矿山爆破地震波信号降噪方法分析

矿山爆破地震波信号降噪方法分析

李小卫

中国葛洲坝集团第一工程有限公司 湖北省宜昌443000

摘要：据相关调查研究表明，当前我国各地区矿山爆破项目中所产生的地震波信号中含有众多高频噪音，在根本上掩盖了实际信号特性，为我国采矿工程项目增添了更多难度系数，对爆破有害效应分析工作也带来了负面影响。为了在根本上降低信号噪声成分，相关人员需要积极运用多样化措施方法进行地震波信号降噪处理。

关键词：矿山爆破；地震波信号；降噪

引言：因为地震波信号具有复杂性基本特点，在处理和接受地震波信号期间往往会引入众多噪音。各类噪音的产生会对富有价值的信号产生负面影响，导致信噪比不断降低，并为后续的数据分析、处理等工作带来更多挑战。

一、爆破地震波信号的产生原因及传播特性

（一）爆破地震波的形成及分类

从整体视角来看，爆破是我国矿山采集行业中的核心组成部分，岩体结构中出现炸药爆炸等情况后，所释放的少数能量会致使炸药周边介质发生变化并引起一系列扰动问题，并利用波的途径朝向各方位传播。在爆炸中区和近区传播期间的顺序通常以冲击波-应力波为主，地震波主要指的是应力波在传播至园区边界处发生折射、反射等物理反应后而生成，其体现为由爆炸源头周边应力波转化至岩土介质所传播的能量扰动，虽然此现象所产生的能量仅占据整体爆炸能量中的小比例，然而爆炸地震波的基本特性对深入分析爆破地震波的衰减规律、信号降噪及传播理论等均凸显出不可忽视的价值效用。爆破地震波通常涉及到介质内部结构中所形成的体波及岩层表面的面波。一般情况下，体波也被合理划分为横波、纵波等，而面波一般涉及到L波及R波。体波凸显出振动频率低、维持时间短、衰减快等基本特性；面波的基本特点体现为振幅较大、传播速度缓慢及周期较长等。体波中的P波在产生之际往往会导致岩石结构出现一系列变形、压缩等问题，其也是矿山爆破期间导致岩石结构不断开裂等根本性原因，并在爆破近区范围内展现出主体性作用；面波中的R波，因其自身具备衰减缓慢、频率低等特点，在引发地震破坏等事故因素中占据着至关重要的地位，并在爆破园区范围内具有一定的作用。

（二）爆破地震波传播特性

1.爆破地震波的传播途径

一般情况下，地震波在实际传播阶段中往往会产生衍射、波导、反射、透射及层间波等情况，导致地震波的传播方向与实际路径存在或多或少的差异性，造成此种情况的根本原因体现为炸药、爆破参数、装药结构等具备一定的多样性特点，传播介质所具有的的力学特性及地形多边形也会在根本上致使爆破地震波具有按照时间变化而不可重复的特性。地震波在不同环境及界面位置垂直射入期间通常会产生诸多反射、绕射及透射等情况。斜入射条件下还会出现S波与P波两者间的波型转换，主要体现在入射P波及SV波会发生反射及透射P波与SV等，而SV波仅会产生反射及透射的SH波。在此情况下，层面介质对地震波的传播特性及速度等方面存在一定的关联性，爆破所引发的地层结构振动也是一项极为复杂、综合化的过程，所检测的波型一般涉及到面波和体波，其主要由各个相位、频率及幅值的波型相互叠加，进而形成一种大规模复合波[1]。

2.爆破地震波的涉及内容

从整体视角来看，爆破地震波往往涉及到诸多结构成分，体现为一种宽频带波，在实际传播环节中，因受到介质的滤波性作用，促使爆破地震波会朝向传播目标远处位置加以散开，进而实现高频率吸收，然而低频可以传播至更远的位置。爆破地震波往往涉及到一个或多个关键性频率成分，差异化频率成分岁专业设备、工作人员及结构特性所带来的影响也各不相同。众多爆破地震波频率通常聚焦于低频段范围内，当与结构固有频率存在一定相似处后便会引发一系列共振情况，进一步加大对整体结构的负面影响，所以相关专业机构和工作人员需要对爆破地震波的频率特性给予高度重视和关注。

