一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法
【專利摘要】一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，包含如下步驟：⑴設(shè)置爆破振動傳感器；⑵采集信號并轉(zhuǎn)換成電信號記錄；⑶電信號經(jīng)信號放大器放大，繼而經(jīng)無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)；⑷將接收到的信號傳遞給計算機的振動信號識別過濾系統(tǒng)，對振動波形進行頻譜分析識別分離；⑸對分離出的波形信號進行特征參數(shù)的提取，進行災(zāi)害預(yù)測或評價。其優(yōu)點在于：利用爆破振動監(jiān)測的設(shè)備，通過信號分析來實現(xiàn)對深部巖體巖爆的進行預(yù)測和預(yù)警，簡便實用，不需要巨大的人力和物力投入，且不干擾現(xiàn)場施工，靈活方便，對不同的工程適應(yīng)性強。
【專利說明】一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，適用于水利水電工程、交通、礦山等領(lǐng)域深埋地下洞室開挖或深部采礦過程中強烈?guī)r爆(沖擊地壓)的預(yù)測和預(yù)警。
【背景技術(shù)】
[0002]由于巖爆是非常復(fù)雜的動力地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，其影響因素眾多，由此也決定了巖爆預(yù)測的多樣性及復(fù)雜性，目前國內(nèi)外學(xué)者已從強度、剛度、能量、穩(wěn)定、斷裂、損傷、分形和突變等方面對巖爆進行分析，提出各種的假設(shè)和判據(jù)。如Rusesenes、Turchaninov、賈愚如、王元漢等人的巖爆判別準(zhǔn)則；徐林生等人的施工地質(zhì)超前預(yù)報法和？?/?R判據(jù)預(yù)測法；波蘭Kidy—binsk的儲能測試分析預(yù)測法；侯發(fā)亮臨界深度預(yù)測法等等。
[0003]這些巖爆預(yù)測的理論方法，大多基于數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗和簡單的應(yīng)力判斷，預(yù)測精度低，雖具有普適性，但針對性差，只能進行宏觀判斷，應(yīng)用受到很大的局限。隨著對巖爆發(fā)生機理研究的深入和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，人們開始借助一些必要的儀器，對地下工程的現(xiàn)場或巖體直接進行監(jiān)測或測試， 來判別是否有發(fā)生巖爆的可能。
[0004]巖爆的微震監(jiān)測預(yù)報技術(shù)是目前被寄予厚望的現(xiàn)場巖爆監(jiān)測預(yù)報方法，預(yù)測精度也較高。然而傳統(tǒng)的聲發(fā)射(Acoustic Emission)監(jiān)測儀器，其測點網(wǎng)的布置工作量很大，需要在巖爆傾向性的部位鉆孔，設(shè)備和人員十分危險，探頭還要與巖體進行良好的耦合，以抵抗干擾，使用起來比較復(fù)雜。安裝占用作業(yè)時間和空間，工程量很大，需投入較多的人力和物力，預(yù)測作業(yè)時間較長，影響和限制施工速度，預(yù)測所需費用高，而且其準(zhǔn)確性易受人工及工作面巖體在空間上分布不均勻和時間上不穩(wěn)定的影響，測試數(shù)據(jù)只能反映測量時的靜態(tài)特征。另外，在巖爆危險部位打鉆孔，對設(shè)備和人員有較大危險。因此該方法需要十分巨大的投資和專門的監(jiān)測分析團隊，系統(tǒng)建設(shè)周期也較長，比較適合于深埋巨型礦山的開采過程和深埋巨型地下洞室群的巖爆預(yù)測。對于投資規(guī)模較小的工程，或者長度較大的交通、引水隧洞等，其工作面小而且隨施工進度變化較快，傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)布置較為困難，存在精度不高和投入不足等因素的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決以上現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，利用爆破振動監(jiān)測的設(shè)備，通過信號分析來實現(xiàn)對深部巖體巖爆的進行預(yù)測和預(yù)警，簡便實用，不需要巨大的人力和物力投入，且不干擾現(xiàn)場施工，靈活方便，對不同的工程適應(yīng)性強。
[0006]一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，包含如下步驟:
