一種基于實測高頻振動爆破振動信號的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于實測高頻振動爆破振動信號的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法。通過特定的信號處理與分離技術(shù)，提取實測振動信號中反映各微差段爆轟沖擊作用的高頻振動信息，以消除炮孔堵塞質(zhì)量、巖體結(jié)構(gòu)面、不同巖體組成等對爆炸應力波的反射、折射過程產(chǎn)生低頻振動信號的影響。本發(fā)明方法利用爆破振動監(jiān)測設(shè)備采集爆破振動信號，通過特定的信號處理與分離技術(shù)，提取實測振動信號中反映各微差段爆轟沖擊作用的高頻振動信息來實現(xiàn)對起爆網(wǎng)路質(zhì)量的評價，可有效避免重段、串段等起爆事故，對起爆網(wǎng)路安全起爆具有重要意義。
【專利說明】
一種基于實測高頻振動爆破振動信號的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法，具體地說是一種基于實測高頻振動爆破振動信號的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法，適用于水利水電、交通、礦山等巖體開挖工程采用鉆爆法開挖時的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求也越來越大，相關(guān)的大型巖體開挖工程越來越多，如西南地區(qū)水電站大型地下洞室群和高陡邊坡的開挖、數(shù)千米深的礦山開采、核廢料和石油地下儲存庫的建設(shè)等。鉆孔爆破技術(shù)得到廣泛應用，同時帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，在未來幾十年內(nèi)，工程爆破技術(shù)仍將在巖體工程施工方法中發(fā)揮優(yōu)勢，并占據(jù)主導地位。采用鉆爆法開挖時，為了嚴格控制爆破破碎塊度和爆破振動強度多采用毫秒微差延時起爆網(wǎng)路。因此，起爆網(wǎng)路對爆破質(zhì)量的優(yōu)劣至關(guān)重要，有必要對起爆網(wǎng)路的質(zhì)量進行評價。
[0003]根據(jù)《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范KDL/5135-2013)中規(guī)定延時爆破時不得出現(xiàn)重段、串段;應控制起爆網(wǎng)路時差，確保爆破網(wǎng)路全部安全起爆。通常情況下，直接利用實測爆破振動波形獲得每一微差段的實際延時來評價起爆網(wǎng)路的質(zhì)量。然而，大多數(shù)實測爆破振動波形由于炮孔堵塞質(zhì)量、巖體結(jié)構(gòu)面、不同巖體組成等對爆炸應力波的反射、折射過程產(chǎn)生低頻振動信號的影響難以直接識別每一微差段的實際延時，從而無法正確評價起爆網(wǎng)路的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于實測高頻振動爆破振動信號的能夠快速、適用、準確評價起爆網(wǎng)路質(zhì)量的方法。
[0005]本發(fā)明的原理在于:鉆孔爆破條件下，伴隨著炸藥爆轟、沖擊作用，爆炸應力波會使巖體開裂破碎及形成新的開挖自由面，并且誘發(fā)巖體振動。根據(jù)爆炸荷載過程曲線，由于爆炸荷載上升時間短，荷載變化梯度大，主要誘發(fā)巖體產(chǎn)生高頻振動。因此，通過特定的信號處理與分離技術(shù)，提取實測振動信號中反映各微差段爆轟沖擊作用的高頻振動信息，可以消除炮孔堵塞質(zhì)量、巖體結(jié)構(gòu)面、不同巖體組成等對爆炸應力波的反射、折射過程產(chǎn)生低頻振動信號的影響，實現(xiàn)對起爆網(wǎng)路質(zhì)量的正確評價。
[0006]本發(fā)明一種基于實測高頻振動爆破振動信號的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法，包括如下步驟:
步驟一，在爆破鉆孔、裝藥和聯(lián)網(wǎng)完成后，在爆心距30m范圍內(nèi)的鄰洞邊墻或爆心距1m?50m范圍內(nèi)的本洞底板或邊墻上布置孔內(nèi)液壓測桿傳感器；
