CN107764899B - 一种岩体声发射监测定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属矿山岩体声发射监测技术领域，尤其涉及一种岩体声发射监测定位方法、装置及系统。一种岩体声发射监测定位方法，包括：在线监测岩体的声发射事件；实时分析各声发射传感器通道的数据；判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件。一种岩体声发射监测定位装置，包括：在线监测模块；实时分析模块；判断模块。一种岩体声发射监测定位系统，包括：声发射传感器、监测主机及数据处理计算机。本发明提供了一种岩体声发射监测定位方法、装置及系统，实现了实时分析所有通道在全部时间内的波形数据。

Description

一种岩体声发射监测定位方法、装置及系统

技术领域

本发明属于金属矿山岩体声发射监测技术领域，尤其涉及一种岩体声发射监测定位方法、装置及系统。

背景技术

岩体声发射监测技术广泛应用于矿山顶板冒落、矿柱破坏、稳定性评估、冒落区圈定、岩爆预报、边坡垮塌等岩体失稳的监测预报。声发射监测是连续监测岩石和岩体内部破裂动态过程十分有效的手段，通过监测岩体破裂和破坏的动态过程，提供预测预报岩石工程地质灾害和评价矿山岩石工程结构稳定性的依据。

尽管目前声发射装备相对成熟，但是在矿山工程应用过程中由于受井下条件复杂、工作环境与地面相对恶劣很多的影响，适用条件十分苛刻，造成了原本在地面上相对成熟的声发射装备难以应用到井下环境中。同时由于计算机水平及采集板卡等性能的限制，存在声发射设备数据处理能力低下、大量数据采集及处理、通信数据、难以对接监控系统、滤噪技术、分析处理软件针对性差等一系列问题。因此通过简单的声发射岩体监测应用，难以满足矿山实现预测预报岩石工程地质灾害和评价矿山岩石工程结构稳定性监测要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述岩体声发射监测技术的不足，提供了一种岩体声发射监测定位方法、装置及系统，实现了实时分析所有通道在全部时间内的波形数据。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种岩体声发射监测定位方法，包括：

步骤1：在线监测岩体的声发射事件；

步骤2：实时分析各声发射传感器通道的数据；

步骤3：判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件。

优选地，所述步骤1包括：

步骤1.1：确定通道数，根据通道设定传感器坐标；

步骤1.2：设置速度模型：

间隔角度为0时，设定一个速度值，所述间隔角度为0是指使用统一的速度模型，波形向各个方向传播的速度相同；

间隔角度为90度时，设定3个速度值：

θ＝0，α＝0，速度方向与z轴重合；

θ＝90，α＝0，速度方向与x轴重合；

θ＝90，α＝90，速度方向与y轴重合；

其中，θ为速度方向与z轴的夹角，α为速度方向在xy平面的投影与x轴的夹角；

步骤1.3：设计触发算法：

设置缓冲区参数，每块缓冲区对应一个时间段；

当系统判断有声发射事件后，在事件有效期内，不再判断单个通道的触发，亦即不再判断是否有新的声发射事件，超过有效期后，重新开始判断触发；

步骤1.4：设计滤波器：

设定声发射的信号频率及采样率；

通过滤波去除频率特征较明显的干扰信号，得到频率在0～10kHz之间的波形。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：将声发射事件波形保存为文件；

