CN103777232A - 一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法 - Google Patents

Abstract

一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，包含如下步骤：⑴设置爆破振动传感器；⑵采集信号并转换成电信号记录；⑶电信号经信号放大器放大，继而经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统；⑷将接收到的信号传递给计算机的振动信号识别过滤系统，对振动波形进行频谱分析识别分离；⑸对分离出的波形信号进行特征参数的提取，进行灾害预测或评价。其优点在于：利用爆破振动监测的设备，通过信号分析来实现对深部岩体岩爆的进行预测和预警，简便实用，不需要巨大的人力和物力投入，且不干扰现场施工，灵活方便，对不同的工程适应性强。

Description

一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法

技术领域

本发明涉及一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，适用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中强烈岩爆（冲击地压）的预测和预警。

背景技术

由于岩爆是非常复杂的动力地质灾害现象，其影响因素众多，由此也决定了岩爆预测的多样性及复杂性，目前国内外学者已从强度、刚度、能量、稳定、断裂、损伤、分形和突变等方面对岩爆进行分析，提出各种的假设和判据。如Rusesenes、Turchaninov、贾愚如、王元汉等人的岩爆判别准则；徐林生等人的施工地质超前预报法和??/?R判据预测法；波兰Kidy—binsk的储能测试分析预测法；侯发亮临界深度预测法等等。

这些岩爆预测的理论方法，大多基于数值模拟和室内试验和简单的应力判断，预测精度低，虽具有普适性，但针对性差，只能进行宏观判断，应用受到很大的局限。随着对岩爆发生机理研究的深入和现代信息技术的发展，人们开始借助一些必要的仪器，对地下工程的现场或岩体直接进行监测或测试，来判别是否有发生岩爆的可能。

岩爆的微震监测预报技术是目前被寄予厚望的现场岩爆监测预报方法，预测精度也较高。然而传统的声发射（Acoustic Emission）监测仪器，其测点网的布置工作量很大，需要在岩爆倾向性的部位钻孔，设备和人员十分危险，探头还要与岩体进行良好的耦合，以抵抗干扰，使用起来比较复杂。安装占用作业时间和空间，工程量很大，需投入较多的人力和物力，预测作业时间较长，影响和限制施工速度，预测所需费用高，而且其准确性易受人工及工作面岩体在空间上分布不均匀和时间上不稳定的影响，测试数据只能反映测量时的静态特征。另外，在岩爆危险部位打钻孔，对设备和人员有较大危险。因此该方法需要十分巨大的投资和专门的监测分析团队，系统建设周期也较长，比较适合于深埋巨型矿山的开采过程和深埋巨型地下洞室群的岩爆预测。对于投资规模较小的工程，或者长度较大的交通、引水隧洞等，其工作面小而且随施工进度变化较快，传统的监测系统布置较为困难，存在精度不高和投入不足等因素的影响。

发明内容

为解决以上现有监测技术的不足，本发明提出了一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，利用爆破振动监测的设备，通过信号分析来实现对深部岩体岩爆的进行预测和预警，简便实用，不需要巨大的人力和物力投入，且不干扰现场施工，灵活方便，对不同的工程适应性强。

一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，包含如下步骤：

1、将爆破振动传感器设置在本洞和临洞的边墙或底板上，并将爆破振动传感器紧密地固定在围岩上；

2、采用爆破振动传感器监测微震信号的低频成分，三通道并行采集信号并转换成电信号记录；

3、爆破振动传感器通过数据连接线与包括有信号放大器、无线电信号转发器的前端信号处理器相连，电信号经信号放大器放大，继而经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统；

4、远端信号分析处理系统包括无线电信号接收器和振动信号识别过滤系统；无线电信号接收器将接收到的信号传递给计算机的振动信号识别过滤系统，对振动波形进行频谱分析识别分离；

5、对经步骤4分离出的波形信号（时谱信号）进行特征参数的提取，根据提取后的参数值大小及其变化情况，进行灾害预测或评价，当安全指数超过设定的岩爆预警范围时自动触发报警装置报警。

所述爆破振动传感器的频响范围为0～500kHz，采样率为1kHz～50kHz。

所述对振动波形进行频谱分析识别分离，是指通过对信号进行小波分析和频谱分析，根据微震信号主频、持续时间、振幅特性，应用数字信号处理的滤波方法，过滤掉干扰信号所在频段，实现对叠加波形分离。