3.爆破地震波产波期间的衰减与吸收

通常情况下，波根据阵面形状可以合理划分为柱面波、平面波和球面波三种类型，爆破地震波在通过介质传播环节中，往往以球面波及柱面波等实现传播作业，然而在传播距离日益增大的趋势下，波阵面的形状大小也会随之拓宽，进而在波阵面表层上均匀分布扩散，促使波可以根据传播距离的增大而不断减少，此种现象也被广泛称为几何衰减。如果想要在标准化弹性介质范围内，促使能量在波传播期间不会产生任何衰减问题，最重要的是需要在介质分界面等位置实现科学化反射与透射，以此来改变波能的实际传播方向，将能量转换遏制在萌芽时期。然而在实际项目操作期间的矿山爆破地震波传播介质体现为一种非理想型粘弹性介质，地震波在传播环节中需要重点解决各个介质彼此间存在的粘滞性问题，并在传播环节中所携带的弛豫效应、热传导效应影响下，促使波能可以在介质船舶环节中出现衰减，保障各项能量可以顺利被介质加以吸收，产生声能变为热能等现象。

图1爆破地震波信号

二、矿山爆破地震波信号的降噪方法

从整体视角来看，因为爆破地震波信号在实际传播期间往往会带来极大的伤害，具体项目工程中甚至会对工作人员的生命安全造成严重威胁，除此之外，地震波信号噪音会对周边生态环境及人民群众造成负面影响，所以为了在根本上实现矿山爆破地震波信号降噪，国内外知名人士和专业机构已经对此项目展开深层次探究与分析

。

（一）小波降噪处理

运用小波变换方法可以在根本上将爆破地震波信号科学化解为不同时段、频带范围内的结构成分，当噪声与实际信号处在差异性的频带当中，工作人员可以将与噪音匹配的小波系数根据阈值加以处理，最后运用重构公式对相关信号展开进一步重构处理，进而达到信号滤波等基本目标[2]。小波降噪往往涉及到尺度空间滤波、模极大值、阈值等方法，在此期间，模极大值和尺度空间滤波方法主要指的是运用噪声、信号在小波变换空间范围内所彰显的差异性特点，运用小波变换法对信号S进行深层次分解处理，将S分解成近似与细节两种板块，即D1与A1，进而探索A1与D1信号是原数据S的1/2，而且A1可以将原信号的近似信息及低频类信息有效保留。在噪声过滤方面加以分析可以看出，A1信号的成分构成较为复杂，D1所属于噪声信号基本范畴。对A1信号展开小波分解后，可以帮助工作人员获取更高尺度的细节部分、近似部分A2与D2.在此情况下，对A2加以分解形成A3和D3，可以结合实际情况展开重复分解和多次分解，分解尺度越高，也就意味着分解信号频率越低。一般情况下，分解关系运用公式表示为：

S=A3+D3+D2+D1

此方法在实际运用期间，尤其是对低频部分展开分解阶段中，可以减免对高频部分的深入考虑。分解根本目标体现为创设出在频率高度逼近空间的正交小波基，分辨率差异化的正交小波基也可以作为带宽不同的去噪器。由此可以看出，地震波信号运用小波变换法实现降噪可以归纳为以下几个关键环节：其一，针对矿山爆破地震波信号实施小波分解处理。相关人员需要结合实际情况筛选小波函数，并精准定位分解层数N，对信号S展开N层小波分解处理；其二，小波分解高频系数阈值量化。针对1-N层高频系数基本特性，筛选出某个单独性阈值加以量化处理；其三，信号重组。小波分解后的第N层低频系数与完成处理作业后的1-N层高频系数需要及时展开信号重组。由此可以看出，小波变换方法是一种全新的滤波途径，其在多尺度范围内所彰显出的优势特点可以在根本上去除地震波信号中的噪声，而且在低信噪比状况下也可以凸显出一定的去噪效果。因此，科学运用小波分析并筛选与之匹配的阈值，对地震波信号降噪处理体现出不可忽视的价值效用[3]。

