爆破振动强度、波形与频谱研究综述:预测及主动控制

岩石钻孔爆破不可避免地会产生爆破振动效应及危害,准确预测爆破振动效应并进行主动控制具有极大的现实意义。论文综述了近40年来,国内外研究人员在爆破振动预测及主动控制方面取得的研究成果。在爆破振动速度峰值(PPV)预测方面,经验模型预测方法体现出了较大的便捷性,但预测精度与效果较差,将概率统计理论引入经验模型预测方法,提高了PPV预测精度;而基波叠加预测方法可实现对振速、频率和持续时间的综合预测,但是该方法对振动基波的测试精度要求较高,同时亟须在行业内建立对爆破振动采集设备的定期标定与校核机制;人工智能预测方法极大提高了PPV预测精度,同时为多因素影响下的爆破振动效应预测提供了新思路,但需要建立在海量真实有效实测数据的基础上,目前还缺乏充实的振动测试样本数据库;PPV预测理论模型及数值模拟预测法对理论与专业知识、数值模拟技术等要求高,限制了两种方法在工程的普遍应用。在爆破振动速度主动控制上,可以确定合理的延期时间,采用毫秒延迟干扰减振法来降低PPV,但目前多为单一防护对象所提出的延期时间建议值;从调整爆破振动频谱结构的角度,通过主动改变延期时间调控爆破振动频率成分,可避开建(构)筑物自振频带,减小爆破振动危害,然而目前仅仅停留在理论层面或模型试验尺度条件下,缺乏大规模的现场应用实例。最后,对未来爆破振动预测及控制方面重点研究内容进行了展望。

爆破振动作用下桥梁桩孔稳定性振动台试验研究

为了解爆破振动对邻近桥梁桩基成孔后桩孔稳定性的影响,以与山体爆破工程计划同时施工的某主跨280 m的斜拉桥为背景,设计、制作土箱和缩尺比1∶40桩孔模型开展振动台试验,研究桩孔孔壁的破坏特征、土体振动速度和动土压力的变化规律。结果表明:土体的振动速度峰值和动土压力峰值均随着爆破强度的增大而增大,在土体产生破坏后,土体的振动速度峰值和动土压力峰值均呈现出非线性增大趋势;爆破强度较小时土体的动土压力峰值曲线为U形,爆破强度较大时桩孔区域土体的动土压力峰值曲线为W形,桩孔中上部区域的动土压力峰值较大;山体爆破振动会使钢护筒底部与土体交界面以下桩孔的中上部区域出现破坏,应对山体爆破施工加强现场监测,桩孔附近的振动速度峰值不宜超过2 cm/s,以保障桩孔的稳定性。

基于VMD-HHT的井下预裂爆破振动效应分析

云南玉溪大红山铜矿现有采矿方法为分段空场嗣后充填法,采用大爆破工艺,由于一次爆破的药量过大导致对保留岩体的损伤较大,影响采场的稳定性。为解决此问题,按照多打孔少装药的原则,在距保留岩体一定距离处布置一排较为密集的炮孔,并减小单孔装药量,在主爆区起爆之前先起爆该排炮孔,形成一条具有一定宽度的缝隙,以减弱对保留岩体的损伤。基于变分模态分解和希尔伯特黄变换(VMDHHT)方法对现场实测的爆破振动信号进行分析。结果表明:本次预裂爆破振动信号的瞬时能量分布区间主要集中在0~0.5 s内,频率分布的区间主要集中在40 Hz以内;采用3个测点的合速度进行减振率计算,得到3个测点减振率分别为21.0%、30.1%和38.5%,有效减小了爆破振动对保留岩体的损伤和破坏。

台阶单孔爆破振动预测模型研究

爆破振动具有随机性,振动波的强度和频率具有非平稳性,为了构建能够真实反映爆破振动波形特性的台阶单孔爆破振动预测模型,通过调制白噪声的过程确定模型的频率函数,用角频率的时变性来描述振动波形频率的非平稳性;通过对强度包络函数的筛选,选取Gamma函数来描述爆破振动波形强度的非平稳性;用高通滤波处理提高了预测模型在低频段的模拟精度.以预测模型与现场实测波形的时程频率一致为约束条件,阻尼比与不规则指数呈线性关系,确定模型的频率参数(η,ξ,γ),以现场实测波形累计能量为约束条件,确定模型的强度参数(I0,α,β),模型输出波形的峰值振速、主频分别与现场实测波形特征的较好吻合,证明了所构建预测模型的正确性和有效性.