步驟二，爆破過程中利用爆破振動監(jiān)測儀采集孔內(nèi)液壓測桿傳感器的爆破振動信號并記錄爆破過程的振動波形； 步驟三，對步驟二記錄的振動波形進行頻譜分析，并分離出數(shù)個高頻振動波形，頻帶范圍盡量接近數(shù)字信號采樣頻率的1/2;
步驟四，對步驟三分離出的高頻振動波形采用時-能密度能量分析方法，準確識別每一微差段的實際延時；
步驟五，將爆破網(wǎng)路各微差段的實際延時與設(shè)計延時進行對比，進行起爆網(wǎng)路質(zhì)量的評價。
[0007]所述孔內(nèi)液壓測桿傳感器，包括振動傳感器、活塞、彈簧、剛性底座和剛性支座，所述振動傳感器的底部與活塞相連，繼而活塞另一側(cè)與彈簧相連，彈簧另一端與剛性底座相連;活塞套筒底部設(shè)置有剛性支座，剛性支座內(nèi)部中空，設(shè)有進氣通道并與活塞套筒相連通。
[0008]所述孔內(nèi)液壓測桿傳感器設(shè)置在隧洞的邊墻或底板上2?3m孔深處，用于避開爆破損傷區(qū)從而準確監(jiān)測到爆破振動信號。
[0009]所述步驟三具體為通過對記錄的振動波形進行頻譜分析，根據(jù)振動信號在不同頻帶上的分布特征，應用數(shù)字信號處理的濾波方法，分離出高頻振動波形。
[0010]所述步驟五具體為將每一微差段的實際延時與設(shè)計延時進行對比，判別是否有重段、串段，從而實現(xiàn)起爆網(wǎng)路質(zhì)量的評價。
[0011 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
1、利用特制的孔內(nèi)液壓測桿傳感器進行爆破振動信號的采集，可以采集到真實的爆破振動信號；
2、利用特殊的爆破振動傳感器布置方案，可以有效減少低頻振動信號的干擾，并且各測點實測爆破振動信號可以相互校正；
3、利用爆破開挖過程中，高頻振動主要由爆炸荷載所引起的特點，用高頻振動的實際延時來判別是否有重段、串段，從而進行爆破網(wǎng)路質(zhì)量的準確評價，對控制起爆網(wǎng)路時差，確保爆破網(wǎng)路全部安全起爆具有重要意義。
[0012]4、高頻振動信號的分離，采用實測爆破振動信號的頻譜分析，根據(jù)振動信號在不同頻帶上的分布特征，獲得高頻振動頻帶范圍，利用數(shù)字信號處理中的數(shù)字濾波方法，在Matlab上編程實現(xiàn)高頻振動信號的分離，具有快速、適用、操作簡單的優(yōu)點。
[0013]5、高頻振動信號的時-能密度能量分析方法，在Mat Iab上編程可以得到高頻振動信號的時-能密度曲線，準確識別每一微差段的實際延時，然后通過將每一微差段的實際延時與設(shè)計延時進行對比，判別是否有重段、串段現(xiàn)象，從而評價起爆網(wǎng)路的質(zhì)量，具有方法理論新穎、操作簡單的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014]圖1為孔內(nèi)液壓測桿傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為孔內(nèi)液壓測桿傳感器的布置示意圖。
[0016]圖3為儀器觀測系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖4為實測爆破振動波形示意圖。
[0018]圖5為實測爆破振動功率譜示意圖。
[0019]圖6為實測爆破振動高頻振動波形示意圖。
[0020]圖7為實測爆破振動高頻振動時能密度曲線示意圖。
[0021 ]圖8為本發(fā)明方法的流程圖。
[0022]圖中，1-振動傳感器，2-活塞，3-彈簧，4-剛性底座，5-剛性支座，6_進氣通道。
【具體實施方式】
下面通過實施例，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]本發(fā)明利用爆破開挖過程中，高頻振動主要由爆炸荷載所引起的特點，通過特定的信號處理與分離技術(shù)，提取實測振動信號中反映各微差段爆轟沖擊作用的高頻振動信息，以消除炮孔堵塞質(zhì)量、巖體結(jié)構(gòu)面、不同巖體組成等對爆炸應力波的反射、折射過程產(chǎn)生低頻振動信號的影響，然后利用高頻振動的時-能密度信息，準確識別每一微差段的實際延時，從而正確評價起爆網(wǎng)路的質(zhì)量。
