新中国成立50年来,我国的工程爆破测量技术有了长足的发展,从无到有,从单项测量到
张电吉1,汤 征2,范亚菊2(1·武汉化工学院,武汉430073; 2·武汉水利电力大学,武汉430070)
摘 要:叙述了工程爆破振动监测仪器标准化的主要内容:采用自记方式,人工或自动设置记录时间,有内启动和外启动记录方式,单次和多次记录方式,有线遥控及无线电遥控功能等。爆破振动监测仪器的标准化必将促进监测工作规范化。文章简述了规范化内容。
关键词:爆破振动监测;仪器标准化;监测工作规范化
中图分类号:TD235·1+4 文献标识码:A
1 引 言
新中国成立50年来,我国的工程爆破测量技术有了长足的发展,从无到有,从单项测量到大规模综合性测量,从静态测量发展到动态测量,从采用机械式测量技术发展到采用电子测量技术。在水电建设、采矿、交通等许多部门的各类爆破工作中,测试工作为设计、施工提供了大量有价值的资料。测试手段不断更新。一大批从事爆破测量的技术人员在实践中锻炼成长。在走过近半个世纪的时候,总结过去,指导与规划未来,必将大有利于工程爆破测量沿着正确的方向快速发展。本文仅就工程爆破震动测量仪器标准化与监测工作规范化问题与大家探讨,目的是促进我国爆破测量技术更新更快更有序地向前发展。
2 自记方式有利于测振仪器标准化
工程爆破震动测量按信号传输方式分为三种:有线测量方式、无线电遥测方式和自记方式。30多年来爆破震动多采用有线测量方式:利用传感器把被测物理量转换成电信号,经过一段导线将电信号传输到观测站的放大器,调节后送磁带记录器(或光线示波器等)记录。有线测量方式的优点是测点多少不受限制,测振设备虽然较笨重但技术比较简单,观测数据获得率较之从前有了大幅度提高。有线测量方式是非电量电测技术发展初期的必然产物,经过一段时间的应用,人们逐渐感到有线测量方式的测量导线带来很大的麻烦:爆破时,导线有时被砸断而测不到信号,有时容易感应干扰信号;必须在现场敷设和回收大量测量导线,要购置和运输大量导线,监测规模愈大,耗费人力、物力和财力愈大;其次,有线测量方式使用的放大器和记录器规格不一,难以做到统一操作,难以实现爆破现场振动监测工作规范化,不利于保障安全和提高工作效率。
采用无线电遥测方式的工程爆破震动测量,不需要很大的测量导线,跨越江河湖泊进行观测最为方便,观测站可以设在远离爆源的安全区内,测量结果实时地传到观测站记录下来。但是,同样存在以下问题:一是许多干扰将通过传输媒介电磁波带进测量通道,降低测量系统的信噪比;其次,在一次爆破观测中大量使用无线电遥测仪将产生相互干扰,常导致遥测仪不能正常工作;第三,不可能提供一个测点一个无线电发射频率,所以无线电爆破震动遥测仪常是多路的,各测点到发射机不可避免地仍要用一段导线传输信号,由于工程爆破监测点常常分布较广,发射机及其天线又必须保护好并安放在较为安全的地带,所以这一段导线并不很短。
自记方式的主要特点是不用测量导线,测振传感器输出的电信号径直送测振仪的模拟信号放大器调节,经模数转换器转换成数字信号存入半导体非易失性数据存储器里,完成振动波
形的记录。整个测量过程由嵌入单片机控制。监测完毕,取回测振仪,在计算机上进行数据处理与分析。1990年,长江科学院率先研制出采用自记方式的爆破震动自记仪〔1〕,以后国内有几家陆续生产了这类测振设备。长江科学院等单位近10年的应用〔2,3〕表明,工程爆破震动测量采用自记方式具有很大的优越性。由于全部使用CMOS集成电路器件和小型件,测振仪轻小,可用电池供电,测量时可以安放在测点附近,因而不用长的测量导线,避免了有线测量或无线电遥测带来的诸多不利,抗干扰能力增强,信噪比与测量精度均有所提高。测振仪通电后,整个监测过程由嵌入的单片机控制,操作简单,工作可靠。
综上所述,数十年工程爆破震动测量工作的实践经验表明,采用先进的自记技术有利于爆破震动监测仪器的标准化和监测工作规范化。因此,工程爆破震动测量采用自记技术,辅之以有线测量技术和无线电遥测技术,这将是我国今后工程爆破震动测量技术发展的方向。
