岩石动态特性对爆破振动能量分布的影响.pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１５. ０６. ００４ 岩石动态特性对爆破振动能量分布的影响 * 于妍宁 徐振洋 郭连军 张大宁 辽宁科技大学矿业工程学院辽宁鞍山,１１４０００ [摘 要] 为了从爆破振动能量分布角度研究破碎能量利用问题,结合露天铁矿岩石动态特性,使用 ＥＥＭＤ 方法 分析爆区磁铁矿、绿泥岩与混合岩的动态特性对振动能量分布的影响规律。 结果表明动抗拉强度与弹性模量最 低的混合岩,爆破振动能量的分布最为均匀,振动能量在 ５０ Ｈｚ 以下的频带出现了分散的多个峰值,９０％ 以上的振 动能量集中在 ２０ ８０ Ｈｚ；随着岩石动抗拉强度与弹性模量的减小,爆破振动能量在整体上的分布向高频发展,总 能量与瞬时能量峰值均明显降低,用于岩石破碎的爆炸能量比例提升,且爆破远区振动能量分布频带增宽,有利于 岩体完整性保护。 [关键词] 采矿工程；爆破；ＥＥＭＤ；爆破振动；能量 [分类号] ＴＤ２３５. １ ＋１ 引言 岩石动态特性对爆破振动的影响研究由来已 久[１-２],岩石的霍普金森Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆试验也表 明,破碎岩石的有效吸能是输入能量减掉反射能和 透射能[３]。 针对不同的岩性,炸药能量释放的过程 中,传递到岩体的能量有多少是用来破碎岩石,又有 多少转变成了无用的地震波扩散掉,是值得深入研 究的问题。 集合经验模式分解ｅｎｓｅｍｂｌｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ,ＥＥＭＤ是针对非平稳、非线性信号的 有效分析方法,在爆破振动信号分析中已有较多应 用。 陈仁祥等[４]利用 ＥＥＭＤ 可有效抑制模态混叠 的特性,提出了基于 ＥＥＭＤ 的振动信号自适应降噪 方法。 王二猛等[５]为了研究不同段数爆破振动信 号的反应谱特性,利用 ＥＥＭＤ 分解对爆破振动的加 速度信号进行低通滤波去噪处理,获得了准确清晰 的加速度曲线。 赵明生等[６]的研究结果表明,ＥＥ- ＭＤ 方法的信噪比高,能充分保留信号固有的非平 稳特性,得到的 ＩＭＦ 分量具有明显的实际物理意 义,适用于爆破振动信号的去噪处理。 本文主要利用 ＥＥＭＤ 方法,研究了鞍钢矿业公 司大孤山铁矿爆区不同岩体的动态特性对爆破振动 能量分布的影响。 １ 岩石动态特性测试 在大孤山铁矿爆区分别收集磁铁矿、混合岩与 绿泥岩样本,加工制成圆柱状厚 ２０ ｍｍ,直径 ３８ ｍｍ,通过 Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ 压杆试验获得不同应变率下 各种岩石的动抗拉强度与弹性模量[７],结果如表 １、 表 ２ 所示。 表 １ 岩石动抗拉强度 Ｔａｂ. １ Ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋｓ ＭＰａ 应变率１５０２５０３５０ 磁铁矿１４１１９５２１８ 绿泥岩１３３１８５２０１ 混合岩１３２１７３１９６ 表 ２ 岩石弹性模量 Ｔａｂ. ２ Ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｒｏｃｋｓ ＭＰａ 应变率１５０２５０３５０ 磁铁矿２５６. ４３０２５９. ５４０２９０. ７３０ 绿泥岩２４８. ２２２３３６. ７９０３５９. １６５ 混合岩２０１. ８３３２４０. ６３５２６５. ４６９ ２ 爆破振动信号的频谱特征 ２. １ 工程背景 大孤山铁矿每年产矿石约 ７００ 万吨,采用露天 台阶爆破方式开采,台阶高度 １２ ｍ。 为了获得可靠 的对比结果,爆破孔网在不同岩性爆区中均使用相 ５１２０１５ 年 １２ 月 岩石动态特性对爆破振动能量分布的影响 于妍宁,等 * 收稿日期２０１５-０３-０６ 基金项目国家自然科学基金资助项目５１４７４１２３ 作者简介于妍宁１９８３ ,女,硕士,讲师,主要从事爆破工程理论的研究。 Ｅ-ｍａｉｌｙｕｙａｎｎｉｎｇ０２２３＠１６３. ｃｏｍ 通信作者徐振洋１９８２ ,男,博士,讲师,主要从事爆破工程与岩石破碎的研究。 Ｅ-ｍａｉｌｘｕｚｈｅｎｙａｎｇ１０＠ ｆｏｘｍａｉｌ. ｃｏｍ 同设计方案,孔距 ７. ５ ｍ,排距 ６. ０ ｍ,钻孔孔径 ２５０ ｍｍ,超深 １. ５ ｍ,使用混装乳化炸药,测试爆速为 ５ ２００ ｍ/ ｓ。 采用逐孔起爆方式,孔内使用４００ ｍｓ 孔 内延期雷管,爆破网路如图 １ 所示。 