[0024]如圖1-圖8所示，一種基于實測高頻振動爆破振動信號的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法，包括以下步驟:
首先，在爆破鉆孔、裝藥和聯(lián)網(wǎng)完成后，在爆心距30m范圍內(nèi)的鄰洞邊墻或爆心距I Om?50m范圍內(nèi)的本洞底板或邊墻上布置孔內(nèi)液壓測桿傳感器(如圖1、圖2所示);并利用爆破振動監(jiān)測儀采集爆破振動信號并記錄爆破過程的振動波形。所述孔內(nèi)液壓測桿傳感器，包括振動傳感器1、活塞2、彈簧3、剛性底座4和剛性支座5，所述振動傳感器I的底部與活塞2相連，繼而活塞2另一側(cè)與彈簧3相連，彈簧3另一端與剛性底座4相連;活塞套筒底部設(shè)置有剛性支座5，剛性支座5內(nèi)部中空，設(shè)有進氣通道6并與活塞套筒相連通。
[0025]所述孔內(nèi)液壓測桿傳感器設(shè)置在隧洞的邊墻或底板上2?3m孔深處，用于避開爆破損傷區(qū)從而準確監(jiān)測到爆破振動信號。
[0026]孔內(nèi)液壓測桿傳感器的工作原理如下:首先將振動傳感器與活塞相粘連，并使振動傳感器貼在孔壁巖體上;通過進氣通道通入適當壓強的氣體推動活塞使振動傳感器緊緊貼在孔壁巖體上;在采集爆破振動信號過程中，彈簧會伴隨活塞一起振動，始終使振動傳感器緊緊貼在孔壁巖體上，使采集到的振動信號不受安裝松動等因素的影響。
[0027]然后，利用Matlab中傅立葉變換工具箱函數(shù)，通過比較簡單的編程將實測爆破振動信號進行頻譜分析直接完成從時域到頻域的轉(zhuǎn)化，采用功率譜的能量分析方法，得到實測爆破振動信號在不同頻帶上的分布特征。
[0028]然后，通過分析實測爆破振動信號在不同頻帶上的分布特征，得到高頻振動成分所在頻帶范圍。并利用數(shù)字信號處理中的數(shù)字濾波方法，通分離高頻振動頻帶的振動波形，并使頻帶范圍盡量接近數(shù)字信號采樣頻率1/2。
[0029]然后，利用時-能密度能量分析方法有反映信號能量突變的特征，將每一微差段的爆炸能量看作一個能量源，每一微差段的炸藥爆炸能量輸入必將引起系統(tǒng)能量的突變，根據(jù)時-能密度曲線中出現(xiàn)的突變可以準確識別每一微差段的實際起爆延時。利用Matlab中小波變換工具箱函數(shù)，通過比較簡單的的編程求出分離得到的高頻振動頻帶的振動波形的時-能密度曲線，采用時-能密度能量分析方法，準確識別每一微差段的實際延時。
[0030]最后，將得到的高頻振動波形的每一微差段的實際延時與設(shè)計延時進行對比，判別是否有重段、串段等發(fā)生，從而實現(xiàn)爆破網(wǎng)路質(zhì)量的評價和控制起爆網(wǎng)路時差，確保爆破網(wǎng)路全部安全起爆。
[0031 ]下面結(jié)合某深部地下工程鉆爆開挖為例進一步說明本發(fā)明。
[0032]爆破設(shè)計:中導洞開挖斷面為8mX8m，尾水隧洞中導洞開挖使用手風鉆鉆孔，炸藥采用2 #巖石乳化炸藥，起爆器材以塑料導爆毫秒延期雷管為主，形成微差起爆網(wǎng)路，雷管跳段使用。中導洞開挖采用楔形掏槽;崩落孔孔距80?100cm，采用Φ32藥卷連續(xù)裝藥;頂拱光爆孔孔距50cm，采用Φ 25藥卷不耦合裝藥。
[0033]測點布置:在爆破鉆孔、裝藥和聯(lián)網(wǎng)完成后，在爆心距30m范圍內(nèi)的鄰洞邊墻或本洞1m?50m爆心距范圍內(nèi)的隧洞底板或邊墻上布置爆破振動傳感器。在尾水洞的爆破振動觀測過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況，測點主要布置在隧洞邊墻及底板上也或有布置在相鄰另一條尾水洞的邊墻上。邊墻測點按垂直壁面和水平向布置傳感器，底板測點按豎直向和水平向布置傳感器。相鄰尾水洞的測點按豎直向和正對爆源水平方向布置傳感器。具體測點布置見圖2。
[0034]儀器觀測系統(tǒng):爆破振動觀測的物理量為質(zhì)點振動速度。現(xiàn)場觀測采用的儀器系統(tǒng)如圖3所示，這是一套先進的數(shù)字化紀錄、存儲系統(tǒng)，其核心為TOPBOX—508振動信號自記儀。在具體監(jiān)測過程中，同一測點一般分為豎直向和水平向布置傳感器，傳感器用特制的孔內(nèi)液壓布置測桿方式固定在所需監(jiān)測的部位，然后將自記儀與其相聯(lián)。爆破振動傳遞到測點時，自記儀自動記錄信號。爆后利用專門編制的爆破振動分析軟件(T0PVIEW2000)將自記儀采集到的振動信號輸入電腦中，進行分析和存儲處理。