[0007]1、將爆破振動傳感器設(shè)置在本洞和臨洞的邊墻或底板上，并將爆破振動傳感器緊密地固定在圍巖上；
[0008]2、采用爆破振動傳感器監(jiān)測微震信號的低頻成分，三通道并行采集信號并轉(zhuǎn)換成電信號記錄；
[0009]3、爆破振動傳感器通過數(shù)據(jù)連接線與包括有信號放大器、無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器的前端信號處理器相連，電信號經(jīng)信號放大器放大，繼而經(jīng)無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)；
[0010]4、遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)包括無線電信號接收器和振動信號識別過濾系統(tǒng)；無線電信號接收器將接收到的信號傳遞給計算機的振動信號識別過濾系統(tǒng)，對振動波形進行頻譜分析識別分離；
[0011]5、對經(jīng)步驟4分離出的波形信號(時譜信號)進行特征參數(shù)的提取，根據(jù)提取后的參數(shù)值大小及其變化情況，進行災(zāi)害預(yù)測或評價，當(dāng)安全指數(shù)超過設(shè)定的巖爆預(yù)警范圍時自動觸發(fā)報警裝置報警。
[0012]所述爆破振動傳感器的頻響范圍為O?500kHz，采樣率為IkHz?50kHz。
[0013]所述對振動波形進行頻譜分析識別分離，是指通過對信號進行小波分析和頻譜分析，根據(jù)微震信號主頻、持續(xù)時間、振幅特性，應(yīng)用數(shù)字信號處理的濾波方法，過濾掉干擾信號所在頻段，實現(xiàn)對疊加波形分離。
[0014]常用的微震信號特征參數(shù)包括事件率、振幅、能量計數(shù)、事件持續(xù)時間、頻率分布和時差。
[0015]本發(fā)明基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法的優(yōu)點是:
[0016]1，使用爆破振動傳感器，設(shè)備體積小造價低，安裝簡單且精度高，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期短，可重復(fù)利用，因此既能適應(yīng)大的洞室群，大型礦山的巖爆預(yù)報預(yù)警，也適用于投資較小的深埋隧洞。
[0017]2，可避免在巖爆危險區(qū)域鉆孔對人員和設(shè)備造成的危險，也避免了鉆監(jiān)測孔對圍巖的擾動，使用石膏等廉價材料作為粘合劑，快速、可靠、不干擾施工，不干擾施工速度，效率高。
[0018]3，有效信號的自動識別，采用信號頻譜分析及時能密度分析方法可實現(xiàn)有效信號的自動識別與分離，可根據(jù)不同地質(zhì)條件和施工環(huán)境設(shè)置過濾條件，具有精度高，適用性強的優(yōu)勢。
[0019]4，信號采用無線傳播方式，傳感器電源為自帶可更換鋰電池，因此獨立于施工現(xiàn)場供電系統(tǒng)，適應(yīng)性強可以實現(xiàn)長期實時監(jiān)測，可建立工程數(shù)據(jù)庫，大大提高巖爆預(yù)測和預(yù)警的精度。
[0020]5，遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)連接自動報警裝置，可實現(xiàn)無人條件下的巖爆自動預(yù)測預(yù)警。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明方法對應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為爆破振動傳感器與前端信號處理器的三維效果圖。
[0023]圖3為本發(fā)明工作流程圖。
[0024]圖4為時能密度分析法信號識別示意圖。
[0025]圖5為微震波形特征參數(shù)示意圖。
[0026]圖中，I為爆破振動傳感器，2為數(shù)據(jù)連接線，3為前端信號處理器，4為工作狀態(tài)指示燈，5為無線信號發(fā)射天線，6為遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)，7為報警裝置。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行進一步說明，如圖1-5所示，一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，包含如下步驟:
[0028]1、將爆破振動傳感器設(shè)置在本洞和臨洞的邊墻或底板上，采用現(xiàn)場拌制石膏的方法將傳感器緊密的粘結(jié)在圍巖上；
