基于小波变换的时-能密度法的盲炮识别研究.pdf

第3 l 卷第2 期 2 0 1 1 年0 4 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 l №2 A p r i l2 0 1 1 基于小波变换的时一能密度法的盲炮识别研究① 李启月，刘高，黄治成，王卫华 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要微差爆破的盲炮有时难于识别，但爆破荷载往往会使振动信号产生能量突变，基于此，提出了一种利用信号的能量突变来 识别盲炮的新方法。该方法通过实时分析现场所监测到的爆破振动信号，得出主频带内能量密度随时间变化的特征图，其中的能 量密度突峰时刻就是微差爆破各段雷管的实际起爆时刻，通过与设计的微差爆破各段雷管的延期时间对比，能很快判断出已爆与 未爆雷管段别。从而确定出微差爆破中是否存在盲炮以及盲炮的大体位置。该方法已在现场得到成功运用。 关键词微差爆破；小波变换；时．能密度分析；盲炮识别 中图分类号T D 2 3 5 ．4 6文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 2 0 0 0 l 0 4 S t u d yo nM i s f i r eI d e n t i f i c a t i o nb yT i m e - e n e r g yD e n s i t yA n a l y s i s B a s e do nW a v e l e tT r a n s f o r m U Q i y u e ，L I UG a n ，H U A N GZ h i c h e n g ，W A N GW e i h u a S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e m i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t M i s f i r ei nm i l l i s e c o n db l a s t i n gi su s u a l l yd i f f i c u l tt ob ei d e n t i f i e df o r8 0 m er e a s o n s ．B u tt h eb l a s t i n gl o a dw i l l m a k et h es i g n a l sj u m pa tt h ev e r yt i m ew h e ni tt a k e sp l a c e ．B a s e do nt h i s ，an e wm e t h o dt oi d e n t i f yt h em i s f i r ei sp u t f o r w a r db yu s i n gt h ea b r u p tc h a n g eo fs i g n a le n e r g yp r o m i n e n t l y ．B yt i m e l ya n a l y z i n gt h eb l a s ts e i s m i cs i g n a l sm o n i t o r e d i nf i e l d ，t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fs i g n a lv a r y i n gw i t ht i m ea n df r e q u e n c yc a nb eo b t a i n e dw i t ht h i sm e t h o d ．T h em o m e n t o fp e a kv a l u eo fe n e r g yd e n s i t yi nt h eg r a p h i ci sj u s tt h er e a lb l a s t i n gm o m e n to fs h o r t d e l a yd e t o n a t o r s ．