一种基于实测高频振动爆破振动信号的起爆网路质量评价方法

摘要

本发明公开了一种基于实测高频振动爆破振动信号的起爆网路质量评价方法。通过特定的信号处理与分离技术，提取实测振动信号中反映各微差段爆轰冲击作用的高频振动信息，以消除炮孔堵塞质量、岩体结构面、不同岩体组成等对爆炸应力波的反射、折射过程产生低频振动信号的影响。本发明方法利用爆破振动监测设备采集爆破振动信号，通过特定的信号处理与分离技术，提取实测振动信号中反映各微差段爆轰冲击作用的高频振动信息来实现对起爆网路质量的评价，可有效避免重段、串段等起爆事故，对起爆网路安全起爆具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及起爆网路质量评价方法，具体地说是一种基于实测高频振动爆破振动信号的起爆网路质量评价方法，适用于水利水电、交通、矿山等岩体开挖工程采用钻爆法开挖时的起爆网路质量评价。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，对能源的需求也越来越大，相关的大型岩体开挖工程越来越多，如西南地区水电站大型地下洞室群和高陡边坡的开挖、数千米深的矿山开采、核废料和石油地下储存库的建设等。钻孔爆破技术得到广泛应用，同时带来了巨大的经济效益和社会效益，在未来几十年内，工程爆破技术仍将在岩体工程施工方法中发挥优势，并占据主导地位。采用钻爆法开挖时，为了严格控制爆破破碎块度和爆破振动强度多采用毫秒微差延时起爆网路。因此，起爆网路对爆破质量的优劣至关重要，有必要对起爆网路的质量进行评价。

根据《水电水利工程爆破施工技术规范》（DL/5135-2013）中规定延时爆破时不得出现重段、串段；应控制起爆网路时差，确保爆破网路全部安全起爆。通常情况下，直接利用实测爆破振动波形获得每一微差段的实际延时来评价起爆网路的质量。然而，大多数实测爆破振动波形由于炮孔堵塞质量、岩体结构面、不同岩体组成等对爆炸应力波的反射、折射过程产生低频振动信号的影响难以直接识别每一微差段的实际延时，从而无法正确评价起爆网路的质量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于实测高频振动爆破振动信号的能够快速、适用、准确评价起爆网路质量的方法。

本发明的原理在于：钻孔爆破条件下，伴随着炸药爆轰、冲击作用，爆炸应力波会使岩体开裂破碎及形成新的开挖自由面，并且诱发岩体振动。根据爆炸荷载过程曲线，由于爆炸荷载上升时间短，荷载变化梯度大，主要诱发岩体产生高频振动。因此，通过特定的信号处理与分离技术，提取实测振动信号中反映各微差段爆轰冲击作用的高频振动信息，可以消除炮孔堵塞质量、岩体结构面、不同岩体组成等对爆炸应力波的反射、折射过程产生低频振动信号的影响，实现对起爆网路质量的正确评价。

本发明一种基于实测高频振动爆破振动信号的起爆网路质量评价方法，包括如下步骤：

步骤一，在爆破钻孔、装药和联网完成后，在爆心距30m范围内的邻洞边墙或爆心距10m～50m范围内的本洞底板或边墙上布置孔内液压测杆传感器；

步骤二，爆破过程中利用爆破振动监测仪采集孔内液压测杆传感器的爆破振动信号并记录爆破过程的振动波形；

步骤三，对步骤二记录的振动波形进行频谱分析，并分离出数个高频振动波形，频带范围尽量接近数字信号采样频率的1/2；

步骤四，对步骤三分离出的高频振动波形采用时-能密度能量分析方法，准确识别每一微差段的实际延时；

步骤五，将爆破网路各微差段的实际延时与设计延时进行对比，进行起爆网路质量的评价。

所述孔内液压测杆传感器，包括振动传感器、活塞、弹簧、刚性底座和刚性支座，所述振动传感器的底部与活塞相连，继而活塞另一侧与弹簧相连，弹簧另一端与刚性底座相连；活塞套筒底部设置有刚性支座，刚性支座内部中空，设有进气通道并与活塞套筒相连通。

