翟俊杰 戴浩榮 李勇明 羅育乃 駱寶堅(jiān) 陳小文 陳詠城

摘要：為優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，降低爆破振動(dòng)，需要準(zhǔn)確地識(shí)別微差延期時(shí)間。為提高微差爆破延期時(shí)間的識(shí)別精度，在對(duì)比分析了小波變換法、基于HHT（Hilbert-Huang Transform，希爾伯特-黃變換）的EMD（Empirical Mode Decomposition，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法）后，優(yōu)選基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷實(shí)際微差延期時(shí)間。結(jié)果表明，基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法具有自適應(yīng)和高效性，識(shí)別精度高，誤差低至10%以內(nèi)，非常適合識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間。

關(guān)鍵詞：HHT變換；經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；微差爆破；延期時(shí)間

中圖分類號(hào)：TU746.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0043-04

0 引言

爆破工程廣泛應(yīng)用在我國(guó)采礦、道路修筑、公路和鐵路隧道開(kāi)挖等建設(shè)工作中。當(dāng)前的爆破工程，如采礦爆破、隧道開(kāi)挖爆破、城市基坑爆破等廣泛采用微差爆破方式以控制爆破危害，減弱爆破地震波對(duì)周邊環(huán)境的影響。如何準(zhǔn)確識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間，進(jìn)而確定最佳爆破微差延期時(shí)間，是優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)和降低爆破振動(dòng)危害的關(guān)鍵。微差爆破實(shí)際延期時(shí)間的識(shí)別，廣泛采用傅里葉變換法、小波變換法［1］和基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法等對(duì)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)波進(jìn)行時(shí)頻分析。在這一方面，大量的工程技術(shù)人員進(jìn)行了研究，如宋光明［1］、張耀平［2］、劉志芳［3］、劉敦文［4］等，采用小波變換法識(shí)別微差時(shí)間；張義平［5］采用HHT分析爆破振動(dòng)信號(hào)識(shí)別微差時(shí)間。上述研究雖然能夠識(shí)別微差時(shí)間，但是和實(shí)際微差時(shí)間對(duì)比，其識(shí)別精度仍有待提升。本文對(duì)比分析了小波變換法和基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法的特點(diǎn)，優(yōu)選基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法識(shí)別微差爆破實(shí)際時(shí)間，該方法具有自適應(yīng)性和高效性，識(shí)別精度更高，誤差可控制在10%內(nèi)。

1 微差爆破延期時(shí)間的識(shí)別方法對(duì)比和優(yōu)選

隨著科技的發(fā)展，爆破振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字處理方法不斷出現(xiàn)，動(dòng)態(tài)信號(hào)處理分析技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，如傳統(tǒng)的快速傅立葉變換法（FFT）、以FFT為基礎(chǔ)的時(shí)域局部化短時(shí)傅立葉變換法（STFT）、小波變換法及HHT變換法。目前，運(yùn)用廣泛的振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析方法是小波變換法和HHT變換法，而在微差爆破延期時(shí)間的識(shí)別方法中，小波變換法和基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法是常用的方法。下面對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 小波變換法

傅里葉變換是信號(hào)處理的一種基本分析方法，能將滿足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示為三角函數(shù)或者它們積分的線性組合。小波變換是在傅立葉變換局部化思想的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，同時(shí)能夠克服傅里葉變換窗口大小不隨頻率變化的缺點(diǎn)，是一種常見(jiàn)的用于信號(hào)時(shí)頻分析和處理的工具。小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間—尺度（時(shí)間—頻率）分析方法，它具有在時(shí)頻兩域都有表征信號(hào)局部特征的能力，是一種窗口大?。创翱诿娣e）固定不變但形狀可以改變、時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法。即在低頻部分具有較低的時(shí)間分辨率和較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，適合分析非平穩(wěn)的信號(hào)和提取信號(hào)的局部特征，所以小波變換法被譽(yù)為分析處理信號(hào)的顯微鏡。傅里葉變換是將信號(hào)分解成一系列不同頻率的正余弦函數(shù)的疊加，同樣小波變換是將信號(hào)分解為一系列的小波函數(shù)的疊加（或者不同尺度、時(shí)間的小波函數(shù)擬合），而這些小波函數(shù)都是一個(gè)母小波經(jīng)過(guò)平移和尺度伸縮得來(lái)的。小波變換可以說(shuō)是傅里葉變換的發(fā)展和拓延，其實(shí)質(zhì)是把一個(gè)能量有限的信號(hào)分解到兩個(gè)維度所構(gòu)成的空間，在變換過(guò)程使用的小波基函數(shù)是不具有唯一性的［2］，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者不斷地開(kāi)展試驗(yàn)選出最優(yōu)的小波基函數(shù)。小波變換常見(jiàn)的形式有連續(xù)小波變換（CWT）、離散小波變換（DWT）等。

