露天矿爆破时砖混结构房屋振动响应的模态参数识别与爆破减振方法

ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣８３５２.２０２１.０４.０１０
露天矿爆破时砖混结构房屋振动响应的模态参数识别与爆破减振方法
❋
张国胜①㊀郭㊀斌①㊀刘永亮②㊀张云鹏②㊀杨㊀曦②
①河北钢铁集团矿业有限公司(河北唐山ꎬ０６３０００)
②华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室(河北唐山ꎬ０６３０００)
[摘㊀要]㊀为确保矿区周围房屋安全ꎬ采集矿区周围单层砖混结构房屋的爆破振动信号ꎬ根据运筹模态分析(ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓꎬＯＭＡ)相关理论ꎬ运用希尔伯特黄变换(ＨｉｌｂｅｒｔＨｕａｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍꎬＨＨＴ)和小波包分解的方法对爆破地震波信号进行了分析ꎮ确定了单层砖混结构房屋地基与墙壁爆破振动信号的各阶固有频率ꎬ得到了不同振动方向各阶的固有模态函数(ｉｎｔｒｉｎｓｉｃｍｏｄｅｆｕｎｃｔｉｏｎꎬＩＭＦ)贡献率ꎮ结果表明:地基与墙壁的ＩＭＦ贡献率存在明显差异ꎻ地基高频序列ＩＭＦ贡献率较高ꎬ墙壁的低频序列ＩＭＦ贡献率较高ꎮ对墙壁测点数据进行分析可知:随着墙壁高度的增加ꎬ低频段ꎬ低频能量逐渐减小ꎻ高频段ꎬ高频能量逐渐增加ꎮ改变装药结构与间隔起爆时间ꎬ可使爆破地震波出现峰谷叠加现象ꎬ从而减小爆破振动效应ꎬ降低质点的振速ꎮ
[关键词]㊀单层砖混结构房屋ꎻ爆破振动信号ꎻ模态参数识别ꎻ小波包分解ꎻ爆破减振[分类号]㊀ＴＤ２３５
ＭｏｄａｌＰａｒａｍｅｔｅｒＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＢｒｉｃｋ￣ＣｏｎｃｒｅｔｅＢｕｉｌｄｉｎｇａｎｄＢｌａｓｔｉｎｇＶｉｂｒａｔｉｏｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇＢｌａｓｔｉｎｇｉｎＯｐｅｎＰｉｔＭｉｎｅ
ＺＨＡＮＧＧｕｏｓｈｅｎｇ①ꎬＧＵＯＢｉｎ①ꎬＬＩＵＹｏｎｇｌｉａｎｇ②ꎬＺＨＡＮＧＹｕｎｐｅｎｇ②ꎬＹＡＮＧＸｉ②
①ＨｅｂｅｉＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＧｒｏｕｐＭｉｎｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.(ＨｅｉｂｅｉＴａｎｇｓｈａｎꎬ０６３０００)
②ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅꎬ
ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＨｅｂｅｉＴａｎｇｓｈａｎꎬ０６３０００)[ＡＢＳＴＲＡＣＴ]㊀
Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｍｉｎｉｎｇａｒｅａꎬｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｏｆｓｉｎｇｌｅ￣ｌａｙｅｒｂｒｉｃｋ￣ｃｏｎｃｒｅｔｅｈｏｕｓｅｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｍｉｎｉｎｇａｒｅａｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄꎬａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｔｈｅｏｒｙｏｆＯＭＡ(ｏｐｅｒａｔｉｏｎ￣
ａｌｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ)ꎬｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｌａｓｔｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙＨＨＴ(ＨｉｌｂｅｒｔＨｕａｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍ)ａｎｄｗａｖｅｌｅｔｐａｃｋｅｔｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ.Ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｗａｌｌｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅ￣ｌａｙｅｒｂｒｉｃｋ￣ｃｏｎｃｒｅｔｅｈｏｕｓｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄꎬａｎｄＩＭＦｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｆｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｓｔａｇｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ.ＲｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＩＭＦｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈａｔｏｆｔｈｅｗａｌｌａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔ.ＩＭＦｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｂｌａｓｔｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｓｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｓｈｉｇｈꎬｂｕｔＩＭＦｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｌｏｗ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｂｌａｓｔｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｓｏｎｔｈｅｗａｌｌｉｓｈｉｇｈ.Ｄａｔａｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅｗａｌｌｓｈｏｗｔｈａｔꎬａｓｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｗａｌｌｉｎｃｒｅａｓｅｓꎬｔｈｅｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｎｅｒｇｙｇｒａｄｕａｌ￣ｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｉｎｔｈｅｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄꎬｗｈｉｌｅｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｎｅｒｇｙｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｎｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄ.Ｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｃｈａｒｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｎｔｅｒｖａｌｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｔｉｍｅꎬｐｅａｋ￣ｖａｌｌｅｙｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｓｃｏｕｌｄａｐｐｅａｒꎬｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄꎬａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｕｌｄａｌｓｏｂｅｒｅｄｕｃｅｄ.[ＫＥＹＷＯＲＤＳ]㊀ｓｉｎｇｌｅ￣ｌａｙｅｒｂｒｉｃｋ￣ｃｏｎｃｒｅｔｅｂｕｉｌｄｉｎｇꎻｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌꎻｍｏｄａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎꎻｗａｖｅｌｅｔ
ｐａｃｋｅｔｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎꎻｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
第５０卷㊀第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.５０㊀Ｎｏ.４㊀２０２１年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ａｕｇ.２０２１
❋收稿日期:２０２０￣１０￣１３
基金项目:河北省自然科学基金(Ｅ２０１６２０９３８８)
第一作者:张国胜(１９６５－)ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事爆破振动传播规律的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:１６３７７９８９６５＠ｑｑ.ｃｏｍ通信作者:郭斌(１９８４－)ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事爆破振动传播规律的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｉｍｏｙａｎｇｘｉ＠１６３.ｃｏｍ
引言
近些年来ꎬ随着矿山行业的发展ꎬ矿石开采过程
中的爆破振动对周围环境的影响也逐渐被社会关
注ꎮ尤其是爆破过程中产生的爆破地震波ꎬ会引起
矿山周围建筑物的振动ꎬ如果其强度超过一定阈值ꎬ
就会造成矿山周围建筑物不同程度的破坏[１￣３]ꎮ对爆破地震波产生的振动效应进行系统研究的工作一
直在进行ꎬ研究对象众多[４￣８]ꎮ但是ꎬ矿区周围村镇较多ꎬ建筑主体多以单层砖混结构房屋为主ꎬ而目前针对单层砖混结构房屋地基与墙壁振动响应的研究还相对较少ꎬ急需开展相应的研究ꎮ
爆破振动信号为非常典型的非平稳信号[９]ꎮ朱权洁等[１０]充分利用小波包技术ꎬ分析了矿山生产产生的爆破信号ꎬ并与岩石破裂产生的信号进行了对比ꎬ确定了其各自的能量频带分布特征ꎮ龚敏等[１１]对隧道开采过程中的爆破振动信号进行了采集ꎬ运用希尔伯特黄变换(ＨｉｌｂｅｒｔＨｕａｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍꎬＨＨＴ)和经验模态分解(ｅｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉ￣ｔｉｏｎꎬＥＭＤ)对不同雷管延期时间的瞬时能量进行了分析ꎮ赵国彦等[１２]采用频率切片小波变换(ｆｒｅ￣ｑｕｅｎｃｙｓｌｉｃｅｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍꎬＦＳＷＴ)对岩体微振和爆破振动信号在不同频域的能量比例进行了研究ꎮＴｒｉｖｉñｏ等[１３]对不同爆破条件下的爆破地震波进行分析ꎬ确定了其能量和频率的变化规律ꎮ
针对矿区周边的单层砖混结构房屋的地基与墙
壁ꎬ根据运筹模态分析(ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓꎬＯＭＡ)理论ꎬ对采集到的爆破地震波信号ꎬ运用ＨＨＴ和小波包分解的方法ꎬ获取其模态参数ꎬ分析爆破地震波不同频段的贡献率ꎬ并确定其频域能量特征ꎮ提出了爆破减振方法ꎬ并进行了数值模拟验证ꎮ１㊀工程概况与监测方法
某矿露天生产爆破时ꎬ对采场附近单层砖混结构房屋进行监测ꎬ获取振动响应信号数据ꎮ监测点距离爆区８２０ｍꎮ