3 仪器标准化
工程爆破震动监测仪器的标准化指的是:仪器应具备的必要性能以便采用先进技术和系列化;做到安全可靠,轻小,省电;能在现场统一操作。这些性能有:采用单片机控制的自记方式;无线电遥控与有线遥控;外启动记录与内启动记录;单次记录与多次记录。
3.1 自记方式
工程爆破测振仪采用自记方式记录振动波形,操作过程由单片机控制。单片机可用8位的或16位的。测振仪工作频带上限定为1400Hz,大量工程爆破震动监测记录表明,地震波振动频率很少超过此上限值。对于许多较大药量的爆破,测振仪工作频带上限定为700Hz已能满足要求。当单片机晶振频率减半时,采样速率减半,采样程序时间相应延长至2倍,工作频带上限则由1400Hz减为700Hz。所以,简单地安装一只单刀双掷开关切换晶振频率,测振仪的记录时间即可增加一倍。
数据存储器采用非易失性存储芯片,如NV-SRAM或Flash存储器。存储器可以直接安装在印制板上,或用存储卡,如PCMCIA存储卡。前者需将记录的振动信息传输到微机后处理分析;后者仅需将卡拔出然后插入微机相应槽内即可对记录信息处理分析,省去信息通过通讯线路存入微机所花费的大量传输时间。存储卡拔出后信息仍保留着,不需要保留的,擦除后再使用。存储数据可以随意分页调用。
数据存储器采用页面寻址方式,每次记录时间长短由设置记录首页及未页控制。每次记录至少1页,一次最多可全部记满数据存储器;最多记录次数等于总页数。设置记录首末页可以是自动的或人工的。每次记录的操作信息,如记录次数、记录首页码及末页码、已记录总页数、人工及自动设置的首末页码等信息,均应保存在数据存储器指定的区域里以备用。设计爆破测振仪时,应尽可能采取措施降低电源能耗、延长工作时间,如全部选用CMOSIC芯片、遥控开机、记录完毕自动断电(或恢复等待状态)等。测振仪充电一次,至少应能连续工作4h。
3.2 遥控
工程爆破测振仪采用无线电遥控的作用有3个:①遥控开机,节约用电;②给出统一的启动记录信号和时间起始标志信号;③统一爆破现场操作与指挥,保证爆破现场安全。以往,工作人员为了安全,必须在爆破前数小时撤离现场,那时就要把监测仪的电源打开,使之处于工作状态,极大地浪费电能。使用遥控开机,则可在任何需要的时候,对爆破现场振动监测仪器统一进行开机;其次,由爆破现场负责人操作,给一个启动记录信号,使现场所有的爆破测振仪同时记入时间起始标志并开始记录振动波形。爆破现场的统一操作与指挥提高了现场管理工作效率,有利于保障现场人身安全。
目前,无线电遥控使用的是频分制调频收发机。多年使用表明,这种收发机抗干扰能力较强,工作正常。当遥控项目增多时,可能要使用移频键控FSK收发系统了。遥控发射机的频率与功率应按《爆破安全规程》之规定使用。一般地说,遥控发射机功率在10W以下,使用高频以上波段的频率(使用频率应得到国家无线电管理委员会批准),距爆区不小于100m,不会造成电雷管错误引爆事故〔4〕。不要利用遥控发射机作指挥或通信工具,避免出现错误操作或产生事故。
爆破测振仪另设一路有线遥控,专门提供启动记录信号以启动测振仪记录。有线遥控应将各测振仪的有线遥控信号输入端口用屏蔽线连接起来。对于一般中小型工程爆破振动监测,只需单独使用有线遥控或无线电遥控,各种遥控的可靠度不低于95%。对于重要的或大型爆破,可将两种遥控并用,确保测振仪可靠启动及工作。
3.3 外启动记录与内启动记录
上节所述无线电遥控及有线遥控是外启动记录方式。当需要质点振速或作测点间波形相关分析时,必须有一个统一时间起始标志,因此必须用外启动记录。在爆破震动监测中,如果仅关心测点处地震波的振幅、频率,而不作相关分析,则不需要统一的时间标志。这样,可以利用测点各自的振动波形启动波形记录,这就是内启动记录方式。内启动可再省去一根有线遥控必需的统一时标线。在内启动方式下,应注意将启动信号到来前预记录的一段波形还原到正式记录的波形上,形成完整的记录波形。选用内启动或外启动记录方式应根据工程爆破震动监测要求和现场的具体情况而定。
