对巷道围岩的爆破震动信号进行监测，并根据分析得到的结果采用合理的掏槽方式对巷道进行钻爆法施工，有利于尽可能地降低爆破震动对围岩的损伤和保证巷道及周围建(构)筑物的安全和稳定。HHT法是一种由EMD(经验模态分解)和Hilbert变换两部分组成的分析技术。它依据数据本身的时间尺度特性进行分解，是一种更具适应性的时频局部化分析方法，且没有固定的先验基底，因此更适合于处理非平稳信号。

近年来，相关学者对爆破震动信号进行了大量的研究。单仁亮[1]、曹野[2]等采用数值模拟的方法，结合巷道围岩的爆破震动效应分析了巷道在不同围压下的能量带分布和震动区岩体的动力响应；凌同华[3]利用小波分析和HHT变换讨论了爆破震动信号的特征提取和时频分布；李夕兵[4]采用小波分析的时能密度法对微差爆破进行分析，得出了较优的延期时间；饶运章等[5]根据现场实测数据分析，提出了一种新的EMD-小波阂值爆破震动信号去噪方法；宋志伟[6]、付晓强[7]等结合现场采集到的爆破震动信号，使用HHT方法对其进行了分析处理，从实践中验证HHT理论在爆破振动信号处理中的可行性；杨阳[8]等通过采集掘进机工作状态下的振动加速度，并对信号进行时域、频域和能量分析，得出掘进机回转台的振动特性和频带能量分布；安泰龙[9]等对井工巷道围岩监测到的数据进行多元非线性回归分析，得出萨氏公式中的 K、α，确定了试验矿井露天爆破单响炸药量，以及露天爆源与井工大巷的安全距离。本文采用HHT信号分析方法对爆破监测的数据进行分析，根据分析结果对爆破参数进行优化，以确定合适的爆破方案，指导掏槽爆破设计与施工。

1 掏槽爆破试验

1.1 现场试验巷道及测点布置

试验巷道的断面宽度为3.4m，高3.9m，净断面积12.02m2。试验段岩石的物理力学参数见表1。试验主要进行直眼和楔形两种掏槽方式的开挖。巷道顶板及侧壁爆破振动监测布置如图1所示。

 

表1 岩石的物理参数

  

干密度/(kg·cm-3)弹性模量/GPa泊松比体积弹性模量/GPa剪切模量/GPa135073802439302

  

(注：C为钻爆中心，P1—P3为测点位置)

 

图1 巷道顶板及侧壁爆破振动观测点布置图

1.2 巷道爆破方案

本次测试选用BM VIEW系列UBOX-5016爆破测振仪，对爆破振动垂直、径向、切向的数据进行采集。将3台爆破振动速度传感器布置在巷道顶部，同时在巷道侧壁处布置传感器，每个测点安放1个三向(径向、垂向、切向)传感器，每个爆破循环之后，爆破振动的测点同步紧跟布置。巷道采用光面爆破开挖，根据不同的围岩类别采用不同的炮眼布置和不同的装药量[10-12]。巷道断面掏槽部分的炮眼布置如图2所示，相关爆破参数见表2。

3）操纵指令解析。通过Qt的串口类QtSerialPort实现与Arduino板的串口通信。通过解析串口通信数据，获得来自操纵面板的操作指令。

  

注：炮孔直径200mm，采用电子雷管逐孔起爆

 

图2 两种不同掏槽方式炮眼布置图(mm)

原始信号X(t)可由n个IMF分量和余项rn(t)组成，即：

 

表2 两种掏槽爆破参数

  

掏槽形式炮孔名称眼号装药量/kg眼卷总量起爆顺序连接方式装药结构直眼掏槽直眼掏槽空眼掏槽眼12-7035063—1楔形掏槽楔形掏槽空眼掏槽眼12-703506331串并联反向装药

 

注：雷管类型为毫秒雷管，炸药类型为三级岩石乳化炸药。

  