露天生产爆破采用逐孔起爆技术ꎮ台阶高度１４.０~１５.５ｍꎻ炮孔直径３１０ｍｍꎻ孔深１６.０~１７.５ｍ(超深２.０ｍꎬ填塞长度７.０~７.５ｍ)ꎻ矿石孔网参数(７~８)ｍˑ(６~７)ｍꎻ岩石孔网参数(５~９)ｍˑ(４~８)ｍꎻ使用的炸药为铵油㊁乳化炸药ꎻ矿石炸药单耗为０.４５~１.００ｋｇ/ｍ３ꎻ岩石炸药单耗为０.４０~０.４５ｋｇ/ｍ３ꎮ
使用中科院ＴＣ￣４８５０型爆破测振仪ꎬ主要监测单层砖混结构房屋的墙壁与地基的爆破振动情况ꎮ地基测点为Ｂ６ꎮ墙壁各测点分别为Ｂ２㊁Ｂ３和Ｂ４ꎬ各个测点之间的距离为８０ｃｍꎬ如图１所示ꎮ
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
㊀
图１㊀墙壁测点(单位:ｃｍ)
Ｆｉｇ.１㊀Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅｗａｌｌ(ｕｎｉｔ:ｃｍ)
２㊀爆破振动信号分析
２.１㊀爆破振动影响下地基模态参数计算
根据现场爆破振动监测结果ꎬ得到房屋地基Ｘ㊁Ｙ㊁Ｚ３个方向的振速时程信号ꎮ分别对这３个方向的振速时程信号进行ＥＭＤ处理ꎬ就可以得到不同的数据序列ꎬ每个序列称为固有模态函数(ｉｎｓｔｒｉｎｓｉｃｍｏｄｅｆｕｎｃｔｉｏｎꎬＩＭＦ)ꎬ然后分别对ＩＭＦ进行ＨＨＴ处理ꎬ得到相应信号在１１阶固有模态下的分解信号ꎮ以地基在Ｙ方向的爆破振动信号为例ꎬ结果见图２ꎮ㊀㊀然后ꎬ进行方差贡献率分析ꎬ得到房屋地基Ｘ㊁Ｙ㊁Ｚ３个方向的ＩＭＦ贡献率ꎬ如图３所示ꎮ观察可知:３个方向的信号在５㊁６阶的ＩＭＦ贡献率均较高ꎻ其中ꎬ第５阶的ＩＭＦ贡献率略高ꎻ７㊁８㊁９阶次之ꎻ其他序列ＩＭＦ贡献率过低ꎬ可忽略不计ꎮ
㊀㊀对Ｙ方向各个序列的振速时程信号分别进行１０层小波包分解ꎬ得到其归一化能量谱图ꎬ分析后可得其各阶固有频率ꎬ如图４所示ꎮ由此可知ꎬ３个方向的信号在５４.６７Ｈｚ的ＩＭＦ贡献率较高ꎮ２.２㊀爆破振动影响下墙壁模态参数计算
㊀㊀在开展地基爆破振动信号监测的同时ꎬ在墙壁进行钻孔ꎬ安装膨胀螺栓ꎬ再用固定架套住探头ꎬ并将其固定在膨胀螺栓上ꎬ对墙壁各个测点也开展相应的监测工作ꎮ得到单层砖混结构房屋墙壁各个测点Ｘ㊁Ｙ㊁Ｚ３个方向的振速时程信号ꎮ分别对３个方向的振速时程信号进行ＥＭＤ处理ꎬ就可以得到相应信号在１０阶固有模态下的分解信号ꎮＢ２测点在Ｙ方向的爆破振动信号处理结果如图５所示ꎮ
５５
２０２１年８月㊀㊀㊀㊀露天矿爆破时砖混结构房屋振动响应的模态参数识别与爆破减振方法㊀张国胜ꎬ等㊀㊀㊀
㊀
图２㊀地基测点Ｙ方向爆破振动信号
的ＩＭＦ分量和剩余分量ｒ
Ｆｉｇ.２㊀ＩＭＦｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｒｏｆｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｉｎＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇ
ｐｏｉｎｔｏｎｇｒｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
㊀
㊀
图３㊀地基测点ＩＭＦ分量的贡献率
Ｆｉｇ.３㊀ＣｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒａｔｅｏｆＩＭＦｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｏｎｇｒｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
㊀
㊀
图４㊀ＩＭＦ１~ＩＭＦ１１各阶的固有频率
Ｆｉｇ.４㊀ＮａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆＩＭＦ１￣ＩＭＦ１１
㊀
图５㊀墙壁Ｂ２测点Ｙ方向的爆破振动信号
的ＩＭＦ分量和剩余分量ｒ
Ｆｉｇ.５㊀ＩＭＦｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｒ
ｏｆｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｉｎＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＭｅａｓｕｒｉｎｇ
ＰｏｉｎｔＢ２ｏｎｔｈｅｗａｌｌ
㊀㊀根据现场爆破振动监测与上述计算结果ꎬ进行