步骤2.2：对文件进行操作：

对文件波形进行分析，包括展开、平移、缩放、量程选择及显示不同时间点上的各通道数据幅值；

在原始文件波形的基础上，对文件波形进一步滤波，排除干扰。

优选地，在所述步骤3之前，还包括：

对各通道的事件到时进行标注，所述事件到时即波形产生突然变化的时刻。

优选地，所述对声发射源进行定位指自动检测该事件到达各个传感器的事件到时，联合各传感器坐标及对应波速，确定声发射源的时空参数，形成三维模拟图像，实现声发射源定位。

优选地，在所述步骤3之后，还包括：

按时间顺序回放已发生的事件。

一种岩体声发射监测定位装置，包括：

在线监测模块，用于在线监测岩体的声发射事件；

实时分析模块，用于实时分析各声发射传感器通道的数据；

判断模块，用于判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件。

优选地，还包括：

标注模块，用于对各通道的事件到时进行标注，所述事件到时即波形产生突然变化的时刻。

优选地，还包括：

回放模块，用于按时间顺序回放已发生的事件。

优选地，所述在线监测模块包括：

传感器坐标设定模块，用于确定通道数，根据通道设定传感器坐标；

速度模型设置模块，用于设置速度模型：

间隔角度为0时，设定一个速度值，所述间隔角度为0是指使用统一的速度模型，波形向各个方向传播的速度相同；

间隔角度为90度时，设定3个速度值：

θ＝0，α＝0，速度方向与z轴重合；

θ＝90，α＝0，速度方向与x轴重合；

θ＝90，α＝90，速度方向与y轴重合；

其中，θ为速度方向与z轴的夹角，α为速度方向在xy平面的投影与x轴的夹角；

触发算法设计模块，用于设计触发算法：

设置缓冲区参数，每块缓冲区对应一个时间段；当系统判断有声发射事件后，在事件有效期内，不再判断单个通道的触发，亦即不再判断是否有新的声发射事件，超过有效期后，重新开始判断触发；

滤波器设计模块，用于设计滤波器：

设定声发射的信号频率及采样率；通过滤波去除频率特征较明显的干扰信号，得到频率在0～10kHz之间的波形。

优选地，所述实时分析模块包括：

保存模块，用于将声发射事件波形保存为文件；

文件操作模块，用于对文件进行操作：对文件波形进行分析，包括展开、平移、缩放、量程选择及显示不同时间点上的各通道数据幅值；在原始文件波形的基础上，对文件波形进一步滤波，排除干扰。

一种岩体声发射监测定位系统，包括：声发射传感器、监测主机及数据处理计算机；所述声发射传感器、监测主机及数据处理计算机通过信号线依次互连；声发射传感器感应岩体中的声发射信号，经信号线进行传输，并通过监测主机进行采集；数据处理计算机实时分析采集到的信号，并形成三维模拟图像进行空间定位、若判断为声发射事件，则自动处理并保存结果。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过在线监测岩体的声发射事件，实时分析各声发射传感器通道的数据，判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位，若否，则继续在线监测岩体声发射事件，实现了实时分析所有通道在全部时间内的波形数据，与电平触发方式相比，实时监测分析的数据更为完整，误判及漏判概率更低，并可以在3D模型中按时间顺序回放已发生的事件，提供了比各类统计数据更直观的事件检索方式。

附图说明

图1为本发明一种岩体声发射监测定位方法的基本流程示意图之一。

图2为本发明一种岩体声发射监测定位方法的基本流程示意图之二。

图3为本发明一种岩体声发射监测定位装置的结构示意图之一。

图4为本发明一种岩体声发射监测定位装置的结构示意图之二。

图5为本发明一种岩体声发射监测定位系统的架构示意图。

具体实施方式

为了便于理解，对本发明的具体实施方式中出现的部分名词作以下解释说明：

触发算法：指事先设定一些条件，将监测波形不断地与这些条件相比较，当波形满足这些条件时，认为已触发。

长短时平均法：用一段较短的时间内的波形平均变化幅度与一段较长的时间内的波形平均变化幅度相比，当比值超过某个阈值时，判断为触发。

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

实施例一：

如图1所示，本发明的一种岩体声发射监测定位方法，包括以下步骤：

步骤S11：在线监测岩体的声发射事件；

步骤S12：实时分析各声发射传感器通道的数据；

步骤S13：判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件。

实施例二：

如图2所示，本发明的另一种岩体声发射监测定位方法，包括以下步骤：

步骤S21：在线监测岩体的声发射事件，包括：

步骤S211：确定通道数，根据通道设定传感器坐标；

在硬件配置中确定了通道数，即可设置传感器的三维坐标，传感器编号由0开始，例如在4个通道的情况下，传感器的编号分别为：0、1、2、3；先选择传感器编号，再设置具体的X、Y、Z轴坐标数据，单位为米，直至设置完所有传感器坐标，并将数据保存下来。