小波變換法在工程中的運(yùn)用較為廣泛。劉志芳等［3］對(duì)監(jiān)測(cè)到的非平穩(wěn)的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波變換，從而進(jìn)行時(shí)頻特征分析，得到了實(shí)測(cè)非平穩(wěn)爆破振動(dòng)信號(hào)的各頻帶能量大小及其能量的分布規(guī)律，進(jìn)而有效地指導(dǎo)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)后續(xù)的減振降振措施。劉敦文等［4］采用小波包分析方法（屬于小波變換的一種）對(duì)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行能量頻譜分析，得到非平穩(wěn)的爆破振動(dòng)信號(hào)中不同頻帶上的能量分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，還提出一種根據(jù)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行爆破危害評(píng)判的方法。

小波變換的優(yōu)點(diǎn)在于，在時(shí)域和頻域都具有良好的局部分析能力，以及線性、平移不變性、伸縮不變性、自相似性等特點(diǎn)，對(duì)于處理非線性的爆破振動(dòng)信號(hào)具有一定的優(yōu)勢(shì)。但實(shí)踐表明，采用小波變換識(shí)別實(shí)際微差爆破延期時(shí)間時(shí)，小波基函數(shù)的選取對(duì)于識(shí)別精度具有較大的影響，在很大程度上決定了識(shí)別效果。通過(guò)構(gòu)造合適的小波基函數(shù)進(jìn)行微差爆破延期時(shí)間的識(shí)別，具有較高的識(shí)別精度。但是，合適的小波基函數(shù)的選取，需要工程技術(shù)人員具備扎實(shí)的理論功底和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且要不斷地進(jìn)行試驗(yàn)，因此制約了小波變換法在微差爆破實(shí)際延期時(shí)間識(shí)別中的應(yīng)用。

1.2 基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法

HHT是1998年由黃鍔提出的一種處理非線性非平穩(wěn)信號(hào)的分析方法［5］，它由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）和希爾伯特變換組成。該方法首先用EMD將非線性非平穩(wěn)的復(fù)雜信號(hào)（如爆破振動(dòng)信號(hào)）分解成有限個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF），然后對(duì)IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換，從而得到能量分布譜圖。

研究人員針對(duì)應(yīng)用HHT變化法分析爆破振動(dòng)信號(hào)的效果進(jìn)行了一些探索，例如張智宇等［6］為分析斷層對(duì)爆破地震波傳播規(guī)律的影響，運(yùn)用HHT將分量變換得到的HHT三維譜、能量分布圖、邊際譜及瞬時(shí)能量圖加以分析判斷，使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)EMD進(jìn)行不同頻段的信號(hào)分解，首先分解高頻段再過(guò)渡到低頻段，直到最后殘余分量。張義平［5］研究地下淺孔爆破振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)用基于HHT法和EMD法分解信號(hào)的峰值振速、頻率和振幅，根據(jù)分解的結(jié)果和特征分析爆破振動(dòng)強(qiáng)度及最大荷載區(qū)域，以及建（構(gòu)）筑物在爆破作業(yè)下，對(duì)爆破振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，取得了良好的效果。劉建偉等［7］運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)爆破現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，采集爆破振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z 3個(gè)方向的爆破信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)EMD能量熵求得信號(hào)主能量分量，確定主能量頻帶，從而提出相應(yīng)的安全措施，更好地保障爆破區(qū)域的振動(dòng)安全，控制爆破振動(dòng)的危害。李建軍［8］為控制爆破振動(dòng)危害，采用HHT分析法對(duì)爆破區(qū)域附近的既有鐵路接觸網(wǎng)鐵塔基礎(chǔ)處產(chǎn)生的爆破振動(dòng)進(jìn)行處理和分析，經(jīng)過(guò)處理得到爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻譜、邊際譜和瞬時(shí)能量，這些分析結(jié)果能夠改善爆破效果，控制爆破振動(dòng)危害，同時(shí)可為類似的爆破施工提供參考數(shù)據(jù)。