方差贡献率分析ꎬ得到单层砖混结构房屋墙壁Ｂ２
测点Ｘ㊁Ｙ㊁Ｚ３个方向的ＩＭＦ贡献率ꎬ如图６所示ꎮ
观察可知ꎬ３个方向信号的主导ＩＭＦ贡献率并不相
同ꎮＸ方向ꎬ６阶ＩＭＦ贡献率最高ꎻＹ方向ꎬ４阶ＩＭＦ
贡献率最高ꎻＺ方向ꎬ５阶ＩＭＦ贡献率最高ꎮ与地基
各阶ＩＭＦ贡献率相比ꎬ存在明显差异ꎮ这说明单层
砖混结构房屋墙壁的动力响应与地基的动力响应相 ６５ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５０卷第４期
㊀
㊀
图６㊀墙壁Ｂ２测点ＩＭＦ分量的贡献率
Ｆｉｇ.６㊀ＣｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒａｔｅｏｆＩＭＦｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｏｆＭｅａｓｕｒｉｎｇＰｏｉｎｔＢ２ｏｎｔｈｅｗａｌｌ
比ꎬ其起主导作用的振动频率并不相同ꎮ
㊀㊀对单层砖混结构房屋墙壁Ｂ２测点Ｙ方向各个序列的振速时程信号分别进行１０层小波包分解ꎬ得到其归一化能量谱图ꎬ分析后可得其各阶固有频率ꎬ如图７所示ꎮＸ方向ꎬ在２３.４３Ｈｚ的ＩＭＦ贡献率最高ꎻＹ方向ꎬ在５４.６７Ｈｚ的ＩＭＦ贡献率最高ꎻＺ方向ꎬ在２３.４３Ｈｚ的ＩＭＦ贡献率最高ꎮ
㊀
㊀
图７㊀ＩＭＦ１~ＩＭＦ１０各阶的固有频率
Ｆｉｇ.７㊀ＮａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆＩＭＦ１￣ＩＭＦ１０
２.３㊀爆破振动作用下频域能量分析
为进一步分析不同位置的频域能量变化规律ꎬ对各个测点Ｙ方向的爆破振动信号进行降噪处理后ꎬ进行ｄｂ８小波包分解ꎬ得到其归一化能量分布图ꎬ如图８所示ꎮ每个频段的大小为７.８１Ｈｚꎮ
㊀㊀观察图８可知ꎬ各个测点的能量分布主要集中７.８１~３１.２４Ｈｚ(低)㊁４６.８６~６２.４８Ｈｚ(高)两个频段范围内ꎬ其中ꎬ各个测点受高频成分影响较大ꎮ其中ꎬ低频段以１５.６２~２３.４３Ｈｚ为主ꎻ高频段以５４.６７~６２.４８Ｈｚ为主ꎮ观察Ｂ２㊁Ｂ３㊁Ｂ４测点可知:随着墙壁高度的增加ꎬ在低频段ꎬ低频能量逐渐减㊀
㊀
图８㊀地基与墙壁各测点在不同频段的归一化能量分布Ｆｉｇ.８㊀Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｏｎｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｗａｌｌ
小ꎻ在高频段ꎬ高频能量逐渐增加ꎮ
㊀㊀目前ꎬ国内多以ＧＢ６７２２ ２０１４«爆破安全规程»为依据ꎬ对爆破地震波是否对房屋安全产生不利影响进行判定ꎮ其中ꎬ采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率为主要依据ꎮ但是ꎬ从上述分析结果中可以看出:随着高度的增加ꎬ墙壁上测点高频段能量逐渐增大ꎬ并超过地基高频段的能量ꎻ低频段的能量逐渐减小ꎮ当墙壁测点高㊁低频段能量均高于地基在高㊁低频段的能量ꎬ或其总和高于地基在高㊁低频段的能量的总和ꎬ那么ꎬ只以所在地质点的振速和主频为依据ꎬ判别房屋的稳定性ꎬ可能会产生一定的误差ꎮ同时ꎬ房屋是由不同结构组成的ꎬ由于其固有频率的影响ꎬ对爆破地震波中的不同频率成分的敏感性也不相同ꎮ故不同结构对爆破地震波会产生不同的响应ꎬ并带来不同的损伤ꎬ这还需要作进一步的研究ꎮ
３㊀爆破减振技术
应用数码电子雷管可以利用合理的延期起爆时间和装药结构ꎬ使不同的爆破地震波波形峰谷叠加ꎬ进而达到减小爆破振动效应的目的ꎮ
应用Ｌｓ￣ＤＹＮＡ建立数值模型ꎬ如图９所示ꎮ模㊀㊀㊀㊀
㊀
图９㊀装药模型
Ｆｉｇ.９㊀Ｃｈａｒｇｅｍｏｄｅｌ
７５
２０２１年８月㊀㊀㊀㊀露天矿爆破时砖混结构房屋振动响应的模态参数识别与爆破减振方法㊀张国胜ꎬ等㊀㊀㊀
型长１００ｍ㊁高２４ｍꎮ模拟时间５００００μｓꎮ炸药与岩石采用的材料模型分别为Ｍａｔ＿Ｈｉｇｈ＿Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ＿Ｂｕｒｎ和Ｍａｔ＿Ｐｌａｓｔｉｃ＿Ｋｉｎｅｍａｔｉｃꎮ采用ＪＷＬ状态方程ꎮ根据矿山实际ꎬ并参考前人经验ꎬ确定状态方程参数如表１所示ꎻ岩石材料的力学参数见表２ꎮ
表１㊀状态方程参数