步骤S212：设置速度模型：

当间隔角度为0时，设定1个速度值；间隔角度为0，表示使用统一的速度模型，即认为波形向各个方向传播的速度都是一致的，此时只需设定一个速度值；

当间隔角度为90度时，设定3个速度值：

θ＝0，α＝0，速度方向与z轴重合；

θ＝90，α＝0，速度方向与x轴重合；

θ＝90，α＝90，速度方向与y轴重合；

其中，θ为速度方向与z轴的夹角，α为速度方向在xy平面的投影与x轴的夹角；

精确的速度模型通常难以获得，监测初期可按统一速度模型设置，所述统一速度模型可设置为2775m/s；

步骤S213：设计触发算法：

设置缓冲区参数，每块缓冲区对应一小个时间段，只有当所有通道的触发发生在同一个区间或相邻两个区间，并且触发的通道个数超过设定值时，才认为有声发射事件发生；当系统判断有声发射事件后，在事件有效期内，不再判断单个通道的触发，亦即不再判断是否有新的声发射事件；超过有效期后，重新开始判断触发；可设定0.064*6s为一个判断区间，只有当所有通道的触发发生在同一个区间或相邻两个区间，并且触发的通道个数超过设定值时，才认为有声发射事件发生；

步骤S214：设计滤波器：

设定声发射的主要信号频率，以及采样率，通过滤波去除频率特征较明显的干扰信号，得到的波形频率在0～10kHz之间；如可设计截止频率为1.5kHz，低于该频率的信号，基本保持不变，而高于该频率的信号，都将不同程度地被滤除。

步骤S22：实时分析各声发射传感器通道的数据，包括：

步骤S221：将声发射事件波形保存为文件，其中实时波形每秒钟刷新一次；

步骤S222：对文件进行操作：

所有事件文件均保存在“Event”子目录中，不同的事件文件保存在“年\月\日”格式的子目录中；

对文件波形进行分析，包括展开、平移、缩放、量程选择及显示不同时间点上的各通道数据幅值；

在原始文件波形的基础上，对文件波形进一步滤波，排除干扰。

步骤S23：对各通道的事件到时进行标注，所述事件到时即波形产生突然变化的时刻。

步骤S24：判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件；所述对声发射源进行定位指自动检测该事件到达各个传感器的事件到时，联合各传感器坐标及对应波速，确定声发射源的时空参数，形成三维模拟图像，实现声发射源定位。

步骤S25：按时间顺序回放已发生的事件。

实施例三：

如图3所示，本发明的一种岩体声发射监测定位装置，包括：

在线监测模块31，用于在线监测岩体的声发射事件；

实时分析模块32，用于实时分析各声发射传感器通道的数据；

判断模块33，用于判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件。

实施例四：

如图4所示，本发明的另一种岩体声发射监测定位装置，包括：

在线监测模块41，用于在线监测岩体的声发射事件。

实时分析模块42，用于实时分析各声发射传感器通道的数据。

标注模块43，用于对各通道的事件到时进行标注，所述事件到时即波形产生突然变化的时刻。

判断模块44，用于判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件。

回放模块45，用于按时间顺序回放已发生的事件。

所述在线监测模块41包括：

传感器坐标设定模块411，用于确定通道数，根据通道设定传感器坐标；

速度模型设置模块412，用于设置速度模型：

间隔角度为0时，设定一个速度值，所述间隔角度为0是指使用统一的速度模型，波形向各个方向传播的速度相同；

间隔角度为90度时，设定3个速度值：

θ＝0，α＝0，速度方向与z轴重合；

θ＝90，α＝0，速度方向与x轴重合；

θ＝90，α＝90，速度方向与y轴重合；

其中，θ为速度方向与z轴的夹角，α为速度方向在xy平面的投影与x轴的夹角；

触发算法设计模块413，用于设计触发算法：

设置缓冲区参数，每块缓冲区对应一个时间段；当系统判断有声发射事件后，在事件有效期内，不再判断单个通道的触发，亦即不再判断是否有新的声发射事件，超过有效期后，重新开始判断触发；