[0035]限于篇幅，僅結(jié)合其中一個振動波形說明本發(fā)明實施過程，圖4給出了1#測點振動監(jiān)測儀記錄的水平向的實測圍巖振動波形。由于各微差段之間存在低頻振動的干擾，無法直接從波形上判斷是否有重段、串段發(fā)生，即無法直接判斷爆破網(wǎng)路質(zhì)量，下面采用本發(fā)明處理辦法。
[0036]利用Matlab中傅立葉變換工具箱函數(shù)，通過比較簡單的編程將實測爆破振動信號進行頻譜分析直接完成從時域到頻域的轉(zhuǎn)化，圖5給出了 1#測點水平向的實測圍巖振動的功率譜。根據(jù)I#測點水平向的實測圍巖振動功率譜，可以得到此次爆破的主頻334Hz，高頻振動頻帶200?450Hz。采用數(shù)字信號處理系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法，分離出高頻振動的波形，見圖6。各微差段間的低頻振動干擾被消除。
[0037]利用時-能密度能量分析方法有反映信號能量突變的特征，將每一微差段的爆炸能量看作一個能量源，每一微差段的炸藥爆炸能量輸入必將引起系統(tǒng)能量的突變，根據(jù)時-能密度曲線中出現(xiàn)的突變可以準確識別每一微差段的實際起爆延時。利用Mat Iab中小波變換工具箱函數(shù)，通過比較簡單的編程得到分離出的高頻振動波形的時能密度曲線，見圖7。并采用時-能密度能量分析方法，準確識別每一微差段的實際延時。根據(jù)時-能密度能量分析方法準確識別得到的每一微差段的實際延時和設(shè)計延時，可以判斷是否有重段、串段，從而評價爆破網(wǎng)路的整體質(zhì)量。
【主權(quán)項】
1.一種基于實測高頻振動爆破振動信號的起爆網(wǎng)路質(zhì)量評價方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一，在爆破鉆孔、裝藥和聯(lián)網(wǎng)完成后，在爆心距30m范圍內(nèi)的鄰洞邊墻或爆心距1m?50m范圍內(nèi)的本洞底板或邊墻上布置孔內(nèi)液壓測桿傳感器； 步驟二，爆破過程中利用爆破振動監(jiān)測儀采集孔內(nèi)液壓測桿傳感器的爆破振動信號并記錄爆破過程的振動波形； 步驟三，對步驟二記錄的振動波形進行頻譜分析，并分離出數(shù)個高頻振動波形，頻帶范圍盡量接近數(shù)字信號采樣頻率的1/2; 步驟四，對步驟三分離出的高頻振動波形采用時-能密度能量分析方法，準確識別每一微差段的實際延時； 步驟五，將爆破網(wǎng)路各微差段的實際延時與設(shè)計延時進行對比，進行起爆網(wǎng)路質(zhì)量的評價。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述孔內(nèi)液壓測桿傳感器，包括振動傳感器、活塞、彈簧、剛性底座和剛性支座，所述振動傳感器的底部與活塞相連，繼而活塞另一側(cè)與彈簧相連，彈簧另一端與剛性底座相連;活塞套筒底部設(shè)置有剛性支座，剛性支座內(nèi)部中空，設(shè)有進氣通道并與活塞套筒相連通。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述孔內(nèi)液壓測桿傳感器設(shè)置在隧洞的邊墻或底板上2?3m孔深處，用于避開爆破損傷區(qū)從而準確監(jiān)測到爆破振動信號。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟三具體為通過對記錄的振動波形進行頻譜分析，根據(jù)振動信號在不同頻帶上的分布特征，應用數(shù)字信號處理的濾波方法，分離出高頻振動波形。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟五具體為將每一微差段的實際延時與設(shè)計延時進行對比，判別是否有重段、串段，從而實現(xiàn)起爆網(wǎng)路質(zhì)量的評價。
【文檔編號】G01H17/00GK106092311SQ201610407420
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】嚴鵬, 楊潤強, 盧文波, 陳明, 王高輝
【申請人】武漢大學