T h r o u g h c o n t r a s t i n gt h em o m e n tw i t ht h ed e s i g n e dd e l a yt i m eo fd e t o n a t o r si nm i l l i s e c o n db l a s t i n g ，t h ee x p l o d e do ru n e x p l o d e d d e t o n a t o rC a nb ej u d g e dq u i c k l y ，t h u st h ef a i l e dh o l ei nm i l l i s e c o n db l a s t i n ga n dt h ep o s i t i o no fu n e x p l o d e dc h a r g e sC a n b ei d e n t i f i e d ．As u c c e s s f u la p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o dh a sb e e nm a d eo ns i t en o w ． K e yw o r d s m i l l i s e c o n db l a s t i n g ；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 ya n a l y s i s ；m i s f i r ei d e n t i f i c a t i o n 在爆破工程中，由于各种原因造成雷管瞎火拒爆 和炸药未爆的现象叫做盲炮⋯。盲炮如未及时发现 或处理不当，潜在危险极大。据南非矿业与能源部门 D M E 统计，3 0 ％- 4 0 ％的爆破伤亡事故是由于盲炮 未能有效识别和处理不当造成的【2J 。处理盲炮首先 要有效识别盲炮，国内外现有的盲炮识别方法主要是 爆后人员现场检查旧J ，这不仅不安全，而且在很多情 况下不可操作，例如硐室爆破和地下深孔爆破，人员就 很难进入爆后现场，即使能进入爆后现场，也难以有效 判断是否存在盲炮及其位置，为此，爆破人员只能根据 爆破效果来判断，如判断岩体移动和破碎是否充分、爆 破声响是否正常、爆堆和飞石是否异常等r 4 。J ，很显 然，通过主观判断不仅不可能准确判断是否存在盲炮， 更不可能识别肓炮。因此，提出一种可以取代爆后现 场检查、克服主观判断且能快速、准确识别盲炮的方法 很有必要。 微差爆破是不同段别雷管间以毫秒级时间为间隔 严格按一定顺序起爆的一种爆破方法，其每段雷管起 爆的炸药所产生的爆破荷载必然会引起振动信号的能 量突变。于德介等人∞。提出了基于小波变换的时一能 密度法在分析信号能量突变方面具有突出的能力，并 利用其有效地提取了滚动轴承振动信号中的故障特 征；凌同华和李夕兵‘利用该方法确定了微差爆破的 实际延迟时间；严鹏等人【8o 则利用该方法成功识别了 爆破开挖过程中地应力卸载振动到达时刻，而该方法 在盲炮识别方面的应用却未见相关文献。本文将基于 ①收稿日期2 0 1 0 - 1 1 旬l 基金项目中南大学前沿研究计划 2 0 1 0 Q Z Z D 0 0 1 ；教育部新教师基金 2 0 0 9 0 1 6 2 1 2 0 0 8 4 作者简介李启月 1 9 6 8 一 ，男。湖南衡阳人。副教授，博士，主要从事采矿教学与科研工作。 万方数据 2矿冶工程 第3 l 卷 小波变换的时一能密度法引入盲炮识别中，提出了利用 信号的能量突变来识别盲炮的新方法，该方法已在现 场得到成功运用。 1 基于小波变换的时- 厶皂密度分析的盲 炮识别方法 爆破振速信号八‘ 是典型的非平稳随机信号，选 择适当的小波函数妖1 对其进行时频分析，可揭示振 动波形的不同频带特征。 1 ．1 小波变换基本概念 设妖t ∈L 2 R ，L 2 R 为能量有限的信号空间， 其傅里叶变换为妖埘 。当烈埘 满足允许条件 c 中f 骅如 ∞ 1 盍 I 埘I 称缈 ‘ 为基本小波或小波函数f 9 】。对于连续的情 况，将基本小波缈 t 伸缩和平移后得到小波序列 眈“t l ar 以譬 口’6 ∈R ，口≠o 2 式中口，b 分别为尺度参数和定位参数。 