基于LS-DYNA的不同装药量对爆破振动效应的影响研究

由于爆破活动的复杂性,很难通过工程试验进行爆破振动效应研究。运用数值模拟计算的方法对爆破振动效应及其危害进行相关研究。结合吴庄铁矿的相关数据,运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序模拟1 000 kg、1 500 kg、2 000 kg及3 000 kg等4种装药量情况下的爆破对地层岩体的振动效应,通过分析得到爆破振速衰减变化以及其应力的变化规律,得出本次爆破生产作业最大装药量为1 500 kg时最为合理;同时该模型模拟结果与吴庄铁矿实际生产爆破计划基本吻合,说明该模型的构建较为成功。模拟结果可以较真实地反映出该铁矿爆破时的爆破振动效应对矿区周边建筑物的影响。

爆破振动效应研究若干进展

爆破振动效应是由爆破振动引起的周边环境的动力响应及其作用后果。当今,爆破技术在我国交通、水电、城建等领域工程建设中的应用越来越广泛、爆破环境也越来越复杂,爆破振动控制成为制约工程爆破安全高效施工的工程难题。在综述爆破振动相关研究现状的基础上,从爆破振动特征、作用机理与动力响应、预测及控制技术3个方面,系统归纳和阐述了爆破振动效应研究的科学技术体系,并结合近年来一些典型的工程建设背景,介绍了作者团队在爆破振动效应研究相关方面的若干进展。

基于PEMD-MPE算法的露天矿爆破振动信号降噪方法

为了去除露天矿山爆破振动信号中混入的噪声成分,提出了一种基于PEMD-MPE算法的降噪方法。该算法通过自适应性正交经验模态分解(PEMD)得到完全正交的本征模态函数(IMF)分量,然后对各个IMF分量进行多尺度排列熵(MPE)的随机性检测,成功确定其中的噪声分量并将其去除。采用该算法对实测的露天矿山爆破振动信号进行降噪处理。结果表明:相比EMD-MPE和EEMD-MPE算法,PEMD-MPE算法的信噪比分别提高了3.520 dB和1.107 dB,且重构标准差和均方根误差最小,说明该算法不仅能够有效去除爆破振动信号中的噪声成分,还能有效保留真实信号。

基于HGS-ANN混合模型的爆破振动预测

将饥饿游戏搜索算法(HGS)与神经网络算法(ANN)相结合,开发了一种新的混合模型HGS-ANN,用来预测爆破振动。分别基于数据分组处理方法(GMDH)、支持向量机(SVM)、神经网络算法(ANN)以及萨道夫斯基经验公式建立了4种不同预测模型,并与HGS-ANN模型进行对比,评估模型性能。从某露天矿山收集了32组爆破数据,选择爆心距、最大单段药量、总药量、抵抗线、孔距、孔数、孔深等7个自变量作为输入参数,选择质点振动速度作为输出参数,以均方根误差(RMSE)和决定性系数(R^(2))作为模型性能评价指标,对所建立的模型性能进行对比。结果表明,HGS-ANN模型的RMSE和R^(2)分别为0.833和0.963,性能优于其他4种模型。HGS-ANN模型可以作为一个辅助工具来优化爆破设计,降低爆破地震效应。

延期时间对逐孔预裂爆破振动衰减规律的影响

为了获得逐孔预裂爆破的最优延期时间,基于Ansys/LS−Dyna有限元软件,结合现场实验研究了不同延期时间下逐孔预裂爆破的振动衰减规律,为实际工程应用提供了理论依据。结果表明:与齐发起爆相比,逐孔起爆可以有效地降低质点峰值振动速度(PPV),特别是预裂沟附近区域;随着延期时间的增大,萨道夫斯基公式的K值逐渐减小,而α值变化不大,当延期时间大于0.6T(T为单孔爆破振动持续时间)时,K与α的值趋于稳定,接近于单孔爆破;校正系数β与延期时间成反比,最优延期时间应为0.6T~1.0T;逐孔预裂成缝后对主爆区的减振率大于齐发预裂爆破。

