不同爆源形式的爆破地震能量分布特征(四川大学学报(工程科学版) -2010-01)
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（ 1. School of Water Resource and Hydropower，Sichuan Univ. ，Chengdu 610065 ，China； 2. State Key Lab. of Water Resources and Hydropower Eng. Sci. ，Wuhan Univ. ，Wuhan 430072四川大学学报（ 工程科学版）
JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY （ ENGINEERING SCIENCE EDITION）
Vol. 42 No. 1 Jan. 2010
3087 （ 2010 ） 01003005 文章编号：1009-
不同爆源形式的爆破地震能量分布特征
1 1 2 2 1 李洪涛 ， 杨兴国 ， 舒大强 ， 卢文波 ， 高星吉 （ 1. 四川大学 水利水电学院， 四川 成都 610065 ；2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 湖北 武汉 430072 ）
第1 期
李洪涛， 等：不同爆源形式的爆破地震能量分布特征
31
幅值及频率的影响， 即受到爆破地震波能量特征的 影响， 因此在研究爆破地震对建筑物的影响之前 ， 有 必要先研究这个能量载体的特征， 特别是爆破地震 ［1 ］ 中能量按照频率的分布特征 。 已有相关文献针 对特定爆源条件下爆破振动的频带能量分布特征进 ［2 － 9 ］ ， 行了研究 但对不同爆源形式的爆破地震能量 特征的对比研究尚显不足。本文利用基于功率谱的 借助大量工程实测数据， 针 爆破地震能量分析方法， 对爆源形式对爆破地震能量分布特征的影响进行了 分析。
挥越来越重要的作用， 伴随着爆破作用而产生的爆 破地震负面效应， 特别是爆破地震对周围建 （ 构 ） 筑 物和设施所造成的危害， 越来越受到关注和重视。 爆破地震效应研究的目的之一， 就是如何对爆破地 震的危害作出准确而又科学的评价 。爆破振动具有 典型的非平稳随机信号特点， 频率成分也非常丰富。 爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递 与转化过程， 这种传递与转化的过程受到爆破地震
定量分析爆破振动频率构成的目的， 克服频谱分析 只能定性分析爆破振动频率分布的弊病 。从原理上 讲， 小波变换能量分析方法和本文基于功率谱的能 量分析方法是一致的， 但是小波变换能量分析方法 实现过程比较复杂， 而且物理意义不容易理解；相对 而言， 建议方法不仅操作简单， 而且物理意义明确， 是一种实用的爆破地震能量分析方法 。根据基于功 编制了相关程序， 对爆破地震 率谱的能量分析方法， 能量分布特征展开相关研究。
2
1
基于功率谱的爆破地震能量分析方法
距离对爆破地震能量分布特征的影 响
对于爆破地震能量特征的研究， 目前多数学者 ［2 － 9 ］ ， 但是这种方法 都普遍采用了小波变换的方法 不仅计算过程比较复杂， 而且其物理意义不容易被 ， 工程技术人员理解 实际应用中有一定的难度。 作 者在相关研究中提出了基于功率谱的爆破地震能量 ［1 ］ 分析方法 ， 以下对该方法作简要介绍。 在爆破振动频谱分析中， 功率谱密度并不代表 但是功率谱密度 真正物理意义上的功率或者能量， PSD（ f） 可以看作随机信号在单位频带内谐波分量 的能量按频率 f 分布的度量， 换个说法， 功率谱密度 表征了一定频率谐波分量能量的相对大小 ， 因此可 以利用功率谱对爆破振动在一定频带范围内的能量 分布进行分析和研究。 对于爆破振动这一离散信号的频谱分析， 得到 的是离散频率点上的功率谱值。假设对一爆破振动 信号 v（ t） （ 因为目前爆破振动测试的物理量主要是 质点振动速度， 所以这里用 v 来表示爆破振动过程 ） 进行频谱分析， 得到离散化的频率值系列 f i 和对应 的功率谱密度值 PSD i ， 则对于特定频带范围（ f m f < f n ） 内能量占振动总能量的比例可以表示为 ：
n －1
有研究表明， 爆破地震波传播过程中， 由于介质 周期变长。 在爆 阻尼作用导致振动波的振幅降低、 破地震波的传播过程中， 由于所依赖的传播介质的 ， 作用 其主 频 及 频 率 构 成 都 会 发 生 一 定 规 律 的 变 化
［9 ］
。距离对爆破地震的频率构成会造成影响， 那
么它对于能量分布特征也会造成影响 。在研究不同 爆源形式的爆破地震能量特征之前， 先来探讨一下 这个非爆源因素对爆破地震能量特征的影响 。 为了对比研究不同爆破振动历程的能量分布特 征， 在进行能量分析时， 必须给出一个统一的频带范 围划分标准。频带范围的划分并不是越细越好， 因 为了解爆破地震波能量构成的目的， 是为了分析其 主要能量对应频率与建筑物的自振频率是否接近 ， 从而判断各类爆破地震对建筑物的影响程度 ， 所以 在考虑一般建筑物自振频率的基础上， 对爆破地震 波的频率划分为几个主要的区段， 将爆破地震频率 10 ～ 按照从低到高划分为如下 5 个区段：0 ～ 10 Hz， ［1 ］ 20 Hz， 20 ～ 40 Hz， 40 ～ 100 Hz 和 100 Hz 以上 。 为了研究距离对爆破地震能量分布的影响， 现 选取一爆破工程中的实测振动速度数据进行能量特 征分析。 某钼矿露天采场爆破钻孔孔径为 Φ250 mm， 孔 深 8 ～ 13 m， 一次爆破规模总装药量在 10 ～ 20 t， 最 大单响药量 400 ～ 840 kg。 为了评价爆破振动对周 围环境的影响， 在不同距离处布置了振动测点， 进行 了多场次的爆破振动测试。测试过程中传感器布于 按照竖直向和水平向两个方向布 地表出露基岩面， 置。 从各场次的爆破振动测试中， 按照竖直向和水 平向各选取一场次的测试数据， 进行能量特征分析， 分析结果列于表 1 中。
