随着矿山开采、水利水电、公路、铁路工程等行业的发展,深孔台阶爆破由于其良好的技术和经济效果,已成为岩土爆破工程中使用率最高的爆破作业方式。但由于一次装药量较多,爆破规模较大,产生的有害效应也严重影响了周围居民的正常生产和生活。爆破有害效应中,爆破振动是爆破危害的主要因素,现场施工过程中,因爆破振动而产生的事故和纠纷比比皆是,尤其在靠近村庄、古迹等重要建筑设施附近进行爆破作业时,往往还会带来更多问题。因此,对深孔台阶爆破振动效应进行深入研究无疑是十分必要的。关于爆破振动的安全判据,国家《爆破安全规程》(GB 6722)规定对地面建筑物采用振速和频率作为综合判别标准,以振速为主,频率作为修正参考的依据,仍沿用前苏联M.A萨道夫斯基公式。萨道夫斯基公式的推导是在集中药包硐室爆破的基础上,通过量纲分析得到的,具有明确的物理意义和使用条件。若将其应用到深孔台阶爆破中,势必会出现诸多问题。然而,爆破工作者在大量的工程实践中发现,萨道夫斯基公式对于中远区爆破振动的预测,仍然能够满足工程要求。原因是当爆心距相对于爆区分布范围来说足够大时,可将远距离群孔药包近似看成集中药包,满足萨道夫斯基公式的基本假设。但在爆破近区,测点振动峰值的预测误差可以达到200%~300%,结果差强人意。这对于临近结构及建筑物的爆破施工中,预先了解和评估爆破震动的影响程度,显然是不利的。目前,国内外关于深孔台阶爆破近区的振动研究尚不多见。对于近区振动的特点、分布规律、主要影响因素及相互关系的研究更少。如何解决近区振动强度、频率预测的准确性对于爆破设计、现场工艺的改善均有着十分重要的意义。本文通过开展大量的现场试验,利用信号分析与处理、概率论与数理统计、建模计算等方法,对近区的振动特征进行了深入系统的研究,取得的主要成果如下:(1)对近区和远区振动强度的特征进行了比较。本试验场地条件下,当比例距离小于5时,水平径向振速最大;大于5时,垂向振速最大。从衰减规律来看,近区的K及α值均大于远区。拟合优度上,近区的残差平方和大于远区,而相关系数则小于远区,三分量中,垂向分量的相关系数最大。从随机变量的角度来看,同一测点处,近区振速的变异系数大于远区。(2)对近区和远区能量分布特征进行了比较。当最大段药量或爆心距增加时,近区及远区的能量逐渐向低频带流动,近区的移动速度更快;同时近区及远区能量分布的频带宽度也趋于集中,近区的频带宽度大于远区。(3)总结了近区爆破信号趋势项产生的原因主要为大振幅脉冲输入下的非线性失真及低频干扰叠加。利用EEMD、小波分解等信号分析手段,提出了以各IMF分量频带分布为指标、人工判别的趋势项消除方法,以及基于自相关分析识别噪声特征的小波阈值去噪方法。实例证明该方法切实有效,可实现爆破信号的批量化预处理。(4)对近区实测的54组单孔波形进行统计分析,得到本试验场地条件下,单孔震波垂向振速及主频的衰减规律。通过改变微差时间,对5组代表不同距离场地特征的单孔波形进行双段叠加,结果表明:叠加波形的降振率随微差时间连续变化,主频则表现出一定的阶跃特性。随着距离的增加,叠加波形达到最大降振率和最低主频所对应的微差时间逐渐增大,降震率降低,主频随微差时间的变化逐渐减弱。(5)基于传播介质均一、连续的假设,在爆区后方构建一个5排×17列的测点方阵模型来模拟单排炮孔在不同爆破条件下振动“场”的变化情况,通过计算,得到炮孔数目、炮孔距离及炮孔装药量对近区振速分布的影响:1)随炮孔数目的增加,同一位置测点的振速增大,但增幅随炮孔数目的增加而降低,这种趋势由爆区中心向两边逐渐递减。平行炮孔连线方向上,振速自中心测线向两边递减的速度随炮孔数目的增加而增大。振速等值线的形状由近似圆形逐渐向炮孔包络线过渡,爆区中心处的等值线与炮孔连线近似平行,表明一定范围内地震波能量流动的方向逐渐统一。2)随炮孔距离的增加,平行炮孔连线方向上,靠近中心的测点振速降低,靠近边缘的测点振速增加,二者分界点与实际炮孔数目及炮孔距离有关。振速自中心测线向两边递减的速度逐渐减小。由于炮孔连线上能量密度降低,振速等值线分布更加粗糙,扩散程度增加。3)随炮孔装药量的增加,平行炮孔连线方向上,振速自中心测线向两边递减的速度逐渐增大,振速等值线形状无明显变化。4)随地震波传播距离的增加,上述爆破条件对振速分布的影响逐渐减小,说明群孔效应对近区振动强度分布的影响大于远区。(6)以近区某次单孔试验为例,分析了雷管延期误差、各震波频率差异及波速计算误差等因素对深孔台阶爆破振速预测的影响。通过概率统计得出,95%置信区间下,两发MS10非电导爆管雷管的最大延期时间可达40.46ms。雷管延期误差是影响预测效果的主要因素。(7)提出一种基于波形识别的雷管延期时间确定方法,应用于本例中,计算得到最优置信度下各炮孔实际延期时间为:-15.84ms、4.04ms、15.82ms、9.43ms、15.84ms、6.97ms和2.74ms。在排除雷管延期误差等因素的影响后,各测点振速预测偏差由之前的83.49%~140.66%,变为0~39.13%;主频预测偏差由1.68%~31.96%,变为1.54%~17.79%,预测效果提升显著。在此基础上,尝试将振动预测推广到一定范围内的未知测点,从预测效果来看,振速预测基本满足现场要求,主频预测仍有待提高。