对于任意能量有限的函数， t Er R ，关于 妖f 的连续小波变换定义为 町 口，6 以￡ ，眈。。 ￡ ”寺p 以譬 州3 1 ．2 时- 能密度分析法 小波变换具有等距特性，也就是说以t 的小波变 换是能量守恒的，根据内积定理，有 按划哆 a , b 1 2 d 62 舻忡 4 众所周知，在非平稳随机信号的研究中，由于受海 森堡 H e i s e n b e r g 测不准原则的限制，人们不能确定 时一频相空间中某一点的瞬时能量密度，即不能把 方艺l 町 。，6 l 2 看作为瞬时能量密度。但在式 4 中，可以把孑l I 盱 口，6 2 看作是 口，6 平面上的 能量密度函数，因而可把孑苌I 町 口，6 f 2 △口A b 看作 以尺度a 和时间b 为中心、尺度间隔为△口、时间间隔 为△6 的能量。根据能量密度的概念，式 4 可以 写成 fk I2 d t r E b d b 5 ★膏 式中 E 6 z lf l J 町 口，6 2 血 6 小波变换中，尺度a 在一定意义上对应于频率加， 因此式 6 给出了信号所有频带的能量密度随时间参 数b 的分布情况，称为时一能密度函数。实际应用中， 可以选择合适的积分上下限，使积分区间落在待分析 信号的某频率范围内，从而可以得到该频带内信号的 能量密度随时间的分布特征。 1 ．3 小波函数的选取及小波变换尺度的确定 要运用上述小波变换进行信号分析，首先要选定 小波函数；基于小波变换的时一能密度法在小波函数的 选择上极为重要，不同的小波函数分析会产生不同的 结果0 1 。针对爆破振动信号持时短和突变快的特点， 分析爆破振动信号的小波函数，要满足一定区间的紧 支撑、足够的消失矩阶数和近似的对称性。中国生【l 刚 研究发现D a u b e c h i e s 小波系与S y m l e t s 小波系中的 d b 7 和s y m 8 是适合于爆破振动分析的最佳小波函数。 本文选用d b 7 作为本次分析的小波函数。 小波变换尺度的选择确定了所分析信号的主频 带，根据爆破振动信号的主频率范围一1 将积分下限取 为1 、上限取为4 0 。 1 ．4 时一能密度法识别盲炮的基本原理及优点 对于微差爆破来说，如将某次爆破作为一个系统 来考虑，则每一段雷管的起爆必然引起系统内能量密 度的突变。因此按式 6 计算爆破振动信号在主频带 内的能量密度，并画出其时能一密度图，根据图中出现 的突峰位置即可得到各段雷管的实际起爆时刻，确定 爆破中实际的微差延期时间，并与设计的微差延期时 间对比，进而确定爆破中已爆及未爆雷管段别。 基于时一能密度分析的盲炮识别法主要是通过对 所测得的爆破振动信号进行分析，比原有方法通过爆 破后检查和主观判断不仅安全、客观可靠，而且为发现 盲炮和尽早处理盲炮节省时间，对比爆破设计找出未 爆炸药位置，并可有针对性地进行处理。 2 应用实例分析 2 ．1 爆破振动测试 对某地下矿山爆破进行了多次振动测试，分析发 现本次爆破振动信号与爆破设计有差别。爆破采用中 深孔扇形布置、三排孔布置及装药情况如表1 所示。 测振采用数据分辨率和精度较高的加拿大I n s t a n t e l 公 司生产的B l a s t m a t e1 1 I 型测振仪和两台标准三向地震 检波器，文献[ 1 1 ] 发现地震波在近区叠加效应不明 显，各分段爆破波形基本独立，所以检波器布置距爆源 较近。测点一、二距离爆源分别为2 1 ．8 和3 1n l 。两 点所测得的爆破振动速度时程曲线见图1 ，图中通道 分别为水平纵向、垂直向和水平横向。 万方数据 第2 期 李启月等基于小波变换的时．能密度法的盲炮识别研究 表1各炮孔雷管段数布置情况 丑 5 0 0 ．∞。 kJj L ～⋯ C h a n 5 0 ．0 ★- 5 0 0 ．加 ． 下1 r 一1 r - - ⋯一 C m m t s l 觚帅 一 lI 蠢 I L O“厂叫b ～ C h a r t 6 C o u n t s 倒- S I L O ．∞ 羹S 0 0 ．0 0 0 ．6 』．。I L LJ ．kC h a r t 7 r r。