常用的微震信号特征参数包括事件率、振幅、能量计数、事件持续时间、频率分布和时差。

本发明基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法的优点是：

1，使用爆破振动传感器，设备体积小造价低，安装简单且精度高，监测网络建设周期短，可重复利用，因此既能适应大的洞室群，大型矿山的岩爆预报预警，也适用于投资较小的深埋隧洞。

2，可避免在岩爆危险区域钻孔对人员和设备造成的危险，也避免了钻监测孔对围岩的扰动，使用石膏等廉价材料作为粘合剂，快速、可靠、不干扰施工，不干扰施工速度，效率高。

3，有效信号的自动识别，采用信号频谱分析及时能密度分析方法可实现有效信号的自动识别与分离，可根据不同地质条件和施工环境设置过滤条件，具有精度高，适用性强的优势。

4，信号采用无线传播方式，传感器电源为自带可更换锂电池，因此独立于施工现场供电系统，适应性强可以实现长期实时监测，可建立工程数据库，大大提高岩爆预测和预警的精度。

5，远端信号分析处理系统连接自动报警装置，可实现无人条件下的岩爆自动预测预警。

附图说明

图1为本发明方法对应的整体结构示意图。

图2为爆破振动传感器与前端信号处理器的三维效果图。

图3为本发明工作流程图。

图4为时能密度分析法信号识别示意图。

图5为微震波形特征参数示意图。

图中，1为爆破振动传感器，2为数据连接线，3为前端信号处理器，4为工作状态指示灯，5为无线信号发射天线，6为远端信号分析处理系统，7为报警装置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明，如图1-5所示，一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，包含如下步骤：

1、将爆破振动传感器设置在本洞和临洞的边墙或底板上，采用现场拌制石膏的方法将传感器紧密的粘结在围岩上；

2、岩体在宏观破坏前一般都会产生许多细小的微破裂，这些微破裂会以弹性能释放的形式产生弹性波，研究表明岩石的微震事件会同时产生高频和低频的弹性波，但高频部分会在岩体传播过程中迅速衰减低于1KHz；故采用爆破振动传感器监测微震信号的低频成分，三通道并行采集信号并转换成电信号记录；

3、爆破振动传感器通过数据连接线与包括有信号放大器、无线电信号转发器的前端信号处理器相连，电信号经信号放大器放大，继而经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统；

4、远端信号分析处理系统包括无线电信号接收器、振动信号识别过滤系统；首先传感器记录的振动信号（包括微震信号、爆破振动信号、施工干扰信号）传递给计算机通过振动信号识别过滤系统，对振动波形进行频谱分析识别分离。下面结合微震信号与某一简单重复干扰信号说明信号的识别分离，如图4所示，微震弹性波信号和现场施工激发的地震波都会被振动传感器记录，微震信号和干扰信号在时域上可能会重叠，也可能是分离出现的。小波变换时能密度分析方法有反映信号能量突变的特征，如将某微震事件诱发的弹性波作为一个系统，微震源和施工干扰都是能量源，不同机理的能量输入必将引起系统能量的突变，因此，根据时能密度曲线中出现的突变可实现对干扰信号的识别。由不同类型的激励源所激发的地震波具有不同的频谱特，如：施工干扰信号一般具有频率单一、主频高，重复性等特征，微震信号主频低。因此，通过对信号进行频谱分析，根据微震信号主频，持续时间，振幅等特性，应用数字信号处理的滤波方法，过滤掉干扰信号所在频段，可实现对叠加波形分离，获得如图5所示微震波形；

5、对经步骤4分离出的波形信号（时谱信号）进行特征参数的提取，根据提取后的参数值大小及其变化情况，进行灾害预测或评价，当安全指数超过设定的岩爆预警范围时自动触发报警装置报警。

基本参数与岩体的稳定状态密切相关，基本反映了岩体的破坏现状。事件率和频率等的变化反映岩体变形和破坏的过程，振幅分布与能率大小，则主要反映岩体变形和破坏范围，根据提取后的参数值大小及其变化情况，可进行灾害预测或评价。

所述爆破振动传感器的频响范围为0～500kHz，采样率为1kHz～50kHz。

所述对振动波形进行频谱分析识别分离，是指通过对信号进行小波分析和频谱分析，根据微震信号主频、持续时间、振幅特性，应用数字信号处理的滤波方法，过滤掉干扰信号所在频段，实现对叠加波形分离。