p Ef =
PSD i ∑ i=m
∑ PSDi
（1）
p E f 表示频带范围 （ f m f < f n ） 内的能量比 式中， 重。需要指出的是， 如果爆破振动测试采样频率为 fc ， 根据奈奎斯特采样定理， 爆破振动频谱分析的截 止频率为 f c / 2 ， 所以式（ 1 ） 中的分母部分求和时， 是 f = 0 f / 2 。 从 到 c 之间的功率谱密度值求总和 因此， 对于特定的爆破振动信号， 在进行频谱分 析后， 如果将整个频率域分为若干段， 根据式 （ 1 ） ， 即可求得各频率区段内的能量比例大小， 从而达到
Study on Energy Distribution Characteristics of Seismic Waves Induced by Different Forms of Blasting Resource
LI Hongtao1 ，YANG Xingguo1 ，SHU Daqiang2 ，LU Wenbo2 ，GAO Xingji1
Abstract：The effect of blastinduced seismic waves on buildings can be considered as a transferred and transformed process of the energy，which relates to the energy distribution characteristic of blasting vibration. An energy analysis method for blasting vibration signals based on power spectrum was put forward. Based on a large number of measurement data，the energy distribution characteristics of seismic waves induced by different forms of blasting resource were studied. The result shows that for blasting vibration induced by four kinds of drillingandblasting，the energy distribution with frequency is scattered. The seismic energy of lowfrequency from 0 Hz to 10 Hz is very little. The energy distribution characteristics vary with the different types of drillingandblasting. As diameter and depth of the blasting hole increases，the frequency band of energy distribution becomes more focus and has the trend of moving to the lower frequency，and for underground blasting， the seismic energy below 40 Hz is very little. The energy distribution characteristic of seismic waves induced by different forms of blasting resource can have guiding role for choosing the appropriate type of drillingandblasting when the effect of blasting vibration needs to be controlled. Key words：blasting vibration； energy distribution； power spectrum； drillingandblasting； control blasting
摘
要：爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递与转化过程， 这种传递与转化的过程受到爆破地震波
能量分布特征的影响。利用基于功率谱的爆破地震能量分析方法， 借助大量工程实测数据， 针对爆源形式对爆破 0 地震能量分布特征的影响进行了分析， 分析结果表明：对于 4 类钻孔爆破诱发的地震， 能量随频率分布比较分散， ～ 10 Hz 的低频段能量比例非常少；不同爆源形式的爆破地震能量分布特征存在差别， 随着孔径、 孔深的增大， 爆破 也更倾向低频方向；地下工程爆破地震小于 40 Hz 的能量比例非常小。不同爆源形式 地震主振能量频带趋于集中， 爆破地震能量分布特征上的这种差别， 对于控制爆破中钻爆方式的选取具有很好的指导意义 。 关键词：爆破地震；能量分布；功率谱；钻孔爆破；控制爆破 中图分类号：TD235. 1 文献标识码：A
爆破技术在水利 、 矿山 、 交通和城建等行业发
收稿日期：2008 － 10 － 28 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（ 50539100 ） ； 教育 部博士点新教师基金 （ 200806101039 ） ； 四川省 科 技 支撑计划（ 2008SZ0232 ） ；四川大学青年科学基金（ 校 青 2008042 ） 作者简介：李洪涛（ 1979 － ） ，男，博士，讲师. 研究方向： 水利 工程施工；工程爆破；岩石动力学.
