a n du s i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f M A T L A Bs o f t w a r e ，t h eb i s p e c t r u mt i m ed e l a ye s t i m a t i o ni ss i m u l a t e dt op m v et h er e l i a b i l i t yo ft h i sm e t h o df o rb i a s - t i n gv i b r a t i o ns i g n a l sd e l a ye s t i m a t i o n ．T h e nt h es i g n a l sd e l a yt i m eo fd i f f e r e n t 鸵n s o l , Ba l ed e t e r m i n e db yt h i sw a y ． T h et h e o r yo fr e g u l a rt r i a n g l ep o s i t i o ni su s e dt od e d u c et h ec a l c u l a t i o no fb l a s tc e n t e rp o s i t i o na n db a s e do ns i n g l e h o l eb l a s tt e s t ，w h i c hc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o da n dp r o v i d ean e ww a yt oa c c u r a t e l yp r e d i c ta n dc o n t r o lt h e b l a s t i n gv i b r a t i o n K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ；b i s p e c t r u mt i m ed e l a ye s t i m a t i o n ；s i m u l a t i o nt e s t ；b l a s tc e n t e rp o s i t i o n i n g 爆破振动是工程爆破的主要危害之一，对于爆 破振动速度峰值的预测可指导生产爆破，降低爆破 振动危害。对此很多学者做了大量的工作，总结出 收稿日期2 0 1 l 一0 2 一1 4 作者简介耿贵刚 1 9 6 4 一 ，男，贵州新联爆破工程有限公司高级工 程师，主要从事爆破技术研究和指导工作， E m a i l c h i 8 8 8 8 s i n a ．e o m o 萨道夫斯基公式、欧美公式、深孔修正公式、兰氏公 式、日本公式、修正的萨道夫斯基公式J 、卢文波和 H u s t r u l i dW 基于应力波理论推导出的质点振动速 度峰值衰减公式悼1 、唐海基于数值模拟方法得到基 于凸形地貌下的爆破振动公式∞J ，以及林从谋、林 丽群等基于神经网络对爆破振动质点速度峰值的预 测等MJ ，都从不同的角度对爆破振动传播规律进行 万方数据 第2 8 卷第1 期耿贵刚，池恩安，刘风钱基于双谱时延估计的爆心定位研究 1 5 了研究，其目的是使质点振动速度峰值的预测更接 近于真实值。上述研究中都包含影响爆破振动强度 的一个重要因素爆心距，且认定爆心距有确定 值。文献[ 5 ] 的研究表明爆心为爆区的几何中心， 但在实际爆破振动监测过程中，在爆区边界不规则、 爆区范围大的情况下爆心准确定位十分复杂。因 此，寻求一种简单易行的方法对爆心进行精确定位， 对于准确的获取爆破振动传播规律、减小质点振动 速度峰值的预测误差就显得极为重要。 1 目标定位原理 在爆破振动监测过程中，由于爆破振动信号在 传播过程中到达不同测量传感器的时间不同 存在 时间差 ，因此可利用传感器的正三角定位来确定 目标方位∞4J ，其定位系统原理图见图l 。 ，1 鸩 新姚力一√j 。。／／eV ， l ／1 “ ／2肘1 图1目标定位原理图 F i g ．1T a r g e tl o c a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 图l 中M 、坞、坞为传感器阵列中处于正三角 顶点的传感器，坐标原点。设置在正三角形的重心， 由此建立直角坐标系。传感器之间的距离均为Z ； S 为点震源；- 、r 2 、r 3 分别为震源到各传感器的距离； r 为震源到原点的距离；驴为震源与髫轴的夹角。