常用的微震信号特征参数包括事件率、振幅、能量计数、事件持续时间、频率分布和时差。

事件率（频度），指单位时间内微震事件数，单位为次/min，是用声发射或微震评价岩体状态时最常用的参数。对于一个突发型信号，经过包络检波后，波形超过预置的阈值电压形成一个矩形脉冲，这样的一个矩形脉冲叫做一个事件，这些事件脉冲数就是事件计数，计数的累计则称为事件总数，主要微震源的活动性和定位集中度的评价。

振幅，振幅是指波形的峰值振幅，根据设定的阈值可将一个事件划分为小事件或大事件，常用于波源的类型鉴别，强度及衰减的测量。

能量计数，能量计数是事件信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率，能量计数可以反映事件的相对能量或强度,用于波源的类型鉴别。

持续时间，事件信号第一次越过门槛至最终降至门槛所历程的时间间隔，以μs表示,常用于特殊波源类型和噪声的鉴别。

频率分布，微震信号的主频特征决定于震源性质、所经岩体性质及监测点到震源的距离等。

时差，同一个声发射波到达各传感器的时间差，以μs表示。可以根据时差大小、传感器间距和传播速度计算出波源的位置，进而可以预测缺陷位置作进一步检测分析。

具体地，以某深埋隧洞开挖过程中进行岩爆预测预警监测为例，

1、一个循环的爆破开挖结束后，出渣完成，在掌子面适当距离外布置4-6个截面，每个截面布置若干个爆破振动传感器，截面间距30米左右，若本洞附近有临洞或施工支洞，也可在其布置若干测点，形成测点网络。测点网的布置应确保监测范围内的微震信号都能被爆破振动传感器记录。爆破振动传感器布置在洞壁围岩上并粘结牢固，确保微震波传至时能被爆破振动传感器所感应。

2、将爆破振动传感器与前端信号处理器用数据连接线连接，将前端信号处理器放置在适当位置，既要避免被施工设备及人员损坏又要满足信号发射要求，微震弹性波被爆破振动传感器记录通过数据连接线传输到前端信号处理器，由于波在岩体内传播会迅速衰减，因此传至爆破振动传感器的信号很小不利于传输需要经过信号放大器放大，然后通过无线电信号转发器转换成无线信号传输给远端信号分析处理系统对信号进行识别分析。

3、测量确定测点坐标，在远端信号分析处理系统内建立测点网络，结合采集的微震信号特征用时差定位法确定微震源坐标。时差定位方法是根据声源信号到达同一阵列内不同传感器时所形成的一组时差，经过几何关系的计算确定微震源位置。

4、打开前端信号处理器和爆破振动传感器电源开关，运行远端信号分析处理系统，人工触发传感器检查设备运行是否正常。

5、定期检查前端信号处理器的指示灯状态，红色为正常工作状态；绿色为电量不足；不亮为仪器停止工作。定期更换电池以保证系统正常运行。

Claims (3)

1.一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，其特征在于包含如下步骤：

⑴将爆破振动传感器设置在本洞和临洞的边墙或底板上，并将爆破振动传感器紧密地固定在围岩上；

⑵采用爆破振动传感器监测微震信号的低频成分，三通道并行采集信号并转换成电信号记录；

⑶爆破振动传感器通过数据连接线与包括有信号放大器、无线电信号转发器的前端信号处理器相连，电信号经信号放大器放大，继而经无线电信号转发器转发给远端信号分析处理系统；

⑷远端信号分析处理系统包括无线电信号接收器和振动信号识别过滤系统；无线电信号接收器将接收到的信号传递给计算机的振动信号识别过滤系统，对振动波形进行频谱分析识别分离；

⑸对经步骤⑷分离出的波形信号进行特征参数的提取，根据提取后的参数值大小及其变化情况，进行灾害预测或评价，当安全指数超过设定的岩爆预警范围时自动触发报警装置报警。

2.如权利要求1所述的基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，其特征在于：所述爆破振动传感器的频响范围为0 ～ 500kHz，采样率为1kHz ～ 50kHz。

3.如权利要求1所述的基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，其特征在于：所述对振动波形进行频谱分析识别分离，是通过对信号进行小波分析和频谱分析，根据微震信号主频、持续时间、振幅特性，应用数字信号处理的滤波方法，过滤掉干扰信号所在频段，实现对叠加波形分离。

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