图2小波分解结构图

（二）合理优化孔网参数

结合实际爆破的微分原理可以看出，为了确保将信号噪音降低至最小范围内，保障人民群众的生命安全，可以将炸药均匀摊铺于被爆岩体结构当中，避免在爆破期间出现能量集中化等现象，以此来降低爆破振动的强度，在一定程度上达到地震波信号科学降噪等基本目标。爆破设计环节中，相关工作人员需要充分考虑地区条件、生产要素等合理筛选孔网参数。对于破碎效果较为严重的岩石结构而言，可以对其适当的减小孔距；当岩石硬度过高期间，可以通过增大孔距等措施方法获取显著性应用效果。结合岩石的时间条件和现状加以优化和调节，但需要重点注意的是需要保障最大抵抗线与抛掷方向的科学管控，还可以运用小排距、大孔距等创新式爆破技术，减少炮孔深度、有效调节孔洞长度，并运用孔内间隔装药等途径方法实现参数优化，在根本上满足爆破地震波信号降噪等基本标准。除此之外，科学筛选爆破参数降低爆破振动也是一项不可忽视的方法手段。首先，相关工作人员需要对炸药消耗量的设定工作给予高度重视，其在爆破设计及科学运算炸药量等方面体现出至关重要的作用，除了对确保爆破效果以外，还对爆破振动幅度、强度、频率等产生极大的影响。较大的炸药消耗量会促使爆炸振动幅度、噪音影响度及空气冲击波不断增大，还会导致岩块出现一系列位移和抛掷等问题。最佳适宜的炸药单耗可以积极运用实际检测、实践经验等加以明确；其次，需要对一次爆破炸药量加以科学管控，一次爆破期间所消耗的炸药量与振动强度体现为正比例关系，在具备一定条件下，相关人员需要采用分段式起爆作业，其不会对爆破整体装药量、矿石总量等带来负面影响，进而满足项目生产的标准需求。

（三）改善爆破条件降低爆破振动

想要在根本上实现爆破地震波信号降噪，最关键的措施方法是构设出健康良好的空间场所。据相关调查研究可以看出，条件优异的炮孔爆破所产生的地面震动幅度相对较小，所以爆破施工环节中需要创设出科学有效的空间并配备相应的微差技术，促使各个炮孔具备一定的自由空间和范围，进而保障在炮孔实现爆破后，后排炮孔爆破所产生的压缩波可以在自由面实现反射，进而获取足够的松动作用，在根本上达到降低爆破地震波信号噪音及振动频率等目标。另外，还需要结合实际情况对爆破传播方向加以调整和优化，特别是在开展露天爆破作业期间，爆源与被保护对象的方位往往各不相同，其所受到的影响也存在或多或少的差异性。因此，抛掷爆破阶段中最小抵抗线方向的振动是最小的，成排药包爆破期间，在药包中心衔接位置比垂直于连线部位的震动频率可以降低为25%-45%左右[4]。

（四）深入探究爆破对象

从整体视角来看，在矿山爆破项目当中，经过长时间的观察与勘测，可以帮助工作人员熟练掌握岩体结构的基本特性、组成内容及抗震能力，在此情况下需要结合爆破地震波的发展趋势、传播特点及建筑物特点等，运用频谱相干特性与建筑影响特征展开进一步分析探究，进而精准定位出爆破参数与地质环境要素存在关联性的系数，有效明确科学化爆破影响效果、信号噪音及安全距离。

（五）VMD-MPE算法降噪

因受到矿山复杂化地质条件及环境因素的干扰影响，矿山爆破地震波信号所产生的噪声相对较严重，致使实际信号内容被噪声完全覆盖及遮掩。对于此问题而言，积极运用自适应VMD-MPE算法降噪可以凸显出一定的应用价值。首先需要对地震波信号展开VMD分解，帮助工作人员获取差异化频率的IMF，切实规避模态混叠及端点效应问题。

图3自适应VMD-MPE降噪流程

结论：综上所述，在矿山爆破工程项目当中，人们逐渐意识到降低地震波信号噪音的重要价值，并对地震波防护工作给予高度重视与关注。相关研究机构需要对各类降噪方法展开深入分析，以此来优先筛选出符合环境特点的最佳降噪手段，进而达到科学提取价值类信号等基本目标。

参考文献：

[1]贾志伟,帅金山,胡勇. 复杂充填体对爆破地震波传播特性影响研究[J]. 爆破,2022,39(03):172-180.

[2]彭亚雄,刘广进,刘运思. 基于自适应VMD-MPE算法的矿山爆破地震波信号降噪方法研究[J]. 振动与冲击,2022,41(13):135-141.

[3]黄智刚,吕虎波,林一庚,彭亚雄,吴立,陈劲. 基于CEEMDAN-MPE算法的隧道爆破地震波信号降噪方法及应用[J]. 爆破,2020,37(04):138-144.

[4]董林鹭,蒋若辰,钱波. 基于LMD–SVD的微震信号降噪方法研究[J]. 工程科学与技术,2019,51(05):126-136.