r r f c o u n t s - 5 0 0 ．∞ o ．51 ．0 时间／暑 ”2 0 0 ．0 0 。 ．i 且 - J I 一一 C h a n l o ．0 ★- 2 0 0 ．0 0 ． r1 r r ～’町一 C o u n t s 兽 C I r o n 2 邑2 0 0 ．∞ ． “一 1 r I1 ’卜， ’ C o u n t s 囊- 枷．帅O ．G 督 骧2 0 0 ．∞ ‘ ．I 玉一j 土～ C h a r t 3 0 ．0 - 2 0 0 ．∞ ． 丫11 - r 一 C o u n t s 0 ．00 ．5 时间／。 图l 爆破振动速度时程曲线 a 测点1 ； b 测点2 2 ．2 信号的时能密度分析 根据上面的分析，基于有效性和对比考虑，仅从中 选取不同测点同一个方向 选用水平纵向 的信号，选 用d b 7 作小波函数，将式 6 的积分上、下限分别设为 4 0 和1 ，用M a t l a b 语言编程2 一副进行连续小波变换 并按式 6 计算其时．能密度，结果见图2 。 2 ．3 结果分析与讨论 从图2 可以清楚看出，时能密度曲线显示了4 个 突峰，由于两台地震检波器是同时开始记录且两台传 感器之间相隔一定距离，所以记录的突峰有一个很小 的时间差。为便于讨论，取测点2 数据进行分析。4 个突峰出现的时刻分别为6 1 ．5 2 ，1 8 6 ．0 ，4 1 4 ．6 和 5 0 5 ．4m s 。由前面分析可知，这4 个突峰即是各段雷 管的起爆时刻，将爆破振动记录的起始点作为爆破中 所采用的最低段次雷管的起爆时刻，则实际起爆时刻 为O ，6 1 ．5 2 ，1 8 6 ．0 ，4 1 4 ．6 和5 0 5 ．41 1 1 8 。爆破中采用的 毫秒雷管有3 ，5 ，7 ，9 ，“，1 3 段，但只有5 个明显起爆 警 一 、、 籁 忸 魁 椒 姗 箍 - b 枷I 黼‘ l 。 ￡0 ．5 呻8 F7 ．9 1 8 1 0 4 - 0 ．4 2 0 4 2 ．1 8 5 X 1 0 ． 菇”．0 6 8 8 ．5 0 3 8l i p I J、王Jh ．． 。 ，2 ． ，l 时问／o 图2 水平纵向时- 能密度曲线 B 测点1 ； b 测点2 点，可确定中间有未爆炮孔。表2 给出了厂家提供的 雷管延迟时隔、误差范围及理论间隔。 表2 厂方提供的雷管延迟时隔、误差范围及理论间隔 各个段别的实际延期时间为6 1 ．5 2 ，1 2 4 ．4 8 ， 2 2 8 ．6 ，9 0 ．8m s ，由表2 可知第一个时间间隔为3 5 段的延期间隔；第二个时间间隔为5 7 段的延期间 隔；第三个时间间隔为7 一1 1 段之间的延期间隔；第四 个时间间隔，其中用于扩漏的1 3 段雷管的导爆管安排 在主导爆索最前端，理论上会提前爆，导致与1 1 段的 延期间隔缩小，确定时间问隔为l l ～1 3 段的延期间 隔。因此，9 段所在炮孔未爆。结果与现场实际相符。 3 结语 1 基于小波变换的时能密度法可有效识别各段 雷管的起爆时刻，进而可确定盲炮事故中已爆及未爆 万方数据 4 矿冶工程第3 l 卷 雷管段别。对同一次爆破两个不同测点同一个方向所 获得的信号进行分析，验证了该方法的有效性。 2 对于地下和露天微差爆破，特别是大爆破，本 文提出的方法可以发现盲炮及大体确定未爆炸药位 置，为处理盲炮抢占先机，避免意外事故的发生，并可 针对性地处理盲炮，具有很好的实用价值。 3 基于小波变换的时一能密度法识别盲炮，通过提 高爆破器材尤其是延期雷管精度和装药连线质量，减小 爆破设计时延期间隔误差，并采用合理爆破测振方法和 精密测震仪器，获得更精确数据，使得结果更理想。 参考文献 [ 1 】庙延钢．栾龙发．爆破工程与安全技术[ M 】．北京化学工业出版 社．2 0 0 7 ． [ 2 】S t a n d e rM 。S o l o m o nVJ ，M a e n u h yN ．