岩体及充填体爆破振动速度衰减规律研究

巷道掘进爆破中,爆破振动是影响巷道稳定性和充填体稳定性的重要因素,频繁的爆破振动会对巷道围岩和充填体造成损伤,最终发生失稳破坏。通过建立爆破振动监测系统,改进爆破方案和监测位置研究岩体和充填体爆破振动速度衰减规律,得出岩体与充填体振动速度衰减规律的差异性,从而优化焦家金矿爆破药量。研究结果表明:距离爆源越近,爆破振动速度越大,而且会随着爆心距增加逐步衰减;最大振动速度出现在爆源附近,采场爆破对充填体的扰动破坏更大;距离爆炸点相等的充填体平均振动速度为0.223 cm/s,要大于岩体平均振动速度(0.087 cm/s)。根据焦家金矿岩体爆破振动速度传播特点,结合GB 6722—2023 《爆破振动安全规程》,得出了最大单段药量与安全距离的对应关系,提出了一种新的动力应力比法,不仅为优化凿岩爆破设计和爆破药量设计提供依据,而且为焦家金矿深层矿床安全高效开采提供可靠的保证。

爆破振动对边坡稳定性及建筑物开裂影响分析

八渡村移民安置点采用爆破方式进行场地平整,弄中屯房屋出现大量裂缝,分析爆破振动对弄中屯边坡稳定性和建筑物开裂影响非常必要。笔者基于实际工程,采取理论公式推导在爆破工况下边坡稳定性计算方法;运用大型有限元软件ANSYS模拟爆破振动,推导出建筑物安全允许振动速度的炸药量。结果表明:当移民安置点齐爆炸药量为350kg,边坡受到爆破振动力相当于地震烈度为7度时产生的地震水平力;移民安置点齐爆炸药量大于建筑物安全允许振动速度的炸药量时,房屋结构性裂缝由爆破引起。

爆破振动荷载作用下填埋场稳定性计算分析

针对爆破振动荷载作用下填埋场稳定系数分析,建立数学坐标系确定两种形状填埋场每个点的坐标位置,分别采用质心法和积分法计算爆破振动惯性力;考虑渗滤液对填埋体、衬垫界面物理力学参数的影响,建立填埋场沿垃圾坝背和坝底破坏时的三楔体分析模型,列楔体极限平衡方程;借助MATLAB求解爆破振动荷载下任意时刻填埋场沿底部复合衬垫界面滑移的安全系数,通过算例验证楔体极限平衡方程的正确性。结果表明:质心法计算的安全系数时程曲线开始发生变化的时间落后于积分法,且与积分法相比,波动幅度更大,最小安全系数更小,实际安全系数应在两种方法之间。当爆源位于垃圾坝底内边缘下方区域或填埋体底部中点左右区域的下方时,安全系数最小,发生失稳的概率最大。爆破振动频率对填埋场安全系数的影响,积分法得出随着振动频率变大,安全系数总体变化趋势增大,且增加幅度逐渐减小。渗滤液水位显著影响填埋场的稳定性。研究结果对评估填埋场在隧道下穿时的稳定性、优化隧道爆破开挖设计、确保施工安全具有重要意义。

白鹤滩水电站坝肩边坡开挖爆破振动概率分布研究

为科学准确判定岩石高边坡开挖爆破振动的概率分布形式,为岩石高边坡爆破振动幅值和频率的不确定性预测提供科学理论基础,以白鹤滩水电站右岸坝肩岩石高边坡开挖工程为研究背景,对典型开挖程序和爆破方案下的岩石高边坡爆破振动幅值和主频实测数据进行了概率统计分析,研究了岩石高边坡开挖爆破振动幅值和主频的概率分布及其主要特征。研究结果表明:正态分布和Gamma分布模型对岩石高边坡开挖预裂和主爆破质点峰值振速概率分布的拟合效果均较好,岩石高边坡开挖预裂和主爆破质点峰值振速的概率分布较好地服从正态或Gamma分布;Gamma分布模型相较于正态分布模型对岩石高边坡开挖预裂和主爆破振动视主频的概率分布存在明显拟合优势,岩石高边坡开挖预裂和主爆破振动视主频概率分布较好地服从Gamma分布。岩石高边坡预裂爆破质点峰值振速和视主频的平均值大于对应主爆破质点峰值振速和视主频的平均值,预裂爆破质点峰值振速和视主频下四分位~上四分位量值范围分别为5.4~11.6 cm/s和36.7~97.6 Hz,主爆破质点峰值振速和视主频下四分位~上四分位量值范围分别为3.8~8.9 cm/s和26.7~97.6 Hz。研究结果显示,经常采用的正态分布并不一定是岩石高边坡开挖爆破振动幅值或主频的最佳概率分布形式,其他典型岩石高边坡工程爆破振动幅值和主频的概率分布有待进一步研究。