各 点的坐标分别为s 菇，，， 、M 。 f ／2 ，一怕z ／6 、 鸩 一耽，一4 3 1 ／6 、鸭 O ，4 手I ／3 。由图1 可知存 在如下关系 石一1 ／2 2 ， 压l ／6 2 r 2 l 髫 I ／2 2 y 4 1 ／6 2 艺 1 戈2 ，，一4 r 3 l ／3 2 r 3 2 龙2 Y 2 r 2 又有 髓鬈 ㈤ 将式 2 带人式 1 并进行泰勒展开，忽略其高 次方项可得 fr 2 一 zc o s 妒一√3 f 2C 0 8 妒s i n ∥ 6 r lr l r 3 √豌s i n 妒／2 一zc o s 驴／2 一f 2c osc p 2 ／ 8 r { 1 2s i nt p 2 ／ 8 r 届2c o s 妒s i n ∥ 1 2 r r 2 一r 3 届s i nc p ／2 zc o s 妒一产c o sI i 0 2 ／ 8 r L z 2s i n 妒2 ／ 8 r 一届2c o s 妒s i nq ／ 1 2 r 3 假设爆破过程中岩石为理想状态均质、连续、各 向同性，则地震波的传播速度口已知并为定值，设震 源到各传感器的时间分别为f ，、t 、￡，，其时间差分别 为血”、△￡2 ”出”则存在如下关系 r r 2 一r l t 2 一t 1 口 A t 2 ．1 ∥ { r 2 一r 3 ￡2 一￡3 移 A t 2 ，3 移 4 L r l r 32 t l t 3 移 A t l ．3 口 通常r z 由式 3 、式 4 并经简化可得 t a n 妒 √3 ／3 血” A t 2 ．3 ／A t 2 ．1 5 由式 5 求解出9 值，即可由式 3 、式 4 计 算出r ，实现目标定位。因此只要确定地震波到达 传感器的时间差即可对爆心进行定位计算。 2 双谱分析时延估计 2 ．1 双谱法时延估计计算 双谱估计以其严密的数学理论及数学计算方法 为基础，文献[ 8 ．1 0 ] 给出了双谱的定义及其详细的 推理过程，这里将不再赘述。双谱法进行时延估计 是处理非平稳、非线性、非高斯信号时间延迟的有效 手段，可很好的抑制信号的高斯噪声[ I 川，其时延估 计的基本模型如下 f 茗 t 5 t n l t ⋯ l y f A s t D r 9 2 f 式中n 。 t 和r t t 均为高斯噪声，信号与噪声统计 独立；s ￡ 为目标信号；D 为2 个不同接收点之间产 生的时延；A 为相对的幅值增益。可以采用互相关 法对时延参数进行估计，但是如果信噪比较小时，估 计质量就很差。为此，采用三阶统计量分析同样问 题，对接收信号作离散化表示，可得三阶自相关和三 阶互相关函数如下2 1 『R 。 m ，n E [ x k x k n x k m ] ，，、 【R 。。 m ，r t E [ 石 k y k n x k m ] 假设D 为整数，不难推得 f R n m ，n R “ 凡，m ’ 8 L R ～ m ，n R ，， r g D ，m 其双谱分别为 万方数据 1 6爆破2 0 1 1 年3 月 』B 一 ∞，∞z B ” t o ，，6 0 2 9 【日，。 t O l ，∞2 B 。 ∞1 ，∞2 e x p j w l D 于是有 A ∞。，甜 揣 e x p j m l D 1 。 参数D 可由下式确定 『口n 2 赢川一。A ％∞ 。 { ， x p 1 一如，n 一如m d c c ，。d c ， 1 1 ‘口 ，1 A 0 6 n D 2 ．2 双谱法时延估计的仿真试验 选取实测的爆破振动信号s i g n a l l ，利用M a t l a b 软件编制程序将实测s i g n a l l 延时2 5m s ，并加入高 斯噪声得到信号s i g n a l 2 ，将信号s i g n a l l 、s i g n a l 2 作 为仿真信号见图2 ，将仿真信号利用双谱法进行时 延估计得到时延估计图见图3 。由图3 可见，仿真 信号的采样点数延迟5 0 ，由于所采用信号的采样频 率为20 0 0H z ，所以对应的采样时间延迟为2 5m s 。 因此可表明双谱法时延估计对高斯噪声信号有很 好的抑制，适合于爆破振动信号这种典型的非平稳、 非线性的随机信号的时延估计。 ，4 ‘ 2 鲁0 詈一2 4 1 0 0 - 5 005 0l O O1 5 02 0 0 t l I l l s a s i g n a l1 p 4 ’，2 昌0 - 2 4 一l0 0 - 5 005 01 0 01 5 02 0 0 t ／m s b s i g n a l 2 图2 仿真信号 F i g ．