图3 直眼和楔形两种掏槽方式下的波形图

爆破振动安全允许标准见表3[13]，根据表3并结合波形图和时频图可得出：除直眼掏槽在爆心距R=15m处的振速峰值超过30cm/s外，其余振速峰值均在安全允许范围内。

式中，Re表示取实部；H为震幅；a(t)为幅值函数；ω(t)为角频率函数，再取震幅的平方对时间积分，得到Hilbert能量谱。

 

表3 爆破振动安全允许标准

  

保护对象类别安全允许质点振动速度/(cm·s-1)f≤10Hz10Hz50Hz矿山巷道15～1818～2520～30

2 EMD原理与算法

从巷道顶部测到的垂直方向振动速度波形图如图3所示，分别为在相同药量下直眼和楔形掏槽在爆心距为10m、15m、20m处的降噪后的波形图。

 

原始信号X(t)可以表示成Hibert谱的形式：

式(10)中，利用分布式压缩感知算法进行重构时，在寻找每个支撑集位置时考虑了所有N组方位向回波的联合稀疏信息，因此大大增加了重构的准确性，此时可得到更为精确的方位向联合重构结果δ=[δ1，δ2…,δN].

决策链包括规则制定和资源分配两个方面，二者主要涉及政治价值。决策链是官僚系统运行链的前段，需注重代表性、回应性、公平公正、公开透明等原则，保持政治价值理性。规则制定是指中高层领导干部制定的组织战略、改革方案、执行细则等一系列指导性规则。在规则制定过程中要与党和国家的意志和原则保持一致，保证政策或制度的代表性和回应性，保护公民权益不受侵害。资源分配是指决策过程中为保障制度规则顺利实施而将权力、资金、人员等相关资源分配给政策执行主体。资源分配应秉承公平正义和公开透明原则，一旦出现资源分配过程中的权力寻租、资源配置畸形等不合理现象，必须引起高度重视，深究问题线索，消除腐败苗头。

  

图4 信号的EMD分量及余量

利用式(10)在MATLAB环境下编程，得到原始信号在两种掏槽形式下爆心距分别为10m、15m、20m的频谱图如图5所示。两种掏槽形式的三维能量图如图6所示。

利用EMD方法对原始信号进行分解，对爆心距为15m处测得的直眼掏槽和楔形掏槽爆破震动信号进行分解，分解结果如图4所示。

3 Hibert变换及Hibert谱

式中，t为时间，s；c(t)为固有模态函数；rn(t)为余项。

 

2.3 模拟“遗传信息翻译”的过程 指导学生阅读教材上相关的文字和图示，理解遗传信息的翻译过程。在进行模拟实验前，思考如下几点： ①如何找出mRNA上的起始密码子、终止密码子？②如何查找mRNA上密码子对应的氨基酸？③核糖体与mRNA的结合部位会形成几个tRNA的结合位点？④是mRNA沿着核糖体移动还是核糖体沿着mRNA移动？⑤二肽和多肽是如何形成的？现在有了模板mRNA、生产厂房——核糖体、原料——20种氨基酸、转运工具——tRNA， 2个学生一组材料，模拟蛋白质的合成。模拟实验步骤如下：

ES(ω)=H2(ω，t)dt(10)

从图4可以看出：两种掏槽形式下的原始信号都被分解为6个IMF分量c1～c6。其中c2相比c1频率变低，这是因为在地震波的传播过程中高频已大幅衰减，但它的震动幅值却大幅增加，表明c2分量占原始信号能量的比重很大，基本上代表了主频分量。另外，c3、c4和c5是分解后频率更小的分量，将其合成可得到爆破震动特征信号。c6的频率和幅值都达到最小，所占能量基本可忽略不计。直到分解出频率已经很低的最后一个余量r，它表明监测仪器的漂零或信号微弱的变化趋势。各IMF分量包含了不同的时间特征尺度，说明在两种掏槽形式下EMD分解中分辨率是自适应的。