32
表1 Tab. 1
测试 场次
四川大学学报（ 工程科学版） 某钼矿露天采场爆破地震能量分布特性表
第 42 卷
Energy distribution characteristics of seismic induced by bench blasting in an openpit Molybdenum mine
JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY （ ENGINEERING SCIENCE EDITION）
Vol. 42 No. 1 Jan. 2010
3087 （ 2010 ） 01003005 文章编号：1009-
不同爆源形式的爆破地震能量分布特征
1 1 2 2 1 李洪涛 ， 杨兴国 ， 舒大强 ， 卢文波 ， 高星吉 （ 1. 四川大学 水利水电学院， 四川 成都 610065 ；2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 湖北 武汉 430072 ）
第1 期
李洪涛， 等：不同爆源形式的爆破地震能量分布特征
31
幅值及频率的影响， 即受到爆破地震波能量特征的 影响， 因此在研究爆破地震对建筑物的影响之前 ， 有 必要先研究这个能量载体的特征， 特别是爆破地震 ［1 ］ 中能量按照频率的分布特征 。 已有相关文献针 对特定爆源条件下爆破振动的频带能量分布特征进 ［2 － 9 ］ ， 行了研究 但对不同爆源形式的爆破地震能量 特征的对比研究尚显不足。本文利用基于功率谱的 借助大量工程实测数据， 针 爆破地震能量分析方法， 对爆源形式对爆破地震能量分布特征的影响进行了 分析。
挥越来越重要的作用， 伴随着爆破作用而产生的爆 破地震负面效应， 特别是爆破地震对周围建 （ 构 ） 筑 物和设施所造成的危害， 越来越受到关注和重视。 爆破地震效应研究的目的之一， 就是如何对爆破地 震的危害作出准确而又科学的评价 。爆破振动具有 典型的非平稳随机信号特点， 频率成分也非常丰富。 爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递 与转化过程， 这种传递与转化的过程受到爆破地震
定量分析爆破振动频率构成的目的， 克服频谱分析 只能定性分析爆破振动频率分布的弊病 。从原理上 讲， 小波变换能量分析方法和本文基于功率谱的能 量分析方法是一致的， 但是小波变换能量分析方法 实现过程比较复杂， 而且物理意义不容易理解；相对 而言， 建议方法不仅操作简单， 而且物理意义明确， 是一种实用的爆破地震能量分析方法 。根据基于功 编制了相关程序， 对爆破地震 率谱的能量分析方法， 能量分布特征展开相关研究。
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基于功率谱的爆破地震能量分析方法
距离对爆破地震能量分布特征的影 响
对于爆破地震能量特征的研究， 目前多数学者 ［2 － 9 ］ ， 但是这种方法 都普遍采用了小波变换的方法 不仅计算过程比较复杂， 而且其物理意义不容易被 ， 工程技术人员理解 实际应用中有一定的难度。 作 者在相关研究中提出了基于功率谱的爆破地震能量 ［1 ］ 分析方法 ， 以下对该方法作简要介绍。 在爆破振动频谱分析中， 功率谱密度并不代表 但是功率谱密度 真正物理意义上的功率或者能量， PSD（ f） 可以看作随机信号在单位频带内谐波分量 的能量按频率 f 分布的度量， 换个说法， 功率谱密度 表征了一定频率谐波分量能量的相对大小 ， 因此可 以利用功率谱对爆破振动在一定频带范围内的能量 分布进行分析和研究。 对于爆破振动这一离散信号的频谱分析， 得到 的是离散频率点上的功率谱值。假设对一爆破振动 信号 v（ t） （ 因为目前爆破振动测试的物理量主要是 质点振动速度， 所以这里用 v 来表示爆破振动过程 ） 进行频谱分析， 得到离散化的频率值系列 f i 和对应 的功率谱密度值 PSD i ， 则对于特定频带范围（ f m f < f n ） 内能量占振动总能量的比例可以表示为 ：
n －1
有研究表明， 爆破地震波传播过程中， 由于介质 周期变长。 在爆 阻尼作用导致振动波的振幅降低、 破地震波的传播过程中， 由于所依赖的传播介质的 ， 作用 其主 频 及 频 率 构 成 都 会 发 生 一 定 规 律 的 变 化
［9 ］
。距离对爆破地震的频率构成会造成影响， 那
么它对于能量分布特征也会造成影响 。在研究不同 爆源形式的爆破地震能量特征之前， 先来探讨一下 这个非爆源因素对爆破地震能量特征的影响 。 为了对比研究不同爆破振动历程的能量分布特 征， 在进行能量分析时， 必须给出一个统一的频带范 围划分标准。频带范围的划分并不是越细越好， 因 为了解爆破地震波能量构成的目的， 是为了分析其 主要能量对应频率与建筑物的自振频率是否接近 ， 从而判断各类爆破地震对建筑物的影响程度 ， 所以 在考虑一般建筑物自振频率的基础上， 对爆破地震 波的频率划分为几个主要的区段， 将爆破地震频率 10 ～ 按照从低到高划分为如下 5 个区段：0 ～ 10 Hz， ［1 ］ 20 Hz， 20 ～ 40 Hz， 40 ～ 100 Hz 和 100 Hz 以上 。 为了研究距离对爆破地震能量分布的影响， 现 选取一爆破工程中的实测振动速度数据进行能量特 征分析。 某钼矿露天采场爆破钻孔孔径为 Φ250 mm， 孔 深 8 ～ 13 m， 一次爆破规模总装药量在 10 ～ 20 t， 最 大单响药量 400 ～ 840 kg。 为了评价爆破振动对周 围环境的影响， 在不同距离处布置了振动测点， 进行 了多场次的爆破振动测试。测试过程中传感器布于 按照竖直向和水平向两个方向布 地表出露基岩面， 置。 从各场次的爆破振动测试中， 按照竖直向和水 平向各选取一场次的测试数据， 进行能量特征分析， 分析结果列于表 1 中。
p Ef =
PSD i ∑ i=m
∑ PSDi
（1）