2 S i m u l a t e ds i g n a l 3 爆心定位试验及结果分析 为了验证本文所提出的定位方法的有效性，选 取在某矿山进行现场单孔爆破振动测试试验，该场 地岩石的普氏系数为8 1 0 ，岩石完整性好，岩性完 全相同，选择该场地有利于减小岩石的裂隙及节理 面对地震波传播速度的影响。根据应力波的传播理 论，在理想状态下岩体中传播的纵波、横渡以及表面 瑞利波的传播速度恒定，均由材料力学参数 弹性 模量、密度、泊松比 来决定3 1 ，试验假定岩石为理 想状态，其应力波的传播速度恒定。由于未进行岩 石力学试验，无法由理论推导出瑞利波 爆破振动 所监测的为瑞利波0 1 4 1 的传播速度，但在爆破振动 监测过程中可利用现场测试条件来确定瑞利波的传 播速度。传感器肘。、肘、鸭所组成的正三角形的边 长为3 ．5m ，传感器峨、地与炮孔布置在一条直线 上，试验测点布置图见图4 。设置传感器的采样频 率为20 0 0H z ，选取所测得的垂直向振动信号为分 析信号。传感器慨、眠由双谱时延估计计算得到 所接收的爆破振动信号的时间差为4 ．5m s ，传感器 之间的距离为1 7m ，由此可计算出瑞利波的波速为 37 7 7m ／s 。 T D E B H o l o g r a md e l a y 5 0 图3 双谱时间延迟估计 F i g ．3B i s p e c t r u mt i m ed e h ye s t i m a t i o n 爆源● 肌 刀． J ．．．．．．．．．．．．．．．．．．j 图4 试验测点布置图 F i g ．4 T e s tp o i n tl a y o u td r a w i n g 因此，采用前文的方法即可实现目标定位，计算 所得的爆心的坐标为 2 4 ．3 4 ，2 1 ．1 3 ，实际爆心坐 标为 2 2 ，2 2 ，其定位结果及其误差见表l 。由于传 感器的采样频率为20 0 0H z ，双谱时延估计的时差 为整数，所估计的时延误差为0 ．5m 8 ，其估计的定 位误差为1 ．8 8m ，本试验所估计的爆心距最大误差 为1 ．2 2m ，在定位估计误差的范围内，因而可验证 此方法的有效性。由于采样频率决定时延误差，在 实际的爆心定位过程中提高传感器的采样频率，降 低时延估计的误差，可使定位的结果更为精确。另 外，定位模型中正三角形的边长也是影响定位精度 的因素之一【l 引，如何寻求获取最高定位精度的正三 角形边长还有待于进一步的探讨。 ＼讧 M 万方数据 第2 8 卷第1 期耿贵刚，池恩安，刘凤钱基于双谱时延估计的爆心定位研究 1 7 表1目标定位计算值及误差 T a b l e1 T a r g e tl o c a t i o nc a l c u l a t e dv a l u ea n de r r o r 时延估计／m s计算值／m真实值／m误差／m A t l ．2 1，I 3 1 ．6 3 3 0 ．6 50 ．9 8 A t 2 ．3 1r 2 3 4 ．2 2 3 3 ．0 71 ．1 5 缸1 ．3 0 ．5r 3 3 0 ．9 4 2 9 ．7 2 1 ．2 2 4 结论及探讨 在爆破振动监测过程中利用传感器的布置方 式，基于双谱法时延估计对爆心定位进行初步研究 主要得到如下结论 1 基于双谱法时延估计的仿 真试验研究表明，此方法对高斯噪声有很好的抑制， 有利于排除干扰信号的影响，适合于爆破振动信号 非平稳、非线性的时延估计。 2 正三角形定位法 利用现场爆破振动监测过程中传感器的布置方式来 实现爆心定位简单易行。 3 利用单孔爆破的爆心 定位试验验证了本文提出的定位方法的有效性，在 实际的爆心定位研究中可以通过提高采样频率获取 较高的目标定位精度。 本文为准确地进行爆破振动的预测和控制提供 一个新的方法，但是正三角形定位原理是基于平面 进行研究并没有考虑高程的影响，另外也没有考虑 传感器采集系统的一致性，因此还有待于进一步的 探讨和研究。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]张丹．爆源因素对爆破地震强度分布特征的影响研 究[ D ] ．成都西南交通大学，2 0 0 7 ． [ 2 ] 卢文波，H U S T R U L I DW ．质点峰值振动速度衰减公式 的改进[ J ] ．