减振材料对圆柱水池爆破振动规律的影响

在水下爆炸理论与技术的应用研究中,爆炸水池是十分重要的基础试验装置。研究爆炸水池爆破振动效应和减振对于圆柱形爆炸水池使用过程中的振动控制具有指导意义。为研究圆柱形水池内部装药爆炸对周围地面产生的爆破振动并寻求合适的减振材料,选取了建筑碎石、SD型橡胶垫2种减振材料,在小型爆炸水池中进行了单药包在无减振、建筑碎石和SD型橡胶垫减振3种模式下的爆炸试验,对采集到的爆破振动信号进行峰值振速分析、EEMD-HHT(ensemble empirical mode decomposition-Hilbert-Huang transform)处理及小波包分析。结果表明:爆炸水池周围地面的爆破振动包含爆炸冲击波导致的振动、水池跳动导致的触地振动,通过Hilbert瞬时能量分析可以有效识别水池产生的跳动;碎石减振和SD型橡胶减振垫模式下的振速较无减振模式下的振速分别降低53.0%和43.1%,振动能量分别降低64.9%和57.4%;3种减振模式下爆破振动信号的频率主要分布在10~80 Hz区间;无减振、建筑碎石减振、SD型橡胶垫3种减振模式下10~40 Hz频带的能量占比分别为79%、69%、66%,40~80 Hz频带的能量占比分别为11%、29%、31%。碎石和SD型橡胶垫具有吸能、减少低频成分和增加高频成分的效果,可有效降低近处测点的峰值振速。碎石减振模式下振动信号频带的能量分布较SD型橡胶垫模式下的能量分布更加均匀。

起爆顺序对台阶岩石破碎块度及爆破振动影响研究

为探究起爆顺序对露天台阶岩石破碎效果以及周围环境的影响,利用LS-DYNA仿真软件分别计算不同起爆顺序下的台阶爆破模型。分析不同起爆顺序下模型的物理力学特征;开展现场试验验证模拟结果,并分析起爆顺序对爆破振动强度及岩石破碎块度的影响特征。研究结果表明:起爆顺序对爆破过程中自由面空间分布产生影响,从而改变应力波的叠加效应,不同起爆顺序下台阶破碎效果及爆破振动强度表现出明显差异。逐孔起爆技术能够有效降低爆破振动,从而减轻对周围环境的不良影响,但其岩石破碎效果并不理想,岩石通过率为81.52%。与逐孔起爆相比,波浪式顺序起爆碎石通过率提高11.68%,增大孔网参数至3 m×7 m时单孔崩落矿量提高16.8%,这可以有效减少炸药消耗量,降低综合成本。然而,其产生的爆破振动强度较大,需要注意对周围环境的影响。

基于小波变换算法的普朗铜矿爆破振动信号能量分布研究

小波变换算法能够对爆破振动信号的频率、能量分布特征进行研究,按照不同的主振频带对爆破振动信号进行分解及重构,已被广泛应用于爆破振动稳定性分析以及矿山安全生产管理。针对在矿山复杂条件下爆破振动信号易受干扰等问题,以普朗铜矿南部拉底爆破振动数据为研究对象,采用小波变换算法分析振动信号0~125 Hz各个频率段能量分布情况,通过HHT算法、STFT算法分别对爆区近区、爆区远区开展能量分布及其衰减规律的研究。研究结果表明:在0~125 Hz频率段范围内,爆区近区和爆区远区能量衰减速度和分布不同,爆区近区能量主振频率分布在15.62~<31.20 Hz频率段,爆区远区能量主振频率分布在46.87~<93.75 Hz频率段。在15.62~<31.20 Hz频率段,爆区近区比爆区远区能量占比平均多出14.1%;在46.87~<93.75 Hz频率段,爆区远区比爆区近区能量占比平均多出18.65%。基于本次爆破施工所监测到的普朗铜矿南部巷道区域爆破振动数据得出,在0~125 Hz频率段范围内,爆区近区能量衰减速度较快且能量分布不集中,爆区远区能量衰减速度较为缓慢且能量分布密集;爆破振动能量随着传播距离增加,能量虽有所衰减,但能量分布更为集中。分析结果表明,小波变换算法可以真实反映振动信号的能量分布情况,为研究爆破振动效应下的井下构筑物的结构安全提供有效的分析手段。