Ｔａｂ.１㊀Ｓｔａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
密度/(ｇ ｃｍ－３
)爆速/
(ｍ ｓ－１)
Ａ/ＧＰａＢ/ＧＰａ
Ｒ１Ｒ２ω１.０
５０００
２１４
０.１８４.２
０.８
０.１５
表２㊀岩石材料参数
Ｔａｂ.２㊀
Ｒｏｃｋｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
密度/(ｇ ｃｍ－３
)弹性模量/ＧＰａ泊松比屈服应力/ＭＰａ切线模量/ＧＰａ硬化
系数２.５４
５７
０.２７
１０６
５.５
０.５
㊀㊀提取Ａ点的爆破振速(图１０)ꎬ最大值达到１００
ｃｍ/ｓꎮ但是ꎬ如果采用如图９(ｂ)所示的间隔装药方式ꎬ通过合理控制延期起爆时间ꎬ使两个药包间隔半个周期(４００μｓ)起爆ꎬ就可以使两个药包附近位置的波形产生峰谷叠加效应(图１１)ꎬ进而达到减小爆破振动效应的目的ꎮ同时ꎬ起爆的总药量没有改变ꎬ
㊀
㊀
图１０㊀连续装药Ａ点的质点振速Ｆｉｇ.１０㊀Ｐａｒｔｉｃｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆ
ＰｏｉｎｔＡｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｈａｒｇｅ
㊀㊀
㊀
图１１㊀峰谷叠加效应Ｆｉｇ.１１㊀
Ｐｅａｋ￣ｖａｌｌｅｙｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ
但在相同距离上ꎬＢ点的质点振速峰值为９０ｃｍ/ｓ(图１２)ꎬ较原来减小了１０％ꎮ
㊀㊀
图１２㊀叠加后Ｂ点的质点振速Ｆｉｇ.１２㊀ＰａｒｔｉｃｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆＰｏｉｎｔ
Ｂａｆｔｅｒｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ
㊀㊀为进一步验证方法的可行性ꎬ建立单层砖混结构房屋数值模型(图１３)ꎮ首先ꎬ将采集到的地震波施加于模型底面ꎬ并采集房屋地表与墙壁振动数据ꎮ然后ꎬ在模型底面分区域间隔半个周期ꎬ分别施加地震波ꎬ并采集房屋地表与墙壁振动数据ꎮ结果如表
３所示ꎮ叠加后振速明显小于叠加前振速ꎬ进一步确定了模拟的准确性ꎮ
㊀
㊀
图１３㊀单层砖混结构房屋数值模型Ｆｉｇ.１３㊀Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅ￣ｌａｙｅｒ
ｂｒｉｃｋ￣ｃｏｎｃｒｅｔｅｂｕｉｌｄｉｎｇ
表３㊀叠加前、后不同位置的振速
Ｔａｂ.３㊀Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｉｎｔｓｂｅｆｏｒｅ
ａｎｄａｆｔｅｒｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｃｍ/ｓ
位置振速
叠加前叠加后地表测点０.４１０.３７墙壁测点
０.５２
０.４８
４　结论
㊀
通过对矿区周围单层砖混结构房屋爆破振动信
８５ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５０卷第４期
号的采集ꎬ根据ＯＭＡ方法相关理论ꎬ对采集到的爆破地震波信号ꎬ运用ＨＨＴ和小波包分解的方法对其进行分析ꎬ得出以下结论:
１)确定了单层砖混结构房屋地基与墙壁爆破振动信号的各阶固有频率和不同振动方向各阶的ＩＭＦ贡献率ꎬ地基与墙壁的ＩＭＦ贡献率存在明显差异ꎬ地基高频序列(５４.６７Ｈｚ)的ＩＭＦ贡献率较高ꎬ墙壁低频序列(２３.４３Ｈｚ)的ＩＭＦ贡献率较高ꎮ２)墙壁各个测点的能量分布主要集中７.８１~３１.２４Ｈｚ(低)㊁４６.８６~６２.４８Ｈｚ(高)两个频段范围内ꎬ各个测点受高频成分影响较大ꎮ其中ꎬ低频段以１５.６２~２３.４３Ｈｚ为主ꎬ高频段以５４.６７~６２.４８Ｈｚ为主ꎮ随着墙壁高度的增加ꎬ在低频段ꎬ低频能量逐渐减小ꎻ在高频段ꎬ高频能量逐渐增加ꎮ不同位置处的能量并不相同ꎮ
３)通过分段装药与半周期延时起爆ꎬ使爆破地震波出现峰谷叠加现象ꎬ可以减小爆破振动效应ꎬ降低质点振速ꎮ
参考文献
[１]㊀谢全民ꎬ黄小武ꎬ赵东华ꎬ等.地铁隧道爆破振动测试及时频特征分析[Ｊ].爆破器材ꎬ２０２０ꎬ４９(６):４８￣５３.