3.4 单次记录与多次记录
工程爆破震动监测通常只进行一次测量。利用多段毫秒电雷管或导爆索起爆的爆破,无论爆破持续多长时间必须一次记完爆破全过程,中途不得中断,设置记录首末页时必须考虑这一点,这就是所说的单次记录。此外,考虑到我国目前还有许多中小型工程爆破使用火雷管,通常不需要监测两次相邻火雷管起爆中间的情况,为了节约有限的数据存储容量,可采用多次连续记录方式。多次记录系指一次记录完毕后,操作程序返回到等待启动信号到来状态,备再记录。首次记录以后的每次记录的首末页自动设定,每次记录页数与首次的相等。如处在等待状态超过规定时间,例如20min,仪器自动断电,以节省电能。
今后,工程爆破如不用火雷管起爆,或者每次记录的首末页可以遥控设置,那么就不需要连续多次记录这种方式。
3.5 软件
软件包括爆破测振仪的操作程序和记录数据处理程序。操作程序是测振仪器完成振动波形记录所必需的。关于记录数据的处理,过去人们常把爆破产生的振动波形当作类似简谐运动处理,如把振动随时间变化的最大峰值取作被测参量幅值,此幅值对应的跨时间轴两点间的时间作为被测主振频率的半周期时间,在此基础上建立爆破破坏判据和研究爆破地震波在岩土中的传播规律。应该指出,这种简化波形的处理方法提供的资料可能带来不小的误差。爆破产生的地震波是随机信号,只能在大量重复试验中发现统计规律性,因而需要并且也能使用概率统计方法描述和研究。所以,对爆破振动波形的分析处理应该用计算机或专门分析仪器进行功率谱、相关函数及概率密度函数等的数据处理,把爆破破坏判据与应力波在岩土中传播的规律用这些特征表述显然更为合理〔5〕。至于一般结构物受爆破而产生的动力反应,则可借用已有的专门软件分析处理。
4 爆破震动监测规范化
有了上述标准化的测振仪器,可以使爆破现场的振动监测工作做到既简单又安全,达到规范化的目的。震动监测规范化操作程序大体有如下步骤:
(1)按爆破震动监测要求,选定测点,安放传感器及测振仪。
(2)按爆破震动监测要求,统一设定测振仪工作状态:工作频带;本次记录时间(即设置本
次记录首末页);单/多次记录;内/外启动记录;有线/无线电遥控等。
(3)现场(指挥部)负责人通知所有人员按时撤离现场。
(4)现场负责人本人(或命令指定的专职操作人)在爆破前若干分钟遥控打开所有测振仪电源,使之处于正式记录等待状态;在爆破前1~3s内(或与引爆同时)启动正式记录。
(5)爆破完毕,现场负责人宣布解除警报,在延迟一定时间后,操作人员方可进入现场取回传感器测振仪。现场监测工作结束。
5 结束语
(1)具有前述标准化性能的设计方案,有助于生产系列化的先进的工程爆破震动测量设备。建议集中人力重点投入研制开发和生产这种标准化测振仪器,既能有效利用有限财力,又可使我国爆破震动监测技术迅速赶上世界先进水平。
(2)标准化爆破震动测量仪器必将促进爆破现场监测工作规范化,做到爆破现场统一指挥,极大地简化爆破现场工作,并使现场爆破更安全。爆破震动监测工作规范化和测振仪器标准化必将极大地促进我国爆破测量技术的发展并带来巨大的经济效益和社会效益。
(3)有许多较大的工程爆破,监测的不只是地震波,还要监测应变应力、冲击波、压力等,仅仅让测振仪器标准化而不考虑其它同时使用的例如应变仪等的配合问题,不能完成全部测量仪器的监测工作规范化。建议中国工程爆破协会组织人力研究这一工作,与有关单位一道尽快制订统一的标准化和规范化方案。
参考文献:
〔1〕傅有才,钱喜萍·YBJ-1型爆破自记仪设计与研制[J]·长江科学院院报,1991,8(26): 64-72·
〔2〕傅有才,钱喜萍·爆破自记仪在现场的应用[J]·人民长江,1992,23(9):29-31·
〔3〕汤之珉,傅有才,等·爆破振动自记系统研制与应用[J]·人民长江,1999, 30(8):29-31·
〔4〕张其中·爆破安全法规标准选编[M]·北京:中国标准出版社,1994·
〔5〕孟吉复,惠鸿斌·爆破测试技术[M]·北京:冶金工业出版社,1992·