爆破振动作用下含断层边坡动力响应分析

依据施加爆破地震波后含断层边坡稳定性模拟计算结果,研究了爆破振动作用下不同断层厚度边坡的动力响应变化规律。结果表明,爆破地震波在边坡坡表及断层区域传播时存在高程放大效应;断层厚度越大,爆破地震波衰减越快;随着断层厚度增加,边坡在爆破振动作用下产生的位移逐渐增大,整体抵抗变形能力变小;爆破振动作用下不同断层厚度对边坡稳定性影响差异明显,断层厚度2~8 m时边坡稳定性呈持续快速降低趋势,断层厚度超过8 m后边坡稳定性趋于平稳。

基于SSA-BP的爆破振动峰值速度预测研究

为了精准预测爆破振动峰值速度(PPV),有效降低爆破振动的危害,以星光一号露天矿山爆破工程为依托,选取爆心距、堵塞长度、最小抵抗线、炸药单耗、最大单孔装药量、总延期时间、最大单响药量等7个影响因素作为输入变量,采用灰色关联分析法评估各因素与PPV之间的相关性,构建麻雀搜索算法(SSA)优化BP神经网络的爆破峰值振速预测模型,对三向峰值振动速度进行预测,并与BP神经网络模型预测结果进行对比分析,得到SSA-BP神经网络模型预测结果的平均误差分别为6.08%、7.34%、1.91%,BP神经网络模型预测结果的平均误差分别为22.19%、54.01%、25.29%。研究结果表明:SSA-BP神经网络模型全面考虑了多种爆破设计参数对振动峰值速度的影响;麻雀搜索优化算法有效解决了传统BP神经网络模型容易陷入局部最优的问题,预测结果更精确,与振速监测值吻合度更高、误差更小;并且极大地缩短了样本数据的学习训练时间,加快BP神经网络预测模型的收敛速度,可为类似露天爆破工程质点峰值振速的预测提供借鉴。

会宝岭铁矿爆破振动危害控制研究

随着国民对美好生活的向往,矿山需要更加重视爆破振动给人和建(构)筑物造成的不良影响。基于会宝岭铁矿爆破振动实测数据,利用萨道夫斯基经验公式研究矿山爆破振动衰减规律,分析爆破振动安全距离,确定不同中段开采的允许最大段药量,为矿山的安全开采提供理论依据和指导意见。结果表明:距离工作面1197.21 m之外的房屋建筑不存在爆破振动安全问题,而矿区内保护对象一般离爆源400~500 m,若要达到0.2 cm/s的爆破振动速度,允许最大段药量需控制在200 kg左右。

基于小波包理论研究地下断层对爆破振动传播的影响

为了研究云南某金属地下矿山断层对爆破振动波传播的影响,选用含有断层区域3736北部中段区域、无断层区域3736南部中段区域布置测点。以云南某金属地下矿山真实采集爆破振动数据为研究对象,基于小波包变换、HHT算法、STFT算法开展爆破振动波衰减规律的研究。结果表明:云南某地下金属矿山振动波经过断层前瞬时能量幅值达到10×10^(-4)dB,经过断层后瞬时能量幅值达到1.5×10^(-4)dB,瞬时能量幅值衰减85%;断层在一定程度上会扰乱振动波能量分布情况,延缓振动能量迅速上升;振动波经过断层后低频能量衰减60%,高频能量衰减71%,总体能量功率衰减77%,无断层区域高频能量衰减18%,低频能量衰减17%,总体能量功率衰减15%;爆破振动波经过断层后,过滤大量高频能量,能量总体分布呈现向低频域方向发展的趋势。