露天礦爆破時(shí)磚混結(jié)構(gòu)房屋振動(dòng)響應(yīng)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別與爆破減振方法?

張國(guó)勝 郭 斌 劉永亮 張?jiān)迄i 楊 曦

①河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司(河北唐山，063000)

②華北理工大學(xué)河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北唐山，063000)

引言

近些年來(lái)，隨著礦山行業(yè)的發(fā)展，礦石開(kāi)采過(guò)程中的爆破振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響也逐漸被社會(huì)關(guān)注。尤其是爆破過(guò)程中產(chǎn)生的爆破地震波，會(huì)引起礦山周?chē)ㄖ锏恼駝?dòng)，如果其強(qiáng)度超過(guò)一定閾值，就會(huì)造成礦山周?chē)ㄖ锊煌潭鹊钠茐腫1-3]。對(duì)爆破地震波產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究的工作一直在進(jìn)行，研究對(duì)象眾多[4-8]。但是，礦區(qū)周?chē)彐?zhèn)較多，建筑主體多以單層磚混結(jié)構(gòu)房屋為主，而目前針對(duì)單層磚混結(jié)構(gòu)房屋地基與墻壁振動(dòng)響應(yīng)的研究還相對(duì)較少，急需開(kāi)展相應(yīng)的研究。

爆破振動(dòng)信號(hào)為非常典型的非平穩(wěn)信號(hào)[9]。朱權(quán)潔等[10]充分利用小波包技術(shù)，分析了礦山生產(chǎn)產(chǎn)生的爆破信號(hào)，并與巖石破裂產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比，確定了其各自的能量頻帶分布特征。龔敏等[11]對(duì)隧道開(kāi)采過(guò)程中的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了采集，運(yùn)用希爾伯特黃變換(Hilbert Huang transform，HHT)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)對(duì)不同雷管延期時(shí)間的瞬時(shí)能量進(jìn)行了分析。趙國(guó)彥等[12]采用頻率切片小波變換(frequency slice wavelet transform，F(xiàn)SWT)對(duì)巖體微振和爆破振動(dòng)信號(hào)在不同頻域的能量比例進(jìn)行了研究。Trivi?o等[13]對(duì)不同爆破條件下的爆破地震波進(jìn)行分析，確定了其能量和頻率的變化規(guī)律。

針對(duì)礦區(qū)周邊的單層磚混結(jié)構(gòu)房屋的地基與墻壁，根據(jù)運(yùn)籌模態(tài)分析(operational modal analysis，OMA)理論，對(duì)采集到的爆破地震波信號(hào)，運(yùn)用HHT和小波包分解的方法，獲取其模態(tài)參數(shù)，分析爆破地震波不同頻段的貢獻(xiàn)率，并確定其頻域能量特征。提出了爆破減振方法，并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。

1 工程概況與監(jiān)測(cè)方法

某礦露天生產(chǎn)爆破時(shí)，對(duì)采場(chǎng)附近單層磚混結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆區(qū)820 m。

露天生產(chǎn)爆破采用逐孔起爆技術(shù)。臺(tái)階高度14.0～15.5 m；炮孔直徑310 mm；孔深16.0～17.5 m(超深2.0 m，填塞長(zhǎng)度7.0～7.5 m)；礦石孔網(wǎng)參數(shù)(7～8)m×(6～7)m；巖石孔網(wǎng)參數(shù)(5～9)m×(4～8)m；使用的炸藥為銨油、乳化炸藥；礦石炸藥單耗為0.45～1.00 kg/m3；巖石炸藥單耗為0.40～0.45 kg/m3。

使用中科院TC-4850型爆破測(cè)振儀，主要監(jiān)測(cè)單層磚混結(jié)構(gòu)房屋的墻壁與地基的爆破振動(dòng)情況。地基測(cè)點(diǎn)為B6。墻壁各測(cè)點(diǎn)分別為B2、B3和B4，各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為80 cm，如圖1所示。

圖1 墻壁測(cè)點(diǎn)(單位:cm)Fig.1 Measuring points on the wall(unit:cm)

2 爆破振動(dòng)信號(hào)分析

2.1 爆破振動(dòng)影響下地基模態(tài)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到房屋地基X、Y、Z3個(gè)方向的振速時(shí)程信號(hào)。分別對(duì)這3個(gè)方向的振速時(shí)程信號(hào)進(jìn)行EMD處理，就可以得到不同的數(shù)據(jù)序列，每個(gè)序列稱為固有模態(tài)函數(shù)(instrinsic mode function，IMF)，然后分別對(duì)IMF進(jìn)行HHT處理，得到相應(yīng)信號(hào)在11階固有模態(tài)下的分解信號(hào)。以地基在Y方向的爆破振動(dòng)信號(hào)為例，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 地基測(cè)點(diǎn)Y方向爆破振動(dòng)信號(hào)的IMF分量和剩余分量rFig.2 IMF component and residual component r of blasting vibration signal in Y direction of measuring point on ground foundation