所述孔内液压测杆传感器设置在隧洞的边墙或底板上2～3m孔深处，用于避开爆破损伤区从而准确监测到爆破振动信号。

所述步骤三具体为通过对记录的振动波形进行频谱分析，根据振动信号在不同频带上的分布特征，应用数字信号处理的滤波方法，分离出高频振动波形。

所述步骤五具体为将每一微差段的实际延时与设计延时进行对比，判别是否有重段、串段，从而实现起爆网路质量的评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、利用特制的孔内液压测杆传感器进行爆破振动信号的采集，可以采集到真实的爆破振动信号；

2、利用特殊的爆破振动传感器布置方案，可以有效减少低频振动信号的干扰，并且各测点实测爆破振动信号可以相互校正；

3、利用爆破开挖过程中，高频振动主要由爆炸荷载所引起的特点，用高频振动的实际延时来判别是否有重段、串段，从而进行爆破网路质量的准确评价，对控制起爆网路时差，确保爆破网路全部安全起爆具有重要意义。

4、高频振动信号的分离，采用实测爆破振动信号的频谱分析，根据振动信号在不同频带上的分布特征，获得高频振动频带范围，利用数字信号处理中的数字滤波方法，在Matlab上编程实现高频振动信号的分离，具有快速、适用、操作简单的优点。

5、高频振动信号的时-能密度能量分析方法，在Matlab上编程可以得到高频振动信号的时-能密度曲线，准确识别每一微差段的实际延时，然后通过将每一微差段的实际延时与设计延时进行对比，判别是否有重段、串段现象，从而评价起爆网路的质量，具有方法理论新颖、操作简单的优点。

附图说明

图1为孔内液压测杆传感器的结构示意图。

图2为孔内液压测杆传感器的布置示意图。

图3为仪器观测系统示意图。

图4为实测爆破振动波形示意图。

图5为实测爆破振动功率谱示意图。

图6为实测爆破振动高频振动波形示意图。

图7为实测爆破振动高频振动时能密度曲线示意图。

图8为本发明方法的流程图。

图中，1-振动传感器，2-活塞，3-弹簧，4-刚性底座，5-刚性支座，6-进气通道。具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明作进一步说明。

本发明利用爆破开挖过程中，高频振动主要由爆炸荷载所引起的特点，通过特定的信号处理与分离技术，提取实测振动信号中反映各微差段爆轰冲击作用的高频振动信息，以消除炮孔堵塞质量、岩体结构面、不同岩体组成等对爆炸应力波的反射、折射过程产生低频振动信号的影响，然后利用高频振动的时-能密度信息，准确识别每一微差段的实际延时，从而正确评价起爆网路的质量。

如图1-图8所示，一种基于实测高频振动爆破振动信号的起爆网路质量评价方法，包括以下步骤：

首先，在爆破钻孔、装药和联网完成后，在爆心距30m范围内的邻洞边墙或爆心距10m～50m范围内的本洞底板或边墙上布置孔内液压测杆传感器（如图1、图2所示）；并利用爆破振动监测仪采集爆破振动信号并记录爆破过程的振动波形。所述孔内液压测杆传感器，包括振动传感器1、活塞2、弹簧3、刚性底座4和刚性支座5，所述振动传感器1的底部与活塞2相连，继而活塞2另一侧与弹簧3相连，弹簧3另一端与刚性底座4相连；活塞套筒底部设置有刚性支座5，刚性支座5内部中空，设有进气通道6并与活塞套筒相连通。

所述孔内液压测杆传感器设置在隧洞的边墙或底板上2～3m孔深处，用于避开爆破损伤区从而准确监测到爆破振动信号。

孔内液压测杆传感器的工作原理如下：首先将振动传感器与活塞相粘连，并使振动传感器贴在孔壁岩体上；通过进气通道通入适当压强的气体推动活塞使振动传感器紧紧贴在孔壁岩体上；在采集爆破振动信号过程中，弹簧会伴随活塞一起振动，始终使振动传感器紧紧贴在孔壁岩体上，使采集到的振动信号不受安装松动等因素的影响。

然后，利用Matlab中傅立叶变换工具箱函数, 通过比较简单的编程将实测爆破振动信号进行频谱分析直接完成从时域到频域的转化，采用功率谱的能量分析方法，得到实测爆破振动信号在不同频带上的分布特征。