工程爆破，2 0 0 2 ，8 3 1 4 ． [ 2 ] L UW e n - 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3 0 ． i nC h i n e s e [ 7 ] S T A F S U D DJZ ，A S G A R IS ，H U D S O NR ，e ta 1 ．L o c a l i z a d o no f s h o r t r a n g e a c o u s t i ca n ds e i s m i cw i d e b a n d s o u r c e s a l g o r i t h m sa n de x p e r i m e n t s [ J ] ．J o u r n a lo fS o u n d a n dV i b r a t i o n ，2 0 0 8 ，3 1 2 7 4 - 9 3 ． i nC h i n e s e [ 8 ]飞思科技产品研发中心．M A T L A B 辅助信号处理技术 与应用[ M ] ．北京电子工业出版社．2 0 0 5 ． [ 9 ]葛哲学，陈仲生．M A T L A B 时频分析技术及其应用 [ M ] ．北京人民邮电出版社．2 0 0 6 ． [ 1 0 ] 冷军发，荆双喜，禹建功．基于小波双谱的矿用齿轮 箱故障诊断[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 0 ，3 5 7 1 2 1 2 - 1 2 1 4 ． [ 1 0 ] L E N GJ u n f a ，J I N GS h u a n g - x i ，Y uJ i a n g o n g ．M i n eg e a r - b o xf a u l td i a g n o s i sb a s e do nw a v e l e ta n db i s p e c t m m [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 0 ，3 5 7 1 2 1 2 1 2 1 4 ． i nC h i n e s e [ 1 1 ]刘希强，周彦文，李红．双谱估计在地震前兆数字 化资料分析中的应用[ J ] 。西北地震学报，2 0 0 7 ， 2 9 3 2 0 1 - 2 0 6 ． [ 1 1 ] L I UX i - q i a n g ，Z H O UY a n - w e n ，uH o n g ，e ta 1 ．A p p l i c a t i o no fb i s p e c t r u me s t i m a t i o ni nd i g i t a le a r t h q u a k ep r e c u r s o r ym o n i t o r i n gD a t a [ J ] ．N o r t h w e s t e r nS e i s m o l o g i c a l J o u r n a l ，2 0 0 7 ，2 9 3 2 0 1 - 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s t a g ea d d i t i o n o fw a v e f o r m so fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l s [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n a C o a lS o c i e t y ，2 0 1 0 ，3 5 8 1 2 7 9 - 1 2 8 2 ． i nC h i n e s e [ 1 5 ] 孙洁娣，温江涛，靳世久．基于H H T 的地面活动目标定 位方法的研究[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 9 ，2 8 5 1 6 9 ．1 7 1 ． [ 1 5 ] S U NJ i e d i ，W E NJ i a a g - t a o ，J I NS h i - j i u ．L o c a l i z a t i o n p r i n c i p l eo fg r o u n ds u f f a c e m o v i n gt a r g e tb a s e do nH H T [ J ] ．J o u r n a lo fV i b r a t i o na n dS h o c k ，2 0 0 9 ，2 8 5 1 6 9 ． 1 7 1 ． i nC h i n e s e 万方数据