CN105824059B - 一种利用压电加速度传感器的隧道岩爆监测方法 - Google Patents

一种利用压电加速度传感器的隧道岩爆监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用压电加速度传感器的隧道岩爆监测方法，它包括以下步骤：步骤1、布设压电加速度传感器；步骤2、依据测得的压电加速度传感器的电荷Q，计算岩体变形的瞬时能量；步骤3、计算岩体累积后的能量值，由岩体累积后的能量值预测岩爆发生的时间、区域、规模及等级。本发明的技术效果是：通过监测岩体变形的加速度确定了岩爆发生的趋势、岩爆发生的区域、岩爆发生的规模，且监测的成本低、电磁干扰小。

Description

一种利用压电加速度传感器的隧道岩爆监测方法
技术领域
本发明属于地质灾害防控技术领域，具体涉及一种隧道岩爆监测方法。
背景技术
岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中或开挖后发生的一种突发性地质灾害,它不仅对施工人员及设备的安全构成严重威胁，还会影响施工进度，造成超挖、初期支护失效、严重时还会诱发地震，已经成为地下工程世界性难题之一，受到世界各国相关学者的广泛关注。高地应力条件下岩体由于受地应力作用，产生弹性变形，积聚了大量弹性应变能。隧道开挖后，围岩应力状态发生改变，岩石被挤压到弹性限度时，其内部积聚的能量迅速释放，从而引发岩爆。在这一过程中，能量的积累与消耗贯穿始终，对岩爆的发生有着重要影响。
近几十年来，国内外在岩爆预测预报方面做了大量的研究工作，但是由于岩爆预测问题极为复杂，国内外还没有成熟的理论和方法。目前，国内外用于测量岩层活动的方法常有测量岩层变形、位移、应力和压力的一般矿压法，地球物理方法(地震法和电磁波法等)和钻削法等。现在常用的岩爆监测技术有微震监测系统、短周期地震监测系统、电磁波法、电阻率法和施工观察法。但是现有的技术存在以下问题：1、监测范围小，若要监测范围大，成本过大；2、不能精确测定出岩爆区域位置，确定出的区域位置误差大；3、电磁干扰大，受裂隙控制大；4、无法确定岩爆规模及能量等级。
中国专利文献201410057802.6于2014年5月7日公开了一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法，它包含如下步骤：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。但是该方法存在以下不足：1、波的振动信号受干扰影响大；2、对可能发生岩爆规模不能准确判断；3、不能精确定位岩爆可能发生的区域位置。
发明内容
针对现有岩爆监测技术存在的问题，本发明要解决的技术问题就是提供一种利用压电加速度传感器的隧道岩爆监测方法，它能通过监测岩体变形的加速度而确定岩爆发生的趋势、岩爆发生的区域、岩爆发生的规模，且监测的成本低、电磁干扰小。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：
步骤1、在待测隧道围岩体的径向面上布置压电检测单元，压电检测单元具有多个辐射方向的压电加速度传感器，每一个辐射方向上间隔一定距离布设多个压电加速度传感器；然后沿隧道围岩体的轴向按间距布置多个压电检测单元，形成一个分层式辐射网络，将所有压电加速度传感器的输出线全部引出；
步骤2、依据测得的压电加速度传感器的电荷Q，计算岩体变形的瞬时能量Ei：
式中，ti为某一时刻，S为岩爆观测区域的岩体面积，L为岩爆观测区域离岩体表面的深度，ρ为岩体密度，d33是压电常数，M是压电加速度传感器的质量；
步骤3、计算岩体累积后的能量值E，计算式为：式中i是0到n，指某一时刻，n是求和累积能量值时的那个时刻；
由岩体累积后的能量值E预测岩爆发生的时间、区域、规模及等级。
由上述技术方案，本发明的技术效果是：通过监测岩体变形的加速度确定了岩爆发生的趋势、岩爆发生的区域、岩爆发生的规模，且监测的成本低、电磁干扰小。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明一个实施例的压电检测单元正视图；
图2为图1的实施例中的多个压电检测单元的侧视图；
图3为本发明的压电加速度传感器结构示意图；
图4为岩爆观测区域的结构参数标注图。
图中：1.压电加速度传感器；2.压电检测单元；3.钢板基座；4.压电加速度感应元件；5.贯通槽；6.输出线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明包括以下步骤：
步骤1、在待测隧道围岩体的径向面上布置压电检测单元，如图1所示，压电检测单元2具有多个辐射方向的压电加速度传感器1，每一个辐射方向上的多个压电加速度传感器依间隔距离布设；如图2所示，沿隧道围岩体的轴向按间距布置多个压电检测单元2，形成一个分层式辐射网络，将所有压电加速度传感器的输出线全部引出；
图1中所示的实施例中，压电检测单元2具有三个辐射方向的压电加速度传感器1，每一个辐射方向上的5个压电加速度传感器1按每间隔3米布设；图2中，沿隧道轴向每间隔20米布置一个压电检测单元，共布设10个压电检测单元，形成一个分层式辐射网络。
步骤2、获得岩体变形的瞬时能量Ei：
如图3所示，压电加速度传感器1包括钢板基座3和压电加速度感应元件4，多个压电加速度感应元件4固定在钢板基座3上，钢板基座3的纵向侧边有贯通槽5，压电加速度感应元件4的输出线6从贯通槽5引出。
假定压电加速度传感器的钢板基座质量为M，压电加速度感应元件的质量为m，则根据牛顿第二定律，压电加速度传感器的受力F可以由下式求得：
F＝(M+m)a
其中a是检测岩体的加速度。
根据上式，可以知道压电加速度感应元件厚度方向(Z方向)任一截面上的力为
F＝Ma+ma(1-z/d)
其中z为任一截面的厚度，d为压电加速度感应元件的厚度。所以平均力为
因为压电加速度感应元件的极化方向在厚度方向(Z方向)，作用力沿着Z方向，所以此时压电加速度感应元件的外加应力的平均值为
其中A为压电加速度感应元件电极面面积。
根据压电矩阵，可以知道电荷Q为
式中，d33是压电常数。
而压电加速度感应元件一般是很薄的一个晶片，钢板基座一般采用质量大的金属制成，所以M远大于m，所以m可以忽略，即
Q＝d33Ma
由上式可知压电加速度传感器产生的电荷Q与加速度a之间的关系成正比，根据测量的电荷就能得到加速度。
如图4所示，S为岩爆观测区域的岩体面积，L为岩爆观测区域离岩体表面的深度，ρ为岩体密度；
岩体变形时的任一时刻产生的瞬时能量Ei与瞬时加速度ai间的关系为
压电加速度传感器产生的瞬时电荷Qi与岩体变形的瞬时能量Ei间的关系为
上式中，Ei为某瞬时能量，m为判定的岩爆区域岩体质量，vi为岩体变形的瞬时速度，ai为岩体瞬时加速度，ti为某一时刻，d33是压电常数，M是压电加速度传感器的质量。
步骤3、根据各瞬时能量累积后的能量值可以预测出岩爆发生的时间、区域、规模及等级，累积后的能量值E可以通过公式获得，式中i是0到n，指某一时刻，n是求和累积能量值时的那个时刻。
本发明可将压电加速度传感器的输出线连接至数据采集系统，将压电加速度传感器产生的数据采集，并经转换器后通过GPRS无线网络传输到数据监控中心。监控中心再连接至Internet；在电脑终端软件从Internet获得数据后，将数据进行处理，建立及更新监测的加速度数据库。通过加速度的值来判断岩爆可能发生的区域位置，通过加速度值计算得到岩体变形时的瞬时能量，同时由瞬时能量得到累积能量并由此判定岩爆的规模及等级，当能量值达到预警值时，表明岩体将出现危险并报警。