p E f 表示频带范围 （ f m f < f n ） 内的能量比 式中， 重。需要指出的是， 如果爆破振动测试采样频率为 fc ， 根据奈奎斯特采样定理， 爆破振动频谱分析的截 止频率为 f c / 2 ， 所以式（ 1 ） 中的分母部分求和时， 是 f = 0 f / 2 。 从 到 c 之间的功率谱密度值求总和 因此， 对于特定的爆破振动信号， 在进行频谱分 析后， 如果将整个频率域分为若干段， 根据式 （ 1 ） ， 即可求得各频率区段内的能量比例大小， 从而达到
Study on Energy Distribution Characteristics of Seismic Waves Induced by Different Forms of Blasting Resource
LI Hongtao1 ，YANG Xingguo1 ，SHU Daqiang2 ，LU Wenbo2 ，GAO Xingji1
Abstract：The effect of blastinduced seismic waves on buildings can be considered as a transferred and transformed process of the energy，which relates to the energy distribution characteristic of blasting vibration. An energy analysis method for blasting vibration signals based on power spectrum was put forward. Based on a large number of measurement data，the energy distribution characteristics of seismic waves induced by different forms of blasting resource were studied. The result shows that for blasting vibration induced by four kinds of drillingandblasting，the energy distribution with frequency is scattered. The seismic energy of lowfrequency from 0 Hz to 10 Hz is very little. The energy distribution characteristics vary with the different types of drillingandblasting. As diameter and depth of the blasting hole increases，the frequency band of energy distribution becomes more focus and has the trend of moving to the lower frequency，and for underground blasting， the seismic energy below 40 Hz is very little. The energy distribution characteristic of seismic waves induced by different forms of blasting resource can have guiding role for choosing the appropriate type of drillingandblasting when the effect of blasting vibration needs to be controlled. Key words：blasting vibration； energy distribution； power spectrum； drillingandblasting； control blasting
摘
要：爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递与转化过程， 这种传递与转化的过程受到爆破地震波
能量分布特征的影响。利用基于功率谱的爆破地震能量分析方法， 借助大量工程实测数据， 针对爆源形式对爆破 0 地震能量分布特征的影响进行了分析， 分析结果表明：对于 4 类钻孔爆破诱发的地震， 能量随频率分布比较分散， ～ 10 Hz 的低频段能量比例非常少；不同爆源形式的爆破地震能量分布特征存在差别， 随着孔径、 孔深的增大， 爆破 也更倾向低频方向；地下工程爆破地震小于 40 Hz 的能量比例非常小。不同爆源形式 地震主振能量频带趋于集中， 爆破地震能量分布特征上的这种差别， 对于控制爆破中钻爆方式的选取具有很好的指导意义 。 关键词：爆破地震；能量分布；功率谱；钻孔爆破；控制爆破 中图分类号：TD235. 1 文献标识码：A
爆破技术在水利 、 矿山 、 交通和城建等行业发
收稿日期：2008 － 10 － 28 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（ 50539100 ） ； 教育 部博士点新教师基金 （ 200806101039 ） ； 四川省 科 技 支撑计划（ 2008SZ0232 ） ；四川大学青年科学基金（ 校 青 2008042 ） 作者简介：李洪涛（ 1979 － ） ，男，博士，讲师. 研究方向： 水利 工程施工；工程爆破；岩石动力学.
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表1 Tab. 1
测试 场次
四川大学学报（ 工程科学版） 某钼矿露天采场爆破地震能量分布特性表
第 42 卷
Energy distribution characteristics of seismic induced by bench blasting in an openpit Molybdenum mine