采用基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間，是將微差爆破振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)EMD分解成若干的IMF分量，然后求解IMF主成分分量的包絡(luò)圖，根據(jù)包絡(luò)特征識(shí)別實(shí)際延期時(shí)間。該方法具有完全的自適應(yīng)性，不同于小波變換和傅里葉變換，HHT能夠產(chǎn)生自適應(yīng)基，克服了小波變換需要工程技術(shù)人員自主選擇合適的小波基的缺點(diǎn)，避免了主觀選擇對(duì)分析結(jié)果的影響。該方法不受海森伯格測(cè)不準(zhǔn)原理的制約［9］，而小波變換分析法會(huì)受到海森伯格測(cè)不準(zhǔn)原理的制約［10］，時(shí)間窗口和頻率窗口的積必須小于1/2，即無(wú)法同時(shí)提高時(shí)間精度和頻率精度，只能為了提高時(shí)間精度而降低頻率精度，或者為了提高頻率精度而降低時(shí)間精度，從而給信號(hào)分析帶來(lái)不便。此外，采用基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法求出的瞬時(shí)頻率具有局部性，并且能夠精確地繪制時(shí)間—頻率—幅值三維圖；而采用小波變換等方法得到的瞬時(shí)頻率是區(qū)域性或全局性的，無(wú)法真實(shí)地反映瞬時(shí)頻率的特征。顯然，采用基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）在識(shí)別實(shí)際延期時(shí)間方面更加高效。

綜上所述，與小波變換相比，采用基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間，具有自適應(yīng)性，不需要技術(shù)人員選取基函數(shù)，避免了主觀因素的影響，因此更加高效。

2 基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）在實(shí)際工程中的應(yīng)用

某礦業(yè)公司采石場(chǎng)，礦區(qū)產(chǎn)出的巖石為灰?guī)r，為泥晶結(jié)構(gòu)，上覆剝離層厚度較薄。該爆破作業(yè)項(xiàng)目爆區(qū)南側(cè)約50 m范圍內(nèi)有房屋和鐵皮棚，東南側(cè)約300 m為水泥廠破碎站；西側(cè)約280 m有高速公路經(jīng)過(guò)（礦區(qū)西側(cè)距高速310 m范圍設(shè)置為禁采區(qū)）；東北側(cè)約380 m為村莊；礦區(qū)約400 m范圍外有一條110 kV的高壓線，從北向西再轉(zhuǎn)向東進(jìn)入水泥廠（水泥廠專用線路）；其他方向300 m范圍內(nèi)無(wú)民房及其他重要設(shè)施。采場(chǎng)范圍周邊環(huán)境復(fù)雜，有高速、村莊、高壓線、水泥廠等設(shè)施，需要嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)危害。采用微差爆破進(jìn)行開(kāi)采，需要合理設(shè)計(jì)微差時(shí)間，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，進(jìn)而改善爆破效果。

為探索最佳的減振微差時(shí)間，首先需要準(zhǔn)確識(shí)別微差爆破延期時(shí)間。為監(jiān)測(cè)基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法識(shí)別微差爆破延期時(shí)間的效果，工程技術(shù)人員在該采石場(chǎng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

爆破試驗(yàn)采用與實(shí)際生產(chǎn)爆破相同的炮孔孔徑和炸藥，爆破網(wǎng)絡(luò)也是相同的。根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合石場(chǎng)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)條件，深孔爆破鉆孔孔徑為d=140 mm。采用梅花形布孔，垂直鉆孔方式鉆鑿炮孔。φ140 mm的炮孔使用φ110 mm的乳化炸藥，起爆藥包使用乳化炸藥制作。裝藥結(jié)構(gòu)采用連續(xù)裝藥，每個(gè)炮孔使用2個(gè)起爆藥包，分別置于炮孔底部約1/4處和炮孔上部3/4裝藥處。

炮孔裝藥前，必須對(duì)炮孔參數(shù)進(jìn)行檢查驗(yàn)收，測(cè)量炮孔位置、炮孔深度是否符合設(shè)計(jì)要求，否則不能裝藥。若炮孔過(guò)深則應(yīng)用巖粉等填塞物填塞至符合設(shè)計(jì)深度；若炮孔中間被碎石堵塞，可采用炮棍掏搗穿通；若炮孔中有水，應(yīng)用壓縮氣體或吸水物等將水排凈。裝藥后，炮孔未裝藥部分應(yīng)用填塞物進(jìn)行填塞，采用黏土和巖粉作為充填材料，按1∶3的配比混合而成，其含水量約20%。要求用炮棍適當(dāng)加壓搗實(shí)，要全部連續(xù)填塞。

采用電子雷管爆破技術(shù)。針對(duì)深孔，裝填至少1個(gè)電子雷管，孔內(nèi)各電子雷管通過(guò)爆破腳線并聯(lián)的形式連接，最后通過(guò)專用的電子雷管起爆器進(jìn)行起爆。為提高破碎效果，減少振動(dòng)和對(duì)附近村莊或高壓輸電線路的影響，可采用逐孔起爆方式。逐孔微差爆破的延期時(shí)間統(tǒng)一設(shè)置為3 ms，采用單排，布設(shè)6個(gè)炮孔。