Claims (2)

1.一种利用压电加速度传感器的隧道岩爆监测方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、在待测隧道围岩体的径向面上布置压电检测单元，压电检测单元具有多个辐射方向的压电加速度传感器，每一个辐射方向上间隔一定距离布设多个压电加速度传感器；然后沿隧道围岩体的轴向按间距布置多个压电检测单元，形成一个分层式辐射网络，将所有压电加速度传感器的输出线全部引出；
步骤2、依据测得的压电加速度传感器的电荷Q，计算岩体变形的瞬时能量Ei：
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>S</mi> <mi>L</mi> <mi>&amp;rho;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>d</mi> <mn>33</mn> </msub> <mi>M</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msup> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
式中，ti为某一时刻，S为岩爆观测区域的岩体面积，L为岩爆观测区域离岩体表面的深度，ρ为岩体密度，d33是压电常数，M是压电加速度传感器的质量；
步骤3、计算岩体累积后的能量值E，计算式为：式中i是0到n，指某一时刻，n是求和累积能量值时的那个时刻；
由岩体累积后的能量值E预测岩爆发生的时间、区域、规模及等级。
2.根据权利要求1所述的隧道岩爆监测方法，其特征是：所述压电加速度传感器(1)包括钢板基座(3)和压电加速度感应元件(4)，多个压电加速度感应元件(4)固定在钢板基座(3)上，钢板基座(3)的纵向侧边有贯通槽(5)，压电加速度感应元件(4)的输出线(6)从贯通槽(5)引出。
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