然后，通过分析实测爆破振动信号在不同频带上的分布特征，得到高频振动成分所在频带范围。并利用数字信号处理中的数字滤波方法，通分离高频振动频带的振动波形，并使频带范围尽量接近数字信号采样频率1/2。

然后，利用时-能密度能量分析方法有反映信号能量突变的特征，将每一微差段的爆炸能量看作一个能量源，每一微差段的炸药爆炸能量输入必将引起系统能量的突变，根据时-能密度曲线中出现的突变可以准确识别每一微差段的实际起爆延时。利用Matlab中小波变换工具箱函数，通过比较简单的的编程求出分离得到的高频振动频带的振动波形的时-能密度曲线，采用时-能密度能量分析方法，准确识别每一微差段的实际延时。

最后，将得到的高频振动波形的每一微差段的实际延时与设计延时进行对比，判别是否有重段、串段等发生，从而实现爆破网路质量的评价和控制起爆网路时差，确保爆破网路全部安全起爆。

下面结合某深部地下工程钻爆开挖为例进一步说明本发明。

爆破设计：中导洞开挖断面为8m×8m,尾水隧洞中导洞开挖使用手风钻钻孔，炸药采用2＃岩石乳化炸药，起爆器材以塑料导爆毫秒延期雷管为主，形成微差起爆网路，雷管跳段使用。中导洞开挖采用楔形掏槽；崩落孔孔距80～100cm，采用Φ32药卷连续装药；顶拱光爆孔孔距50cm，采用Φ25药卷不耦合装药。

测点布置：在爆破钻孔、装药和联网完成后，在爆心距30m范围内的邻洞边墙或本洞10m～50m爆心距范围内的隧洞底板或边墙上布置爆破振动传感器。在尾水洞的爆破振动观测过程中，根据现场情况，测点主要布置在隧洞边墙及底板上也或有布置在相邻另一条尾水洞的边墙上。边墙测点按垂直壁面和水平向布置传感器，底板测点按竖直向和水平向布置传感器。相邻尾水洞的测点按竖直向和正对爆源水平方向布置传感器。具体测点布置见图2。

仪器观测系统：爆破振动观测的物理量为质点振动速度。现场观测采用的仪器系统如图3所示，这是一套先进的数字化纪录、存储系统，其核心为TOPBOX－508振动信号自记仪。在具体监测过程中，同一测点一般分为竖直向和水平向布置传感器，传感器用特制的孔内液压布置测杆方式固定在所需监测的部位，然后将自记仪与其相联。爆破振动传递到测点时，自记仪自动记录信号。爆后利用专门编制的爆破振动分析软件(TOPVIEW2000)将自记仪采集到的振动信号输入电脑中，进行分析和存储处理。

限于篇幅，仅结合其中一个振动波形说明本发明实施过程，图4给出了1#测点振动监测仪记录的水平向的实测围岩振动波形。由于各微差段之间存在低频振动的干扰，无法直接从波形上判断是否有重段、串段发生，即无法直接判断爆破网路质量，下面采用本发明处理办法。

利用Matlab中傅立叶变换工具箱函数, 通过比较简单的编程将实测爆破振动信号进行频谱分析直接完成从时域到频域的转化，图5给出了1#测点水平向的实测围岩振动的功率谱。根据1#测点水平向的实测围岩振动功率谱，可以得到此次爆破的主频334Hz，高频振动频带200～450Hz。采用数字信号处理系统的数字滤波方法，分离出高频振动的波形，见图6。各微差段间的低频振动干扰被消除。

利用时-能密度能量分析方法有反映信号能量突变的特征，将每一微差段的爆炸能量看作一个能量源，每一微差段的炸药爆炸能量输入必将引起系统能量的突变，根据时-能密度曲线中出现的突变可以准确识别每一微差段的实际起爆延时。利用Matlab中小波变换工具箱函数，通过比较简单的编程得到分离出的高频振动波形的时能密度曲线，见图7。并采用时-能密度能量分析方法，准确识别每一微差段的实际延时。根据时-能密度能量分析方法准确识别得到的每一微差段的实际延时和设计延时，可以判断是否有重段、串段，从而评价爆破网路的整体质量。