王 旭

（中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100176）

隨著露天開采深度的增加，確保高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定安全便成為露天開采生產(chǎn)過程中尤為重要的任務(wù)之一[1-2]，而且露天礦山邊坡在開挖生產(chǎn)過程中不斷受到爆破動載荷的侵?jǐn)_，爆破動載荷對礦山邊坡穩(wěn)定性造成了一定的影響[3-4]。因此，研究高陡邊坡爆破振動規(guī)律對于保證礦山安全生產(chǎn)以及邊坡穩(wěn)定具有重大意義。迄今為止，我國國內(nèi)學(xué)者對爆破動載荷作用下的邊坡穩(wěn)定性以及爆破振動信號做了大量的研究。周子涵等[5]通過建立爆破動荷載作用下的露天邊坡失穩(wěn)尖點突變模型，開展了爆破振動振幅與頻率對露天邊坡穩(wěn)定性影響研究，確定了邊坡失穩(wěn)判據(jù)與自穩(wěn)高度，對保證降低爆破開挖對邊坡巖體的破壞影響起到了指導(dǎo)作用；王文才等[6]針對高村露天鐵礦開挖生產(chǎn)過程中存在的邊坡失穩(wěn)等問題，進行了爆破振動信號監(jiān)測與處理，針對性地提出了高村露天礦有失穩(wěn)傾向的邊坡爆破振動波傳播公式；尹久清[7]以云南小龍?zhí)恫颊訅温短斓V為背景，對爆破振動信號進行監(jiān)測與分析處理，提出了爆破振動速度預(yù)測計算公式，明確了邊坡安全允許振速；張耿城等[8]通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值試驗，分析了爆破振動規(guī)律與邊坡受爆破振動作用下的動態(tài)響應(yīng)特征，測點的垂向速度遠(yuǎn)高于水平方向，研究得出爆破振動強度與正高程成正相關(guān)；李祥龍等[9]以金沙礦業(yè)官房礦區(qū)402 礦段為背景，通過采用EMD－HHT 和小波理論研究了地下淺孔爆破振動規(guī)律，爆破振動信號能量分布呈正態(tài)分布，且最大瞬時能量與最大單響藥量呈正比關(guān)系；張其虎等[10]為解決金沙礦業(yè)官房礦部分區(qū)段在進行爆破過程中振動強度過大的問題，采用EMD－HHT 研究了振動信號頻率、振幅以及能量分布等爆破振動特征與規(guī)律?；诖?，以某露天礦高陡巖質(zhì)邊坡實測的爆破振動信號為工程背景，基于HHT 方法對爆破振動信號的能量分布以及傳播規(guī)律進行了研究。

1 工程概況

研究區(qū)露天礦高陡巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，形成了各種缺陷，邊坡內(nèi)部節(jié)理發(fā)育。邊坡巖體主要由泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、凝灰?guī)r等組成，邊坡較穩(wěn)定，屬于Ⅱ類巖體邊坡。邊坡由5 級臺階組成，總體高度為42 m，坡度大于60°，臺階自上往下高度依次為5、7、9、10、11 m?，F(xiàn)場爆破主要采用乳化炸藥，起爆方式為電雷管延時逐孔起爆。邊坡現(xiàn)場如圖1。

圖1 邊坡現(xiàn)場

2 爆破振動信號監(jiān)測

監(jiān)測采用TC－4850 爆破測振儀為爆破監(jiān)測設(shè)備，TC－4850 爆破測振儀是由成都中科測控有限公司生產(chǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕、耐壓抗擊等優(yōu)點。爆破測振儀在爆破進行測點布置時遵循以下基本原則：①選取測點位置具有良好的邊坡代表性；②測振儀確保安裝在加速度計鉆孔口的基巖上；③提前處理測點（通過石膏對鉆孔進行凝固處理）；④各個爆破測振儀測點的巖體物理力學(xué)性質(zhì)要大致統(tǒng)一；⑤測振儀要杜絕安裝在褶皺及斷裂帶處；⑥各個測振儀都應(yīng)布置在地質(zhì)構(gòu)造特征相似的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場測試條件，本次監(jiān)測運用了6 臺TC－4850 測振儀對該礦多次爆破進行爆破監(jiān)測，監(jiān)測點分別布置在臨近爆區(qū)的基巖上。

為更好的分析爆破振動規(guī)律，每個測點位置都安裝3 個方向（垂向、徑向和切向）的振動速度傳感器來監(jiān)測爆破振動的三向振動值。采用此方案連續(xù)測試4 d，且每天都根據(jù)同一測點不同傳感器型號進行數(shù)據(jù)采集并記錄。三向爆破振動波形監(jiān)測結(jié)果如圖2。

圖2 三向爆破振動波形監(jiān)測結(jié)果

3 基于HHT 的爆破振動信號分析

希爾伯特－黃變換（HHT 法）是一種被認(rèn)為是處理非線性、非平穩(wěn)信號的數(shù)據(jù)分析方法。HHT 的理論基礎(chǔ)源于Hilbert 變換，它由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法（EMD）和希爾伯特（Hilbert）變換2 部分組成：首先根據(jù)EMD 得到有限數(shù)目的固有模態(tài)函數(shù)（IMF），然后應(yīng)用Hilbert 變換和瞬時頻率方法獲得信號的Hilbert 譜，進而獲得反映信號特性的邊際譜和瞬時頻率，即信號能量在空間（或時間）不同尺度上的分布變化規(guī)律。