[0029]2、巖體在宏觀破壞前一般都會產(chǎn)生許多細(xì)小的微破裂，這些微破裂會以彈性能釋放的形式產(chǎn)生彈性波，研究表明巖石的微震事件會同時產(chǎn)生高頻和低頻的彈性波，但高頻部分會在巖體傳播過程中迅速衰減低于IKHz ;故采用爆破振動傳感器監(jiān)測微震信號的低頻成分，三通道并行采集信號并轉(zhuǎn)換成電信號記錄；
[0030]3、爆破振動傳感器通過數(shù)據(jù)連接線與包括有信號放大器、無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器的前端信號處理器相連，電信號經(jīng)信號放大器放大，繼而經(jīng)無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)；
[0031]4、遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)包括無線電信號接收器、振動信號識別過濾系統(tǒng)；首先傳感器記錄的振動信號(包括微震信號、爆破振動信號、施工干擾信號)傳遞給計算機通過振動信號識別過濾系統(tǒng)，對振動波形進行頻譜分析識別分離。下面結(jié)合微震信號與某一簡單重復(fù)干擾信號說明信號的識別分離，如圖4所示，微震彈性波信號和現(xiàn)場施工激發(fā)的地震波都會被振動傳感器記錄，微震信號和干擾信號在時域上可能會重疊，也可能是分離出現(xiàn)的。小波變換時能密度分析方法有反映信號能量突變的特征，如將某微震事件誘發(fā)的彈性波作為一個系統(tǒng)，微震源和施工干擾都是能量源，不同機理的能量輸入必將引起系統(tǒng)能量的突變，因此，根據(jù)時能密度曲線中出現(xiàn)的突變可實現(xiàn)對干擾信號的識別。由不同類型的激勵源所激發(fā)的地震波具有不同的頻譜特，如:施工干擾信號一般具有頻率單一、主頻高，重復(fù)性等特征，微震信號主頻低。因此，通過對信號進行頻譜分析，根據(jù)微震信號主頻，持續(xù)時間，振幅等特性，應(yīng)用數(shù)字信號處理的濾波方法，過濾掉干擾信號所在頻段，可實現(xiàn)對疊加波形分離，獲得如圖5所示微震波形；
[0032]5、對經(jīng)步驟4分離出的波形信號(時譜信號)進行特征參數(shù)的提取，根據(jù)提取后的參數(shù)值大小及其變化情況，進行災(zāi)害預(yù)測或評價，當(dāng)安全指數(shù)超過設(shè)定的巖爆預(yù)警范圍時自動觸發(fā)報警裝置報警。
[0033]基本參數(shù)與巖體的穩(wěn)定狀態(tài)密切相關(guān)，基本反映了巖體的破壞現(xiàn)狀。事件率和頻率等的變化反映巖體變形和破壞的過程，振幅分布與能率大小，則主要反映巖體變形和破壞范圍，根據(jù)提取后的參數(shù)值大小及其變化情況，可進行災(zāi)害預(yù)測或評價。
[0034]所述爆破振動傳感器的頻響范圍為O?500kHz，采樣率為IkHz?50kHz。
[0035]所述對振動波形進行頻譜分析識別分離，是指通過對信號進行小波分析和頻譜分析，根據(jù)微震信號主頻、持續(xù)時間、振幅特性，應(yīng)用數(shù)字信號處理的濾波方法，過濾掉干擾信號所在頻段，實現(xiàn)對疊加波形分離。
[0036]常用的微震信號特征參數(shù)包括事件率、振幅、能量計數(shù)、事件持續(xù)時間、頻率分布和時差。
[0037]事件率(頻度)，指單位時間內(nèi)微震事件數(shù)，單位為次/min，是用聲發(fā)射或微震評價巖體狀態(tài)時最常用的參數(shù)。對于一個突發(fā)型信號，經(jīng)過包絡(luò)檢波后，波形超過預(yù)置的閾值電壓形成一個矩形脈沖，這樣的一個矩形脈沖叫做一個事件，這些事件脈沖數(shù)就是事件計數(shù)，計數(shù)的累計則稱為事件總數(shù)，主要微震源的活動性和定位集中度的評價。
[0038]振幅，振幅是指波形的峰值振幅，根據(jù)設(shè)定的閾值可將一個事件劃分為小事件或大事件，常用于波源的類型鑒別，強度及衰減的測量。
[0039]能量計數(shù)，能量計數(shù)是事件信號檢波包絡(luò)線下的面積，可分為總計數(shù)和計數(shù)率，能量計數(shù)可以反映事件的相對能量或強度，用于波源的類型鑒別。
[0040]持續(xù)時間，事件信號第一次越過門檻至最終降至門檻所歷程的時間間隔，以μ s表示，常用于特殊波源類型和噪聲的鑒別。
[0041]頻率分布，微震信號的主頻特征決定于震源性質(zhì)、所經(jīng)巖體性質(zhì)及監(jiān)測點到震源的距離等。
[0042]時差，同一個聲發(fā)射波到達(dá)各傳感器的時間差，以μ s表不?？梢愿鶕?jù)時差大小、傳感器間距和傳播速度計算出波源的位置，進而可以預(yù)測缺陷位置作進一步檢測分析。
