露天开采爆破振动信号分析与边坡效应研究

摘要

露天爆破开采技术作为一种重要的能源开采方式，在我国煤炭资源开采方式中占有较大比重。爆破最主要的方法是台阶爆破，台阶爆破凭借着施工简便、大块率和根底少，被广泛应用在露天开采中，但爆破产生的地震效应、飞石、噪声等问题会对周边建（构）筑物、人员和设备造成危害。特别是我国许多矿井服务年限较长，随着开采深度的增加，矿井经过不断的改建、扩建，接近40％的露天矿井存在边坡安全隐患问题，产生的边坡效应一直是国内外学者的重要研究课题，所以探讨爆破地震效应的控制，建立高效、安全的生产的环境对工程实践有着重要意义。
　　目前，对于爆破振动效应的研究主要是通过对爆破信号的监测与分析为主，爆破信号作为一种复杂的典型非稳态、非线性信号，具有突变速度快、持续时间短等特性。对于爆破振动信号的分析技术，现在主要有傅里叶变换、小波与小波包分析技术和HHT分析方法，傅里叶变换（Fourier变换）是最基本的信号分析技术，在稳态、线性信号分析领域有着较为广泛的应用；小波与小波包分析技术目前发展较为成熟，对非稳态信号时频变换分析具有明显的优势，但其基础仍是 Fourier变换，所以具有较为明显的局限性；HHT分析方法是一种全新的分析方法，不仅能够刻画出信号局部时频特征，还能够进一步分析其局部上的能量变化，具有很好的应用前景。此外，边坡产生的放大效应一直是研究的重点，而对于建（构）筑物的安全评判要从振动速度、振动频率与能量多个方面综合进行评价。
　　本文结合HHT理论，采用MATLAB软件对山煤河曲露天采场台阶爆破振动信号进行了多方面的分析研究：（1）对信号进行 EMD分解后得到的 IMF分量能够很好的看出不同频率深孔台阶爆破的主振频率大约在10~15Hz，与自然地震频率更为接近，Hilbert谱能够很好的对信号时-频域上的能量幅值进行刻画；（2）对频率采用最小二乘法进行拟合分析，并对主频对不同频率的建（构）筑物造成的放大系数进行了计算分析，结果得出随着测点距爆源距离的增加，频率整体呈现低频化趋势，并且在岩石介质上测得的主频要比泥土介质高，当主频与建筑物频率相近时产生的放大作用较为明显；（3）将信号瞬时能量分别与速度、频率进行拟合分析，并对不同频带所占能量进行了计算，对其衰减规律进行了研究；（4）基于HHT分析的EMD识别法和瞬时能量识别法对微差爆破中的延时间隔进行了识别，表明瞬时能量识别法能够更好的识别雷管的加载时刻，从而对参数优化更具有参考意义。
　　针对爆破振动的边坡效应，对高程效应的原理进行了分析研究，主要是鞭梢效应、界面群效应和坡面效应共同导致的结果，对所测得的66组数据运用MATLAB进行了拟合分析，得出了传统萨道夫斯基经验公式，并在此基础上引用了量纲法得出的有高程参数的改进公式，并对两个公式进行了误差分析，结果表明改进公式能够更好的反映高程的放大效应；对高程效应引入新的参数高程放大系数，结合所测数据进行分析对比，表明高程在25~60m，水平距离在200~400m高程效应较为明显。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 爆破振动安全判据研究

1.4 本文研究内容与方法

第二章 爆破振动信号分析技术

2.1 傅里叶分析技术

2.2 小波及小波包分析技术

2.3 HHT分析技术

2.4 本章小结

第三章 爆破振动信号监测

3.1 工程概况

3.2 爆破振动信号测点布置与采集

3.3 本章小结

第四章 露天台阶爆破振动信号分析的工程应用

4.1 工程概述

4.2 基于HHT分析方法的爆破振动信号特征刻画

4.3 爆破振动信号频率变化特征分析

4.4 基于HHT的爆破振动信号能量分析

4.5 基于HHT方法的微差爆破延时间隔识别

4.6 本章小结

第五章 爆破振速预测与高程效应研究

5.1 爆破振动经验公式

5.2 高程效应机理研究

5.3 振速回归分析

5.4 振速相对误差分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

附录:攻读硕士期间发表论文和参加的科研项目