某铜矿切割槽爆破震动信号的HHT分析.pdf

第 31 卷 第 3 期 2014 年 9 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 3  Sep. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 03. 012 某铜矿切割槽爆破震动信号的 HHT 分析 饶运章 1， 王 柳1， 黄苏锦2， 冯志华2， 喻圆圆1， 熊 瑞2 （1. 江西理工大学， 赣州 341000； 2. 江西铜业集团公司 东同矿业有限责任公司， 东乡 331812） 摘 要 针对 Fourier 变换的时频局限性和小波分析的基函数选择困难问题， 采用 HHT 对某铜矿切割槽爆 破震动信号进行分析。首先对原始信号进行 EMD-小波强制法去噪处理， 再对干净信号进行 EMD 分解和 Hilbert 变换， 结果显示 信号能量分布在 0. 1 耀2. 8 s， 表明爆破震动维持在这段时间， 其中 0. 4 耀1. 4 s 能量最 大， 是爆破药量最大的时段； IMF1 耀 IMF4 分量携带了 94. 8702豫的信号能量， 是造成爆破震动危害的优势分 量； IMF5、 IMF6 分量携带的能量虽然只有 1. 7375豫， 但其频率与建 （构） 筑物频率接近， 易产生共振， 造成建 （构） 筑物爆破震动破坏。基于上述分析结果， 采用 HHT 法对切割槽爆破延时进行研究， 准确识别了12 个段 别雷管及其延时时间， 证明 HHT 法可用于微差爆破延时识别。 关键词 HHT；爆破震动信号；去噪；能量；微差爆破 中图分类号 TD235. 4 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 03 -0063 -05 Blasting Vibration Analysis of Cutting Slot in Copper Mine based on HHT RAO Yun-zhang1， WANG Liu1， HUANG SU-jin2， FENG Zhi-hua2， YU Yuan-yuan1， XIONG Rui2 （1. Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China； 2. Dongtong Mining Co Ltd， Jiangxi Copper Corporation， Dongxiang 331812， China） Abstract Aimed at the problem of time-frequency limitation in Fourier trans and selecting mother wavelet in wavelet trans， the blasting vibration signal of cutting slot in copper mine was analyzed with HHT. Firstly， the EMD-wavelet force was used to depress the original signal noise， then the EMD decomposition and Hilbert transation were done to process the clear signal. The results show the signal energy distributed between 0. 1 s and 2. 8 s， meaning blasting vibration in this period， among which signal energy between 0. 4 s and 1. 4 s， the energy was the largest， meanwhile the explosive amount was the largest. 94. 8702豫 signal energy distributed in IMF1 耀 IMF4 components was the leading damage from blasting vibration. Although only 1. 