  

图5 直眼和楔形掏槽方式下的时频图

  

图6 直眼和楔形掏槽方式下的能量谱图

从图5可以清楚地看出两种掏槽形式的波动能量基本上分布在频率为500Hz的范围内，且直眼掏槽的大部分频率集中在80～450Hz的高频区，其优势频率分布在0.0025s内；楔形掏槽的频率几乎都在30～200Hz的低频区，其优势频率分布在0.0075s内。表明直眼掏槽的主频较高但主频带范围小，而楔形掏槽主频较低但主频带范围大，并且两者主频都随时间很快衰减，前者衰减更快。从图6可以看出：直眼掏槽信号内能量峰值为12.5J，且高频比例较大；楔形掏槽信号内能量峰值为11J，低频比例增加。后者比前者能量峰值稍小但出现了明显的能量均布化现象。进一步证明了HHT法在不同掏槽形式的爆破震动信号分析中的有效性。

4 结 论

1)根据爆破安全允许标准，除直眼掏槽对爆破近区有一定的破坏作用外，巷道围岩及周边的地面建(构)筑物均在安全允许范围内，这就保证了巷道围岩的稳定性。

在绿色建筑中，还有很多部分都可以承载3000光伏发电系统，这些部分都能够接受一定太阳光照射。比如说，阳台遮阳板可以安置光电板，在遮阳之时提供电能，不仅可以保证适宜温度，而且也可以收集阳光。这些部分虽然都可以承载光伏发电设备，但是一定要考虑防火、防水等问题，以期提供安全而稳定的光能。

2)直眼掏槽信号主频较高且主频带的范围较小，信号内高频能量的比例较大。楔形掏槽信号主频较低但频带范围较宽，信号内的低频能量比例增加，对围岩损伤小于直眼掏槽。

3)楔形掏槽由于其夹制作用小，振动范围小，爆破施工时对围岩和周围建(构)筑物的影响较小。但其缺点在于适合断面较大的巷道，同时打眼角度的控制是难点，技术要求较高，在实际应用过程中要和直眼掏槽结合使用。

参考文献：

[1] 单仁亮，王二成，宋立伟，等.直墙半圆拱巷道爆破震动数值分析[J].岩土力学，2013，34(S1)：437-443.

[2] 曹 野，宋 波，陈宏伟.围岩压力对爆破信号频域能量分布影响研究[J].地下空间与工程学报，2015，2(2)：350-357.

[3] 凌同华，李夕兵.多段微差爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24(7)：1117-1122.

[4] 李夕兵，张义平，刘志祥，等.爆破震动信号的小波分析与HHT变换[J].爆炸与冲击，2005，25(6)：528-535.

[5] 饶运章，王 柳，饶 睿，等.基于EMD与小波阈值的爆破震动信号去噪方法[J].福州大学学报(自然科学版)，2015，7(2)：271-277.

[6] 宋志伟，胡龙飞，蒋跃飞，等.基于HHT法的爆破震动衰减规律研究[J].矿业研究与开发，2015，6(5)：56-60.

[7] 付晓强，张世平，张昌锁.复线隧道爆破振动信号的HHT分析[J].工程爆破，2012，18(3)：5-8，16.

[8] 杨 阳，吉晓冬，杨子贤，等.掘进机回转台振动信号状态监测和分析[J].煤炭工程，2015，47(8)：110-112.

[9] 安泰龙，李俊孟，齐文跃，等.露天爆破对井工巷道围岩稳定性影响研究[J].煤炭工程，2016，48(1)：74-76.

[10] 曹志安，高明仕，李玉龙，等.大断面岩巷掘进光爆参数优化及实践[J].煤矿安全，2014(6)：166-169.

[11] 杨国梁，姜琳琳，杨仁树.复式楔形深孔掏槽爆破研究[J].中国矿业大学学报，2013，9(5)：755-760.

[12] GB 6722—2014，爆破安全规程[S].