然后，進(jìn)行方差貢獻(xiàn)率分析，得到房屋地基X、Y、Z3個(gè)方向的IMF貢獻(xiàn)率，如圖3所示。觀察可知:3個(gè)方向的信號(hào)在5、6階的IMF貢獻(xiàn)率均較高；其中，第5階的IMF貢獻(xiàn)率略高；7、8、9階次之；其他序列IMF貢獻(xiàn)率過(guò)低，可忽略不計(jì)。

圖3 地基測(cè)點(diǎn)IMF分量的貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of IMF component of measuring point on ground foundation

對(duì)Y方向各個(gè)序列的振速時(shí)程信號(hào)分別進(jìn)行10層小波包分解，得到其歸一化能量譜圖，分析后可得其各階固有頻率，如圖4所示。由此可知，3個(gè)方向的信號(hào)在54.67 Hz的IMF貢獻(xiàn)率較高。

圖4 IMF1～I(xiàn)MF11各階的固有頻率Fig.4 Natural frequencies of IMF1-IMF11

2.2 爆破振動(dòng)影響下墻壁模態(tài)參數(shù)計(jì)算

在開(kāi)展地基爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，在墻壁進(jìn)行鉆孔，安裝膨脹螺栓，再用固定架套住探頭，并將其固定在膨脹螺栓上，對(duì)墻壁各個(gè)測(cè)點(diǎn)也開(kāi)展相應(yīng)的監(jiān)測(cè)工作。得到單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁各個(gè)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z3個(gè)方向的振速時(shí)程信號(hào)。分別對(duì)3個(gè)方向的振速時(shí)程信號(hào)進(jìn)行EMD處理，就可以得到相應(yīng)信號(hào)在10階固有模態(tài)下的分解信號(hào)。B2測(cè)點(diǎn)在Y方向的爆破振動(dòng)信號(hào)處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 墻壁B2測(cè)點(diǎn)Y方向的爆破振動(dòng)信號(hào)的IMF分量和剩余分量rFig.5 IMF component and residual component r of blasting vibration signal in Y direction of Measuring Point B2 on the wall

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與上述計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行方差貢獻(xiàn)率分析，得到單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁B2測(cè)點(diǎn)X、Y、Z3個(gè)方向的IMF貢獻(xiàn)率，如圖6所示。觀察可知，3個(gè)方向信號(hào)的主導(dǎo)IMF貢獻(xiàn)率并不相同。X方向，6階IMF貢獻(xiàn)率最高；Y方向，4階IMF貢獻(xiàn)率最高；Z方向，5階IMF貢獻(xiàn)率最高。與地基各階IMF貢獻(xiàn)率相比，存在明顯差異。這說(shuō)明單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁的動(dòng)力響應(yīng)與地基的動(dòng)力響應(yīng)相比，其起主導(dǎo)作用的振動(dòng)頻率并不相同。

圖6 墻壁B2測(cè)點(diǎn)IMF分量的貢獻(xiàn)率Fig.6 Contribution rate of IMF component of Measuring Point B2 on the wall

對(duì)單層磚混結(jié)構(gòu)房屋墻壁B2測(cè)點(diǎn)Y方向各個(gè)序列的振速時(shí)程信號(hào)分別進(jìn)行10層小波包分解，得到其歸一化能量譜圖，分析后可得其各階固有頻率，如圖7所示。X方向，在23.43 Hz的IMF貢獻(xiàn)率最高；Y方向，在54.67 Hz的IMF貢獻(xiàn)率最高；Z方向，在23.43 Hz的IMF貢獻(xiàn)率最高。

圖7 IMF1～I(xiàn)MF10各階的固有頻率Fig.7 Natural frequencies of IMF1-IMF10

2.3 爆破振動(dòng)作用下頻域能量分析

為進(jìn)一步分析不同位置的頻域能量變化規(guī)律，對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)Y方向的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理后，進(jìn)行db8小波包分解，得到其歸一化能量分布圖，如圖8所示。每個(gè)頻段的大小為7.81 Hz。

觀察圖8可知，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的能量分布主要集中7.81～31.24 Hz(低)、46.86～62.48 Hz(高)兩個(gè)頻段范圍內(nèi)，其中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)受高頻成分影響較大。其中，低頻段以15.62～23.43 Hz為主；高頻段以54.67～62.48 Hz為主。觀察B2、B3、B4測(cè)點(diǎn)可知:隨著墻壁高度的增加，在低頻段，低頻能量逐漸減??；在高頻段，高頻能量逐漸增加。

圖8 地基與墻壁各測(cè)點(diǎn)在不同頻段的歸一化能量分布Fig.8 Normalized energy distribution of measuring points on foundation and wall