7375豫 signal energy in IMF5 and IMF6， the frequency was similar to structure， which damaged the structure by resonance easily. Based on the results of signal analysis， the delay time of cutting slot blasting was discussed with HHT . The HHT success- fully identified 12 delays detonators and the delay in blasting engineering. Key words HHT；blasting vibration signals；depressing noise；energy；millisecond blasting 收稿日期 2014 -05 -02 作者简介 饶运章 （1963 - ） ， 男， 江西会昌人， 江西理工大学资源与 环境工程学院教授、 博士生导师， 主要从事采矿工程、 爆破 工程和 环 境 岩 土 方 面 的 教 学 科 研 工 作， （ E-mail） raoyunzhang sohu. com。 通讯作者 王 柳 （1990 - ） ， 男， 江西赣州人， 江西理工大学资源与 环境工程学院硕士研究生， 主要从事采矿工程、 爆破工程 学习和工作，（E-mail） 798380943 qq. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （51364010） 爆破震动是爆破三大危害之一 ［1］， 受炸药种 类、 起爆方式、 爆心距、 传播介质等多种因素影 响 ［2， 3］， 具有随机性、 突变性、 对受震物体破坏及累 计损伤难以察觉和预测等特征。 爆破震动信号是爆破信息的载体， 准确的信号 分析结果， 能为矿山爆破设计和防震减震提供可靠 的依据。爆破震动信号分析方法众多， 先后出现了 Fourier 变换、 小波变换及小波包分析等技术。娄建 武等借用 Fourier 变换和小波分析技术， 作爆破震动 信号识别， 成功分辨了不同类型爆破及干扰信 号 ［4］。中国生等运用小波分析的时频辨别能力， 得 出爆破震动信号能量的传播变化规律以及在各个频 带上的分布特点， 并提出了爆破地震安全能量分析 法 ［5］。范志强等利用小波包技术分析了不同爆破 条件下的爆破震动信号在不同频带上的分布特 征 ［6］。但 Fourier 变换不能兼顾爆破震动信号的时 域和频域， 处理爆破震动信号， 易出现虚假信号和虚 假频率； 小波技术的出现结合了爆破震动信号的时 域和频域， 却存在如何正确选择最佳小波基及频谱 扩散等问题 ［7， 8］。为此， 采用 HHT 对某铜矿切割槽 爆破震动信号进行分析。 1 HHT 简介 HHT 是 N E Huang 等人提出的信号处理方 法 ［9］， 由 Hilbert 经验模态分解 （empirical mode de- composition 简 称 EMD）和 Hilbert 变 换（ Hilbert- Huang Trans， 简称 HHT） 组成 ［10］。李夕兵等运 用 HHT 对爆破震动信号进行分析认为 ［7， 10］ 与小波 分析和 Fourier 变换等方法相比， EMD 不存在先验 基底问题， 处理爆破震动等非平稳信号， 能够根据信 号的变化自适应地分解成若干个从高频到低频、 彼 此之间没有模态混叠的本征模态函数 （ intrinsic mode function 简称 IMF） 。因此， IMF 分量不受主观 选择的影响， 保持了信号的固有模态， 是独立的、 唯 一的。对 IMF 分量进行 Hilbert 变换， 即可获取瞬时 频率， 综合所有 IMF 的瞬时频率便形成 Hilbert 谱， 表达了在时间和频率平面上瞬时振幅的分布规律； 振幅的平方对时间积分就是 Hilbert 能量谱， 是每个 频率对应的能量在整个时间长度内的累积 ［11］。 2 现场测定 2. 1 切割槽爆破 某铜矿采用分段凿岩阶段矿房嗣后胶结充填采 矿法， 矿房垂直走向布置 （图 1） ， 长度 16 m， 宽度 （走向长） 12. 5 m， 阶段高 35 耀 45 m， 分段高 10 耀 15 m。切割槽布置在矿房一端， 三个分段一次点火 起爆， 尺寸为 2. 7 m 12. 5 m （30 耀 40） m。炮孔 为 3 耀 5 个上向扇形中深孔， 孔径 65 mm， 孔深 4 耀 14 m不等， 爆破使用 1 耀20 段毫秒延期导爆管雷管。 2. 2 测点布置 测试仪器为 Blastmate Ⅲ型爆破测振仪， 信号采 样率 Fs 设置为2048， 采样持续时间4 s， 传感器触发 值 0. 051 mm/ s。 图 1 切割槽示意图 （单位 m） Fig. 1 The cutting slot schematic diagram （unit m） 测点布置图 2 所示， 井下布置 1、 2、 3 号测点； 地 表医院、 车队布置 4、 5 号测点， 高速公路布置 6、 7 号 测点， 高速铁路布置 8、 9 号测点。 