3.1 爆破振動信號的EMD 分解

首先對已經(jīng)收集好的原始信號進行處理，得到原始信號的各個極值點。接著通過運用3 次樣條函數(shù)統(tǒng)一對每個極大值點和極小值點進行插值擬合，從而得到原始信號的上包絡(luò)線和下包絡(luò)線，其中上、下2 條包絡(luò)線可包含全部信號數(shù)據(jù)。然后依次將上、下包絡(luò)線的平均值連接便可得到均值曲線。最后再用原始信號曲線減掉均值曲線得到1 個新的信號曲線。對于不一樣的信號，該信號可能是1 個IMF 信號分量，也可能不是；如果這個信號未能達到IMF所必備的要求，便可將這個信號當(dāng)作原始信號，重新進行以上操作，直到找到IMF 信號分量。

基于EMD 原理和Matlab2009b 語言平臺，運用EMD 程序?qū)C－4850 監(jiān)測到的原始信號進行處理，從3 個不同方向（徑向、切向、垂向）對原始信號進行EMD 分解，三向振動信號EMD 分解圖略，從圖中可以明顯看出EMD 分解出的IMF 信號分量都有清晰的物理意義。

由EMD 分解圖可知，三向振動信號進行EMD分解處理后，共計得到10 個IMF 分量信號。通過對各方向分量信號做頻譜研究，能夠得到IMF 分量信號的頻率信息。IMF1 分量頻率最高，所占能量非常小，表明它是在監(jiān)測中引入的高頻噪聲，需在分析中去噪。IMF2 分量頻率較高，IMF3 分量～IMF9 分量頻率慢慢減小，說明地震波在快速傳播的過程中高頻顯著降低。分量IMF2 分量～IMF5 分量振幅逐步增加，且包含了信號的大部分能量，說明建（構(gòu)）筑物受到震動的影響逐漸加大，IMF5 分量～IMF9 分量震幅逐漸減小，說明建（構(gòu)）筑物受到爆破震動最大能量后影響逐漸減小。最后的余量IMF10 表明監(jiān)測儀器的漂零或信號微弱的變化趨勢。振動信號在徑向、切向、垂向方面經(jīng)EMD 分解后得到的IMF 分量有著一致性。

3.2 Hilbert 譜分析

通過將EMD 方法分解后得到多個IMF 的信號組合進行Hilbert 變換，可得到每個IMF 分量的瞬時頻譜，由它變換得到的瞬時頻率頻譜具有明顯的物理意義。

在實際爆破振動監(jiān)測中，監(jiān)測儀器記錄的振動數(shù)據(jù)不是單一的爆破信號，信號中摻雜了檢測點周圍環(huán)境影響信號。單一的爆破振動信號的頻率為0～150 Hz，而建筑的固有頻率在0～20Hz。從圖3 可以看出，IMF1 分量為明顯的干擾頻率或噪聲，在對信號進行Hilbert 譜分析時要先對信號進行濾波、消噪等處理，更好的反映爆破振動信號的真實內(nèi)容。所謂的消噪處理是指通過分離噪聲和信號的時頻譜區(qū)域，采用適當(dāng)?shù)臑V波方法將噪聲從信號中清除或減弱，從而得到較高的信噪比和獲取更有用的信息，進而使各IMF 分量經(jīng)Hilbert 變換后的頻譜圖更好地反映爆破震動的情況，使Hilbert 譜也有更有意義。

1）瞬時能量譜。瞬時能量譜是由EMD 分解處理后求得的IMF 各分量經(jīng)Hilbert 變換后求得。瞬時能量譜清晰地顯示了振動信號的能量與時間的關(guān)系。Hilbert 瞬時能量譜如圖3。從圖3 中可以看出波形的最高值表示為瞬時能量的極值，其波形范圍集中在0.2～1.0 s 區(qū)域內(nèi)。瞬時能量的物理意義為爆破的最大荷載值，瞬時能量的大小與爆破荷載的大小呈正相關(guān)。

圖3 Hilbert 瞬時能量譜

2）Hilbert 能量譜。Hilbert 能量譜是由瞬時能量譜經(jīng)過分析處理后得到，即對振動信號振幅先平方后再進行時間積分。Hilbert 能量譜可以準(zhǔn)確計算各個頻率所對應(yīng)的能量，它所涵蓋的物理意義是在全部時間段內(nèi)各個頻率積累的所有能量。Hilbert 能量譜如圖4。由圖4 可知，爆破振動能量分布范圍為0～100 Hz，且大部分能量集中于50 Hz 以下的低頻段區(qū)；而強度高于50 Hz 以上的頻段，其爆破振動能量分量很少。

圖4 Hilbert 能量譜

3）Hilbert 邊際譜。能量邊際譜通過將能量譜在時間域內(nèi)積分便可求得。能量邊際譜表示的是振動信號的能量隨頻率增加的變化情況。求得的Hilbert邊際譜如圖5。由圖5 可知，Hilbert 邊際譜清楚地表明了爆破震動以低頻為主，其主震頻帶在0～15 Hz范圍內(nèi)。

圖5 Hilbert 邊際譜

4 結(jié)語

對某露天礦高陡邊坡開挖過程中所產(chǎn)生的爆破振動信號進行了監(jiān)測，采用HHT 方法對高陡邊坡振動監(jiān)測信號進行處理，研究了IMF 分量、Hilbert 瞬時能量譜、能量譜、邊際譜，得出邊坡爆破振動以低頻為主，能量強度分布范圍為0～100 Hz，且大部分能量集中于50 Hz 以下的低頻段區(qū)；而強度高于50 Hz 以上的高頻段區(qū)瞬時能量散布分量很少。