目前，國(guó)內(nèi)多以GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》為依據(jù)，對(duì)爆破地震波是否對(duì)房屋安全產(chǎn)生不利影響進(jìn)行判定。其中，采用保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率為主要依據(jù)。但是，從上述分析結(jié)果中可以看出:隨著高度的增加，墻壁上測(cè)點(diǎn)高頻段能量逐漸增大，并超過(guò)地基高頻段的能量；低頻段的能量逐漸減小。當(dāng)墻壁測(cè)點(diǎn)高、低頻段能量均高于地基在高、低頻段的能量，或其總和高于地基在高、低頻段的能量的總和，那么，只以所在地質(zhì)點(diǎn)的振速和主頻為依據(jù)，判別房屋的穩(wěn)定性，可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。同時(shí)，房屋是由不同結(jié)構(gòu)組成的，由于其固有頻率的影響，對(duì)爆破地震波中的不同頻率成分的敏感性也不相同。故不同結(jié)構(gòu)對(duì)爆破地震波會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)，并帶來(lái)不同的損傷，這還需要作進(jìn)一步的研究。

3 爆破減振技術(shù)

應(yīng)用數(shù)碼電子雷管可以利用合理的延期起爆時(shí)間和裝藥結(jié)構(gòu)，使不同的爆破地震波波形峰谷疊加，進(jìn)而達(dá)到減小爆破振動(dòng)效應(yīng)的目的。

應(yīng)用Ls-DYNA建立數(shù)值模型，如圖9所示。模型長(zhǎng)100 m、高24 m。模擬時(shí)間50 000μs。炸藥與巖石采用的材料模型分別為Mat＿High＿Explosive＿Burn和Mat＿Plastic＿Kinematic。采用JWL狀態(tài)方程。根據(jù)礦山實(shí)際，并參考前人經(jīng)驗(yàn)，確定狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示；巖石材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖9 裝藥模型Fig.9 Charge model

表1 狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 State equation parameters

提取A點(diǎn)的爆破振速(圖10)，最大值達(dá)到100 cm/s。但是，如果采用如圖9(b)所示的間隔裝藥方式，通過(guò)合理控制延期起爆時(shí)間，使兩個(gè)藥包間隔半個(gè)周期(400μs)起爆，就可以使兩個(gè)藥包附近位置的波形產(chǎn)生峰谷疊加效應(yīng)(圖11)，進(jìn)而達(dá)到減小爆破振動(dòng)效應(yīng)的目的。同時(shí)，起爆的總藥量沒(méi)有改變，但在相同距離上，B點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振速峰值為90 cm/s(圖12)，較原來(lái)減小了10%。

圖10 連續(xù)裝藥A點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振速Fig.10 Particle vibration velocity of Point A in continuous charge

圖11 峰谷疊加效應(yīng)Fig.11 Peak-valley superposition effect

圖12 疊加后B點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振速Fig.12 Particle vibration velocity of Point B after superposition

為進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可行性，建立單層磚混結(jié)構(gòu)房屋數(shù)值模型(圖13)。首先，將采集到的地震波施加于模型底面，并采集房屋地表與墻壁振動(dòng)數(shù)據(jù)。然后，在模型底面分區(qū)域間隔半個(gè)周期，分別施加地震波，并采集房屋地表與墻壁振動(dòng)數(shù)據(jù)。結(jié)果如表3所示。疊加后振速明顯小于疊加前振速，進(jìn)一步確定了模擬的準(zhǔn)確性。

圖13 單層磚混結(jié)構(gòu)房屋數(shù)值模型Fig.13 Numerical model of the single-layer brick-concrete building

表3 疊加前、后不同位置的振速Tab.3 Vibration velocity of different points before and after superposition cm/s

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)礦區(qū)周?chē)鷨螌哟u混結(jié)構(gòu)房屋爆破振動(dòng)信號(hào)的采集，根據(jù)OMA方法相關(guān)理論，對(duì)采集到的爆破地震波信號(hào)，運(yùn)用HHT和小波包分解的方法對(duì)其進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

1)確定了單層磚混結(jié)構(gòu)房屋地基與墻壁爆破振動(dòng)信號(hào)的各階固有頻率和不同振動(dòng)方向各階的IMF貢獻(xiàn)率，地基與墻壁的IMF貢獻(xiàn)率存在明顯差異，地基高頻序列(54.67 Hz)的IMF貢獻(xiàn)率較高，墻壁低頻序列(23.43 Hz)的IMF貢獻(xiàn)率較高。

2)墻壁各個(gè)測(cè)點(diǎn)的能量分布主要集中7.81～31.24 Hz(低)、46.86～62.48 Hz(高)兩個(gè)頻段范圍內(nèi)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)受高頻成分影響較大。其中，低頻段以15.62～23.43 Hz為主，高頻段以54.67～62.48 Hz為主。隨著墻壁高度的增加，在低頻段，低頻能量逐漸減小；在高頻段，高頻能量逐漸增加。不同位置處的能量并不相同。

3)通過(guò)分段裝藥與半周期延時(shí)起爆，使爆破地震波出現(xiàn)峰谷疊加現(xiàn)象，可以減小爆破振動(dòng)效應(yīng)，降低質(zhì)點(diǎn)振速。