電子雷管網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使用專用的起爆器起爆，使用專用起爆器前應(yīng)進(jìn)行全面檢查。裝藥前應(yīng)使用專用儀器檢測(cè)電子雷管，并進(jìn)行注冊(cè)和編號(hào)。應(yīng)按說(shuō)明書(shū)要求連接子網(wǎng)絡(luò)，雷管數(shù)量應(yīng)小于子起爆器規(guī)定的數(shù)量；子網(wǎng)絡(luò)連接后應(yīng)使用專用設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)；按說(shuō)明書(shū)要求，將全部子網(wǎng)絡(luò)連接成主網(wǎng)絡(luò)，并使用專用設(shè)備檢測(cè)主網(wǎng)絡(luò)。

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用低頻型TC4850型測(cè)振儀，各傳感器的X方向指向爆心，傳感器布置在邊坡堅(jiān)硬的巖體上，用石膏黏連，形成剛性連接。對(duì)爆破監(jiān)測(cè)得到的振動(dòng)信號(hào)，使用MATLAB軟件進(jìn)行HHT分析。波形分析以某年8月23日1號(hào)機(jī)X方向的測(cè)震數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明。首先，對(duì)實(shí)測(cè)波形進(jìn)行EMD分解，使用MATLAB軟件的EMD程序包實(shí)現(xiàn)分解，得到原始波形圖和分解后的IMF波形圖。通過(guò)對(duì)各個(gè)IMF分量和原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析，得到了構(gòu)成爆破振動(dòng)信號(hào)的主要組成成分和具有較大的振動(dòng)幅值IMF分量。通過(guò)繪制原始爆破振動(dòng)信號(hào)能量譜得到了爆破振動(dòng)信號(hào)能量隨瞬時(shí)頻率、時(shí)間的變化關(guān)系。選取具有代表性的IMF分量繪制包絡(luò)圖，然后進(jìn)行識(shí)別和分析，從而根據(jù)包絡(luò)特征分析得出實(shí)際的延期時(shí)間。

分解后的IMF分量中，IMF4～I(xiàn)MF7為主成分IMF分量，對(duì)主成分IFM4分量進(jìn)行分析，得到包絡(luò)圖，可從包絡(luò)圖中觀察到明顯的突峰，這些突峰即微差爆破的起爆時(shí)刻（從-200 ms開(kāi)始記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)）。通過(guò)觀察和記錄獲得識(shí)別的時(shí)間間隔（見(jiàn)表1）。與實(shí)際設(shè)計(jì)的延期時(shí)間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，識(shí)別的平均誤差為8.46%，識(shí)別的延期時(shí)間精準(zhǔn)可靠。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析小波變換法和基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法的特點(diǎn)，以及基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間在實(shí)際工程中的運(yùn)用，可以得出以下結(jié)論。

（1）采用小波變換識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間，小波基函數(shù)的選取決定了識(shí)別的精度和效果，受工程技術(shù)人員的主觀因素影響較大。

（2）基于HHT的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間，具有自適應(yīng)和高效性。

（3）實(shí)踐表明，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）識(shí)別微差爆破實(shí)際延期時(shí)間，誤差控制在10%以內(nèi)，對(duì)后續(xù)的微差時(shí)間優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

4 參考文獻(xiàn)

［1］宋光明，曾新吾，陳壽如，等.基于波形預(yù)測(cè)小波包分析模型的降振微差時(shí)間選擇［J］.爆炸與沖擊，2003（2）：163-168.

［2］張耀平，曹平，高賽紅.爆破振動(dòng)信號(hào)的小波包分解及各頻段的能量分布特征［J］.金屬礦山，2007（11）：42-47.

［3］劉志芳，張光雄，楊軍，等.小波分析在別礦爆破振動(dòng)測(cè)試中的應(yīng)用研究［J］.工程爆破，2013，19（4）：10-13，41.

［4］劉敦文，粟闖，龔運(yùn)高.一種基于爆破振動(dòng)信號(hào)小波分析的爆破危害評(píng)判新方法［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，41（4）：1574-1577.

［5］張義平.爆破震動(dòng)信號(hào)的HHT分析與應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.

［6］張智宇，張智，黃永輝，等.基于HHT頻譜分析研究斷層對(duì)爆破地震波傳播的影響［J］.有色金屬（礦山部分），2021，73（4）：138-144.

［7］劉建偉，魯超，何文超.某金礦深孔爆破振動(dòng)信號(hào)EMD分析及安全評(píng)估［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2021，37（4）：152-157.

［8］李建軍.基于HHT方法的巖墻淺孔爆破振動(dòng)信號(hào)分析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2021（4）：18-22.

［9］錢(qián)守一.HHT在爆破振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

［10］陳增輝.微差爆破實(shí)際延期時(shí)間識(shí)別方法研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2018.