图 2 测点布置图 Fig. 2 Measuring points layout 2. 3 爆破震动信号 图 3 是 4 号测点的信息， 原始信号被噪声严重 污染， 信噪频率混叠， 波形出现只有正值或负值的非 正常现象， 属典型的非平稳信号。 图 3 原始信号波形及频谱 Fig. 3 The signal wave and frequency spectrum 46爆 破 2014 年 9 月 3 信号的 HHT 分析 3. 1 EMD-小波强制法去噪 对原始信号进行 EMD 分解得到12 个 IMF 分量 （图 4， 限于篇幅仅列 IMF1 耀 IMF3） ， IMF1、 IMF2 和 IMF3 是携带高频噪声的分量， 若将其舍弃 （EMD 低 通滤波） ， 被噪声淹没的有用特征信息也会丢失， 导 致信号失真。为提取有用特征信息， 采用小波强制 法对 IMF1 耀 IMF3 进行去噪处理。 图 4 IMF1 耀 IMF3 分量 Fig. 4 IMF1 耀 IMF3 components 小波强制法去噪步骤 选取合适的小波基 sym7 对 IMF 进行 5 层分解； 提取逼近有用特征信息的低 频系数 aj（j 1， 2， ， 5 表示分解层数） 和代表噪声 的高频系数 dj； 将高频系数 dj强制置零后重构 IMF， 即可得到有用特征信息 （用 S 表示） 。 S1、 S2、 S3 分别对应 IMF1、 IMF2、 IMF3 的有用 特征信息 （图 5） 。将 S1、 S2、 S3 与 IMF4 耀 IMF12 分 量重构， 便得到干净信号 （图 6） ， 为后续研究和分析 提供基础。 3. 2 信号波形、 频谱、 能量分析 对去噪后得到的干净信号重新进行 EMD 分解 获得 IMF 分量 （图 7） 和频谱 （图 8） ， 并通过 Hilbert 变换获得能量信息 （图 9 和表 1） 。 （1） 去噪后的 IMF 分量由 12 个变为 9 个， 信号 频谱集中在小于 200 Hz 的低频部分， Hilbert 能量谱 的高频区域几乎没有能量分布， 证明噪声已经被有 效去除。 （2） 图 7、 图 8 可见 9 个 IMF 分量按频率高低 排列， IMF1 频率 0 耀 200 Hz， 是相对高频部分， 最先 被筛选出来； IMF2、 IMF3、 IMF4 频率 10 耀 54 Hz， 频 率幅值较大， 是信号主频带所在部分； IMF5 和 IMF6 频率 0 耀 14 Hz， 与建 （构） 筑物的固有频率 （1 耀 10 Hz） 接近， 易造成建筑物的共振破坏； IMF7 和 IMF8 频率较小， 是相对低频部分； IMF9 是信号分解 后的余量， 代表信号的微弱变化趋势。 图 5 有用特征信息 S1、 S2、 S3 Fig. 5 The useful feature ination of S1、 S2、 S3 图 6 去噪后的干净信号 Fig. 6 The clear signal after denoising 表 1 IMF 分量信息 Table 1 The ination of IMF components 分量振幅/ （cms -1） 能量/10-3J 所占能量/ 豫 IMF10. 0681800. 5276895126. 2000 IMF20. 0593601. 0355410051. 4150 IMF30. 0234700. 2333860011. 5877 IMF40. 0145300. 114151005. 6676 IMF50. 0057560. 018395000. 9133 IMF60. 0043740. 016600000. 8242 IMF70. 0013680. 003054000. 1516 IMF80. 0016350. 004448000. 2208 IMF90. 0041440. 060822003. 0198 56第 31 卷 第 3 期 饶运章， 王 柳， 黄苏锦， 等 某铜矿切割槽爆破震动信号的 HHT 分析 图 7 干净信号的 IMF 分量 Fig. 7 IMF components of the clear signal （3） 图9 可见 能量从 0. 1 s 出现， 到2. 8 s 接近 消失， 表明爆破震动维持在这段时间； 其中 0. 4 耀 1. 4 s时段的能量最大， 说明该时段爆破药量最大。 （4） 表 1 可见 信号总能量 2. 014085 10 -3J， 其中 IMF1 耀 IMF4 携带了1. 910767 10 -3J 的能量， 占信号总能量的 94. 8702豫， 是造成爆破震动危害 的优势分量； 而 IMF5 和 IMF6 携带的能量虽然较少 （占总能量的 1. 7375豫） ， 但易与建 （构） 筑物产生 共振， 造成爆破震动危害。 