[0043]具體地，以某深埋隧洞開挖過程中進行巖爆預(yù)測預(yù)警監(jiān)測為例，
[0044]1、一個循環(huán)的爆破開挖結(jié)束后，出渣完成，在掌子面適當(dāng)距離外布置4-6個截面，每個截面布置若干個爆破振動傳感器，截面間距30米左右，若本洞附近有臨洞或施工支洞，也可在其布置若干測點，形成測點網(wǎng)絡(luò)。測點網(wǎng)的布置應(yīng)確保監(jiān)測范圍內(nèi)的微震信號都能被爆破振動傳感器記錄。爆破振動傳感器布置在洞壁圍巖上并粘結(jié)牢固，確保微震波傳至?xí)r能被爆破振動傳感器所感應(yīng)。
[0045]2、將爆破振動傳感器與前端信號處理器用數(shù)據(jù)連接線連接，將前端信號處理器放置在適當(dāng)位置，既要避免被施工設(shè)備及人員損壞又要滿足信號發(fā)射要求，微震彈性波被爆破振動傳感器記錄通過數(shù)據(jù)連接線傳輸?shù)角岸诵盘柼幚砥鳎捎诓ㄔ趲r體內(nèi)傳播會迅速衰減，因此傳至爆破振動傳感器的信號很小不利于傳輸需要經(jīng)過信號放大器放大，然后通過無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)換成無線信號傳輸給遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)對信號進行識別分析。
[0046]3、測量確定測點坐標(biāo)，在遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)內(nèi)建立測點網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合采集的微震信號特征用時差定位法確定微震源坐標(biāo)。時差定位方法是根據(jù)聲源信號到達(dá)同一陣列內(nèi)不同傳感器時所形成的一組時差，經(jīng)過幾何關(guān)系的計算確定微震源位置。
[0047]4、打開前端信號處理器和爆破振動傳感器電源開關(guān)，運行遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)，人工觸發(fā)傳感器檢查設(shè)備運行是否正常。
[0048]5、定期檢查前端信號處理器的指示燈狀態(tài)，紅色為正常工作狀態(tài)；綠色為電量不足；不亮為儀器停止工作。定期更換電池以保證系統(tǒng)正常運行。
【權(quán)利要求】
1.一種基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，其特征在于包含如下步驟: ⑴將爆破振動傳感器設(shè)置在本洞和臨洞的邊墻或底板上，并將爆破振動傳感器緊密地固定在圍巖上； ⑵采用爆破振動傳感器監(jiān)測微震信號的低頻成分，三通道并行采集信號并轉(zhuǎn)換成電信號記錄； ⑶爆破振動傳感器通過數(shù)據(jù)連接線與包括有信號放大器、無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器的前端信號處理器相連，電信號經(jīng)信號放大器放大，繼而經(jīng)無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)； ⑷遠(yuǎn)端信號分析處理系統(tǒng)包括無線電信號接收器和振動信號識別過濾系統(tǒng)；無線電信號接收器將接收到的信號傳遞給計算機的振動信號識別過濾系統(tǒng)，對振動波形進行頻譜分析識別分離； (5)對經(jīng)步驟⑷分離出的波形信號進行特征參數(shù)的提取，根據(jù)提取后的參數(shù)值大小及其變化情況，進行災(zāi)害預(yù)測或評價，當(dāng)安全指數(shù)超過設(shè)定的巖爆預(yù)警范圍時自動觸發(fā)報警裝置報警。
2.如權(quán)利要求1所述的基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，其特征在于:所述爆破振動傳感器的頻響范圍為O?500kHz，采樣率為IkHz?50kHz。
3.如權(quán)利要求1所述的基于爆破振動監(jiān)測的深部巖體巖爆預(yù)測預(yù)警方法，其特征在于:所述對振動波形進行頻譜分析識別分離，是通過對信號進行小波分析和頻譜分析，根據(jù)微震信號主頻、持續(xù)時間、振幅特性，應(yīng)用數(shù)字信號處理的濾波方法，過濾掉干擾信號所在頻段，實現(xiàn)對疊加波形分離。
【文檔編號】G01V1/00GK103777232SQ201410057802
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】嚴(yán)鵬, 趙振國, 盧文波, 陳明 申請人:武漢大學(xué)