ＸＩＥＱＭꎬＨＵＡＮＧＸＷꎬＺＨＡＯＤＨꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ
ｔｉｍｅ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｏｆ
ｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０２０ꎬ４９(６):
４８￣５３.
[２]㊀ＳＯＬＴＹＳＡꎬＰＹＲＡＪꎬＷＩＮＺＥＲＪ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｂｌａｓｔ￣ｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｏｐｅｎ￣ｃａｓｔｍｉｎｅｓ[Ｊ].Ｊｏｕｒ￣
ｎａｌｏｆＶｉｂｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１７ꎬ１９(１):４０９￣４１８. [３]㊀田园ꎬ董英健.地下巷道在爆破振动作用下的动态响应特征研究[Ｊ].爆破器材ꎬ２０１９ꎬ４８(６):６０￣６４.
ＴＩＡＮＹꎬＤＯＮＧＹＪ.Ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ
ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｒｏａｄｗａｙｕｎｄｅｒｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎ[Ｊ].Ｅｘ￣
ｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１９ꎬ４８(６):６０￣６４. [４]㊀苏莹ꎬ吴立ꎬ彭亚雄ꎬ等.紧邻建(构)筑物水下爆破振动安全判据研究综述[Ｊ].爆破器材ꎬ２０１６ꎬ４５(３):
５５￣６１.
ＳＵＹꎬＷＵＬꎬＰＥＮＧＹＸꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｖｉｅｗｏｎ
ｓａｆｅｔｙｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｂｌａｓｔｉｎｇｎｅａｒｂｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ
[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１６ꎬ４５(３):５５￣６１. [５]㊀ＨＡＳＡＮＩＰＡＮＡＨＭꎬＭＯＮＪＥＺＩＭꎬＳＨＡＨＮＡＺＡＲＡꎬｅｔａｌ.Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｄｉｒｅｃｔｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｂｌａｓｔｉｎｄｕｃｅｄ
ｇｒｏｕｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅ[Ｊ].
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔꎬ２０１５ꎬ７５:２８９￣２９７.
[６]㊀张南ꎬ方向ꎬ范磊ꎬ等.海工挤淤爆破对周围民房的振动影响分析[Ｊ].爆破器材ꎬ２０１２ꎬ４１(３):３５￣３７ꎬ４０.
ＺＨＡＮＧＮꎬＦＡＮＧＸꎬＦＡＮＬꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｖｉｂｒａ￣
ｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｎｄｕｃｅｄｂｙｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｂｌａｓｔｉｎｇｔｏｅ￣ｓｈｏｏｔｉｎｇ
ｏｎｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｒｅａ[Ｊ].Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１２ꎬ４１(３):３５￣３７ꎬ４０.
[７]㊀贠永峰ꎬ张方.爆破模拟地震动下框架抗震性能试验分析[Ｊ].工程爆破ꎬ２０１４ꎬ２０(２):２１￣２４.
ＹＵＮＹＦꎬＺＨＡＮＧＦ.Ｓｔｕｄｙｏｎｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ
ｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｎｄｅｒｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｅａｒｔｈ￣
ｑｕａｋｅ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｌａｓｔｉｎｇꎬ２０１４ꎬ２０(２):２１￣２４. [８]㊀陈作彬ꎬ李兴华ꎬ范磊ꎬ等.基于小波包变换的爆破地震反应谱分析[Ｊ].爆破器材ꎬ２０１８ꎬ４７(５):５９￣６４.