图 １ 爆破网路单位ｍｓ Ｆｉｇ. １ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋｕｎｉｔｍｓ ２. ２ 爆破振动监测结果 选择较平整场地,进行爆破振动监测,测振仪由 爆区中心出发,沿直线布置,间隔为 ３０、５０、１２０ ｍ, 监测结果如表 ３ 所示；ｓ 为测振仪与爆源的距离,ｍ。 由表３可以看出,磁铁矿振速峰值随距离增加 衰减较慢,且主振频率较低；绿泥岩振速峰值衰减较 快,主振频率较高。由于岩石的动态特性不同,对爆 破振动信号的传播规律有着较大的影响,在相同爆 破参数条件下,随着岩石动抗拉强度与弹性模量的 降低,距爆源中心相同距离处,振速峰值降低,主 表 ３ 振动监测结果 Ｔａｂ. ３ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ 种类 振速峰值/ ｃｍｓ －１ ｓ ＝３０ｓ ＝５０ｓ ＝１２０ 主振频率/ Ｈｚ ｓ ＝３０ｓ ＝５０ｓ ＝１２０ 磁铁矿４. ９７４. ８４２. ４６２３. １２１. ２２１. ０ 绿泥岩４. ３３１. ８３１. ３４２６. １３６. ２３０. ６ 混合岩４. ８５２. ４５１. ７３２３. ４２３. ９２４. ７ 振频率升高。 ３ 爆破振动信号能量分布特征 ＥＥＭＤ 方法能对非平稳信号进行平稳化处理, 把信号中不同时间频率范围的波动或趋势逐层分解 后产生一组不同特征尺度的数据列[８]。 它在待分 解信号中加入随机的白噪声序列,这个白噪声信号 会均匀分布在整个信号的时频空间,此时待分解信 号的不同频率尺度就会融合到由白噪声相应频率尺 度上,然后通过 ＥＥＭＤ 分解这个复合信号,得到一 组 ＩＭＦ 分量。 不断重复上述过程,得到各 ＩＭＦ 分量 的“集合体”,因为白噪声的零均值特性,对各个“集 合体”进行平均就能使白噪声互相抵消,消除了 ＥＥ- ＭＤ 算法固有的模态混叠问题[９-１０]。 三维能量谱可以表示非平稳信号的能量在时频 谱上的分布,实现了频域和时域的统一。 ３ 组信号 的三维能量谱如图 ２ 图 ４ 所示。 这 ３ 组信号振动持续的时间都符合爆破网路总 图 ２ 磁铁矿爆破振动信号三维能量谱 Ｆｉｇ. ２ Ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ 图 ３ 绿泥岩爆破振动信号三维能量谱 Ｆｉｇ. ３ Ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｃｈｌｏｒｉｔｅ ｓｃｈｉｓｔ ６１ 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ６ 期 延期时间,３０、５０、１２０ ｍ 处的信号分别在 １. １５、 １. ２２、１. ３４ ｓ 出现了第一个最大瞬时能量。 随着岩 石动抗拉强度与弹性模量的降低,能量峰值出现的 时间也在推后。 瞬时能量体现的是振速与频率的共 同作用[１１]。 最大瞬时能量能够引起岩石的结构位 移增量,当最大瞬时能量超越岩石的最大允许位移, 岩石结构将发生破坏。 在振动总能量衰减的前提 下,当瞬时能量未对岩石形成直接破坏时,那么产生 的累积损伤程度也会大大降低。 爆破过程中,大部分的爆炸能量并未用于岩石 破碎[１２-１３]。 建立岩石破碎断裂面的形成与炸药能 量之间的基本守恒关系 Ｅｖ＋ Ｅ ＋ Ｅｅ＝ Ｅｊ。１ 式中Ｅｊ为炸药爆炸传递至岩体内的能量；Ｅｅ为岩 石碎块形成的动能与热能等损耗；Ｅ 为岩石破碎形 成断裂面所消耗的能量； Ｅｖ为爆区外部质点获得 的弹性振动能量。 由以上 ３ 组信号可以看出,在炸药爆速为５ ２００ ｍ/ ｓ 时,混合岩的爆破向爆区外部传播的振动能量 最低,用于岩石破碎的能量高于磁铁矿和绿泥岩。 ４ 分析与讨论 为了获得岩石动态特性对振动能量分布的影响 关系,计算振动能量在总频带内的分布比例,３ 组信 号的能量分布如图 ５ 图 ７ 所示。 这 ３ 组信号的能量的增减基本是随着距离爆源 中心距离变化的,在装药量基本一致的情况下,爆心 图 ４ 混合岩爆破振动信号三维能量谱 Ｆｉｇ. ４ Ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ａｇｍａｔｉｔｅ 图 ５ 磁铁矿能量分布比例图 Ｆｉｇ. ５ Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ 图 ６ 绿泥岩能量分布比例图 Ｆｉｇ. ６ Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆｃｈｌｏｒｉｔｅ ｓｃｈｉｓｔ ７１２０１５ 年 １２ 月 岩石动态特性对爆破振动能量分布的影响 于妍宁,等 图 ７ 混合岩能量分布比例图 Ｆｉｇ. ７ Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｇｍａｔｉｔｅ 距的增加使得爆破信号的总能量降低。 