C o n v e r t i n gA l l g l oP l a t i n u m m i n e sf r o m 唧p e df u s ea n di g n i t e rc o r db l a s ti n i t i a t i o ns y s t e m st o s h o c kt u b eb a s e db l a s ti n i t i a t i o ns y s t e m s [ C 】／／T h i r dI n t e r n a t i o n a l P l a t i n u mC o n f e r e n c e ’P l a t i n u mi nT r a m f o n n a t i o n ’。T h eS o u t l l e mA f r i C a l lI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，2 0 0 8 ． [ 3 ] G B 6 7 2 2 2 0 0 3 爆破安全规程[ s ] ．北京中国标准出版社，2 0 0 4 ． [ 4 ] R 弗莱彻，张金奎．美国矿山盲炮事故的原因分析[ J ] ．日本 火药与保安，1 9 8 5 ，1 1 7 2 4 9 ． [ 5 】王民寿，王惠民．一起大型硐室爆破盲炮处理事故原因分析及处 理方案[ J ] ．四川水力发电，2 0 0 2 ，2 1 1 3 3 3 4 ． [ 6 ] 于德介，程军圣．基于小波变换的时．能密度分析[ J ] ．振动工程 学报，2 0 0 1 ，1 4 1 1 0 9 一1 1 2 ． [ 7 】凌同华，李夕兵．基于小波变换酌时．能分布确定微差爆破的实际 延迟时阃[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 1 3 2 2 6 6 2 2 7 0 ， [ 8 ] 严鹏，卢文波，罗忆，等．基于小波变换时- 能密度分析爆破 开挖过程中地应力动态卸载振动到达时刻识别[ J ] ．岩石力学与 工程学报，2 0 0 9 ，2 8 增1 2 2 6 6 2 2 7 0 [ 9 ] 樊启斌．小波分析[ M 】．武汉武汉大学出版社，2 0 0 8 ． [ 1 0 ] 中国生．基于小波变换爆破振动分析的应用基础研究[ D ] ．长 沙中南大学，2 0 0 6 ． 【1 1 ] 甄育才。朱传云．中远区微差爆破振动叠加效应影响因素分析 [ J ] ．爆破，2 0 0 5 ．2 2 2 l l 1 6 ． [ 1 2 ] 胡昌华，张军波，夏军，等．基于M A T L A B 的系统分析与设 计一小波分析[ M ] ．西安西安电子科技大学．2 0 0 0 ． [ 1 3 ] 王沫然．M A T L A B6 ．0 与科学计算[ M ] ．北京电子工业出版 社．2 0 0 1 ． 矿冶工程杂志2 0 11 年征订启事 矿冶工程 双月刊 由中国金属学会、长沙矿冶研究院主办，面向国内外公开发行。本刊是中国 期刊方阵“双效期刊”、全国中文核心期刊。已被中国科学引文数据库 C S C D 、中国知网、万方数据库、 重庆维普资讯等全文收录，是国外多家知名检索刊物的检索对象。 矿冶工程读者对象是采矿、选矿、冶金、材料、地质、煤炭、化工等系统的有关生产、设计及科研人 员、院校师生和生产技术管理人员。主要栏目为专家访谈、综合评述、采矿、选矿、冶金、材料、经验交流、 技术革新、矿冶行业企业管理等，内容新颖，是开拓、激发创造力的良师益友。 矿冶工程编辑部承接彩色、黑白及文字广告业务，欢迎各企事业单位来电来函联络。 矿冶工程真诚欢迎新、老订户向全国各地邮局订阅本刊，也可直接向编辑部订阅。邮发代号 4 2 5 8 ，大1 6 K ，定价l O 元，全年6 0 元。 本刊地址 4 1 0 0 1 2 湖南省长沙市麓山南路9 6 6 号矿冶工程编辑部 联系人黄小芳 电话 0 7 3 1 8 8 6 5 7 0 7 0 ／8 8 6 5 7 1 7 6 传真 0 7 3 1 8 8 6 5 7 1 8 6 E m a i l K Y G C 2 1 1 8 。o n 开户名称长沙矿冶研究院有限责任公司 开户银行长沙市工商银行左家垅分行 帐号1 9 0 1 0 1 3 0 0 9 0 1 4 4 5 0 2 7 6 0 1 0 1 0 万方数据