ＣＨＥＮＺＢꎬＬＩＸＨꎬＦＡＮＬꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｌａｓｔｉｎｇ
ｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｃｔｒｕｍｂａｓｅｄｏｎｗａｖｅｌｅｔｐａｃｋｅｔｔｒａｎｓ￣
ｆｏｒｍ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１８ꎬ４７(５):５９￣６４. [９]㊀郭涛ꎬ方向ꎬ谢全民ꎬ等.频率切片小波变换在爆破振动信号时频特征精确提取中应用[Ｊ].振动与冲击ꎬ
２０１３ꎬ３２(２２):７３￣７８.
ＧＵＯＴꎬＦＡＮＧＸꎬＸＩＥＱＭꎬｅｔａｌ.ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＳＷＴ
ｉｎａｃｃｕｒａｔｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｉｍｅ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｅａｔｕｒｅｓｆｏｒｂｌａｓ￣
ｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄ
Ｓｈｏｃｋꎬ２０１３ꎬ３２(２２):７３￣７８.
[１０]㊀朱权洁ꎬ姜福兴ꎬ于正兴ꎬ等.爆破震动与岩石破裂微震信号能量分布特征研究[Ｊ].岩石力学与工程学
报ꎬ２０１２ꎬ３１(４):７２３￣７３０.
ＺＨＵＱＪꎬＪＩＡＮＧＦＸꎬＹＵＺＸꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｅｎｅｒｇｙ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｂｏｕｔｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄ
ｒｏｃｋｆｒａｃｔｕｒｅｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃｓｉｇｎａｌ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ
ｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１２ꎬ３１(４):
７２３￣７３０.
[１１]㊀龚敏ꎬ邱燚可可ꎬ孟祥栋ꎬ等.基于ＨＨＴ的雷管实际延时识别法在城市环境微差爆破中的应用[Ｊ].振
动与冲击ꎬ２０１５ꎬ３４(１０):２０６￣２１２.
ＧＯＮＧＭꎬＱＩＵＹＫＫꎬＭＥＮＧＸＤꎬｅｔａｌ.Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａ￣
ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｄｅｔｏｎａｔｏｒ'ｓａｃｔｕａｌｆｉｒｉｎｇｔｉｍｅｄｅｌａｙｂａｓｅｄ
ｏｎＨＨＴａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄｂｌａｓｔｉｎｇｕｎｄｅｒ
ｕｒｂａｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋꎬ
２０１５ꎬ３４(１０):２０６￣２１２.
[１２]㊀赵国彦ꎬ邓青林ꎬ马举.基于ＦＳＷＴ时频分析的矿山微震信号分析与识别[Ｊ].岩土工程学报ꎬ２０１５ꎬ３７
(２):３０６￣３１２.
ＺＨＡＯＧＹꎬＤＥＮＧＱＬꎬＭＡＪ.Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅ
ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃｓｉｇｎａｌｓｂａｓｅｄｏｎＦＳＷＴｔｉｍｅ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ａｎａｌｙｓｉｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅ￣
ｒｉｎｇꎬ２０１５ꎬ３７(２):３０６￣３１２.
[１３]㊀ＴＲＩＶＩÑＯＬＦꎬＭＯＨＡＮＴＹＢꎬＭＩＬＫＥＲＥＩＴＢ.Ｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｆｏｒｍｓｆｒｏｍｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓｏｕｒｃｅｓｌｏｃａｔｅｄｉｎｂｏｒｅｈｏｌｅｓ
ａｎｄｉｎｉｔｉａｔｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ[Ｊ].Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓꎬ２０１２ꎬ８７:８１￣９３.
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２０２１年８月㊀㊀㊀㊀露天矿爆破时砖混结构房屋振动响应的模态参数识别与爆破减振方法㊀张国胜ꎬ等㊀㊀㊀。