4 HHT 法微差爆破延时识别 微差爆破中， 雷管引爆炸药后将导致信号的质 点震动速度突增 ［12-13］。基于信号的 HHT 分析结果， 对 EMD 分解得到的 IMF1 耀 IMF4 分量重构， 形成优 势波形， 再通过 Hilbert 变换获其幅值包络线和瞬时 频率 （图 10） ， 寻找突峰点并计算对应的起爆时刻， 就能得出各段雷管的实际延期时间。 图 8 IMF 分量频谱 Fig. 8 Frequency spectrum of IMF components 图 9 Hilbert 能量谱 Fig. 9 Hilbert energy spectrum of the signal 图 10 可见 幅值包络线有 12 个突峰点， 表明此 次切割槽爆破用了 12 段雷管， 对应时间分别为 0. 1328 s、 0. 1646、 0. 2803 s、 0. 3936 s、 0. 5010 s、 0. 7222 s、 0. 8433 s、 1. 0049 s、 1. 1700 s、 1. 2773 s、 1. 5317 s、 1. 7983 s。若以第一个突峰点视为首段雷 管的起爆时刻， 则其余各段雷管的起爆间隔时间分 别为 31. 8 ms、 115. 7 ms、 113. 3 ms、 107. 4 ms、 221. 2 ms、 121. 1 ms、 161. 6 ms、 165. 1 ms、 107. 3 ms、 254. 4 ms、 266. 6 ms。工程实际中， 分别用 2、 4、 6、 8 段雷管起爆形成第一分段切割槽， 10、 12、 13、 14 段 雷管起爆形成第二分段切割槽， 15、 16、 17、 18 段雷 66爆 破 2014 年 9 月 管起爆形成第三分段切割槽。对比微差雷管的理论 延时和实测间隔时间 （表 2） ， 除 6 段雷管晚爆 0. 7 ms 外， 其余段别雷管的实测延时都在理论值 内， 说明 HHT 法识别微差爆破延时可行。 表 2 雷管的理论时隔与实测时隔 Table 2 The theoretical and practical interval time of the detonators 段别 延时时 间/ ms 误差范 围/ ms 段别 理论时 隔/ ms 实际时 隔/ ms 22510 475 15 20 2 耀415 耀7531. 8 6150204 耀640 耀115115. 7 8250256 耀855 耀145113. 3 10380308 耀1070 耀190107. 4 125504510 耀1290 耀255221. 2 136555012 耀1320 耀200121. 1 147605513 耀140 耀200161. 6 158806014 耀155 耀235165. 1 1610207015 耀1610 耀270107. 3 1712009016 耀1720 耀340254. 4 18140010017 耀1810 耀390266. 6 图 10 优势波形包络线及其频率 Fig. 10 The envelope and frequency of the advantage wave 5 结论 （1） 对信号进行 EMD-小波强制法去噪处理， 获 得了淹没在噪声中的有用特征信息 IMF1、 IMF2、 IMF3， 为爆破震动分析提供了干净、 准确的信号。 该方法是信噪频率混叠、 噪声污染严重信号去噪的 有效手段。 （2） 借助 HHT 技术的 EMD 分解和 Hilbert 变 换， 得到信号能量维持在 0. 1 耀2. 8 s， 表明爆破震动 集中在这段时间， 其中 0. 4 耀 1. 4 s 能量最大， 说明 该时段爆破药量最大； IMF1 耀 IMF4 分量携带了 94. 8702豫的信号能量， 是造成爆破震动危害的优势 分量；IMF5、IMF6 分 量 携 带 的 能 量 虽 然 只 有 1. 7375豫， 但其频率与建 （构） 筑物频率接近， 易产 生共振， 造成建 （构） 筑物爆破震动破坏。 （3） 对 EMD 分解得到的 IMF1 耀 IMF4 分量重 构， 形成优势波形， 并通过 Hilbert 变换获取其幅值 包络线。依据包络线出现的 12 个突峰点计算的实 测延时与理论值相一致， 证明 HHT 法识别微差爆破 延时可行。 参考文献 （References） ［1］ 夏红兵， 汪海波， 宗 琦. 爆破震动效应控制技术综合 分析 ［J］ . 工程爆破， 2007， 13 （2） 83-86. ［1］ XIA Hong-bing， WANG Hai-bo， ZONG Qi. 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