信号的能量 分布较为均匀,能量出现了几个峰值,很好地避开了 信号的叠加。 ９０％以上的频带能量分布主要集中在 ２０ ８０ Ｈｚ 范围内,爆破振动没有在低频集中出现； ８０ Ｈｚ 以上的能量仅占总能量的 ５％左右,较少会有 超过 １００ Ｈｚ 的频率。 图 ５ 图 ７ 中,爆破振动能量分布是以 １ Ｈｚ 为 单位进行计算的,如此便可以很方便地计算出信号 在某个频带内的能量分布比例,只需选取需要分析 的横坐标值,对纵坐标的数值进行累加即可。 经过 计算爆破振动能量分布可以看出,磁铁矿的振动信 号能量峰值在 ５０ Ｈｚ 以下频带内出现的比例高于其 他两类岩石；绿泥岩的 ５０ Ｈｚ 以内的低频能量所占 比例较高,说明了爆破参数与磁铁矿和绿泥岩动态 特性的匹配不是最佳状态；混合岩的能量分布较为 均匀,主要能量分布在 ２０ ８０ Ｈｚ,且并未出现明显 的较高峰值,体现出振动能量分布的稳定性,是爆破 参数与岩石动态特性合理匹配的体现。 在爆破的中远区,虽然振动能量频带有些靠近 低频,但是绝对能量是最低的。 资料已表明,振动能 量频率越高对爆区后方未爆岩体的完整性越有 利[１４]。 爆破地震波传播过程中随距离的增长整体 上有向低频发展的趋势,针对不同岩性,控制爆破地 震波能量在高、低频的分布,提高高频部分所占比 例,降低爆破远区的低频振动能量,高频振动分量对 岩体内损伤与原始裂隙发展的作用非常有限。 ５ 结论 主要研究了大孤山铁矿的磁铁矿、混合岩和绿 泥岩的动态特性与爆破振动能量分布的影响,得到 以下主要结论 １动抗拉强度与弹性模量最低的混合岩,爆破 振动能量的分布最为均匀,瞬时能量在 ８０ Ｈｚ 以下 的频带出现了分散为多个峰值,９０％ 以上的振动能 量集中在 ２０ ８０ Ｈｚ。 ２随着岩石动抗拉强度的减小、弹性模量的增 大,爆破远区的振动能量在整体上的分布更向高频 发展,振动能量大小与瞬时能量峰值均明显降低,向 爆区外部传播的振动能量最低。 混合岩的爆破中, 用于岩石破碎的能量明显高于磁铁矿和绿泥岩。 ３混合岩爆破方案的振动能量在主频带内分 布最为均匀,瞬时能量在 ４０ Ｈｚ 以下的频带出现了 多个较大峰值,爆破参数与岩石动态特性匹配最为 合理。 磁铁矿的 ５０ Ｈｚ 以内的低频能量所占比例最 高,爆破参数与磁铁矿石动态特性的匹配是最不合 理的。 参 考 文 献 [１] ＷＡＮＧ Ｑ Ｚ, ＬＩ Ｗ, ＸＩＥ Ｈ Ｐ. 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Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ, ｔｈｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｒ ｚｏｎｅ ｔｅｎｄｓ ｔｏ ｂｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｔ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｖｅｒａｌｌ, ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｎｅｒｇｙ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ, ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｆｏｒ ｒｏｃｋ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｎｅｒｇｙ. Ｂｅｓｉｄｅｓ, ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕ- ｔｉｏｎ ｂａｎｄ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｆａｒ ｚｏｎｅ ｉｓ ｂｒｏａｄｅｎ, ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋｓ. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｍｉｎｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｂｌａｓｔｉｎｇ； ＥＥＭＤ； ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ； ｅｎｅｒｇｙ ９１２０１５ 年 １２ 月 岩石动态特性对爆破振动能量分布的影响 于妍宁,等