滤波器设计模块414，用于设计滤波器：

设定声发射的信号频率及采样率；通过滤波去除频率特征较明显的干扰信号，得到频率在0～10kHz之间的波形；

所述实时分析模块42包括：

保存模块421，用于将声发射事件波形保存为文件；

文件操作模块422，用于对文件进行操作：

对文件波形进行分析，包括展开、平移、缩放、量程选择及显示不同时间点上的各通道数据幅值；

在原始文件波形的基础上，对文件波形进一步滤波，排除干扰。

实施例五：

如图5所示，本发明的一种岩体声发射监测定位系统，包括：

声发射传感器、监测主机及数据处理计算机；所述声发射传感器、监测主机及数据处理计算机通过信号线依次互连；声发射传感器感应岩体中的声发射信号，经信号线进行传输，并通过监测主机进行采集；数据处理计算机实时分析采集到的信号，并形成三维模拟图像进行空间定位、若判断为声发射事件，则自动处理并保存结果。

作为一种可实施方式，所述声发射传感器采用AES-V100岩体声发射传感器，直径38mm，不含接头高75mm，圆柱形；安装方向不限，与岩体之间的耦合可使用黄油或水泥；

信号线选用RVVP电缆，具体规格是RVVP4×0.5，4芯，每芯截面积0.5mm²，根据表皮颜色的不同将芯线编为1～4号；在传感器端，分别连接+V、GND、+S、-S；主机端的接头有5芯，除了这4芯外，还要将屏蔽层铜网拧成一股，连接到接头的第5芯；

所述监测主机采用密封铝机箱，有24个监测通道，其面板上共有27个接头，监测主机接头定义如下：

表1监测主机接头定义

通过声发射传感器感应岩体中的声发射信号，经信号线进行传输，并通过监测主机进行采集；

数据处理计算机实时分析采集到的信号，并形成三维模拟图像进行空间定位；

判断采集到的信号是否为声发射事件，若是，则自动处理并保存结果；若否，则通过监测主机继续在线监测岩体声发射事件。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种岩体声发射监测定位方法，其特征在于，包括：

步骤1：在线监测岩体的声发射事件；所述步骤1包括：

步骤1.1：确定通道数，根据通道设定传感器坐标；

步骤1.2：设置速度模型：

间隔角度为0时，设定一个速度值，所述间隔角度为0是指使用统一的速度模型，波形向各个方向传播的速度相同；

间隔角度为90度时，设定3个速度值：

θ=0，α=0，速度方向与z轴重合；

θ=90，α=0，速度方向与x轴重合；

θ=90，α=90，速度方向与y轴重合；

其中，θ为速度方向与z轴的夹角，α为速度方向在xy平面的投影与x轴的夹角；

步骤1.3：设计触发算法：

设置缓冲区参数，每块缓冲区对应一个时间段；

当系统判断有声发射事件后，在事件有效期内，不再判断单个通道的触发，亦即不再判断是否有新的声发射事件，超过有效期后，重新开始判断触发；

步骤1.4：设计滤波器：

设定声发射的信号频率及采样率；

通过滤波去除频率特征较明显的干扰信号，得到频率在0～10kHz之间的波形；

步骤2：实时分析各声发射传感器通道的数据；所述步骤2包括：

步骤2.1：将声发射事件波形保存为文件；

步骤2.2：对文件进行操作：

对文件波形进行分析，包括展开、平移、缩放、量程选择及显示不同时间点上的各通道数据幅值；

在原始文件波形的基础上，对文件波形进一步滤波，排除干扰；

步骤3：判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件；

在所述步骤3之前，还包括：

对各通道的事件到时进行标注，所述事件到时即波形产生突然变化的时刻；

在所述步骤3之后，还包括：

按时间顺序回放已发生的事件。

2.根据权利要求1所述的一种岩体声发射监测定位方法，其特征在于，所述对声发射源进行定位指自动检测该事件到达各个传感器的事件到时，联合各传感器坐标及对应波速，确定声发射源的时空参数，形成三维模拟图像，实现声发射源定位。

3.基于权利要求1或2所述的一种岩体声发射监测定位方法的一种岩体声发射监测定位装置，其特征在于，包括：

在线监测模块，用于在线监测岩体的声发射事件；

实时分析模块，用于实时分析各声发射传感器通道的数据；

判断模块，用于判断是否有声发射事件，若是，则对声发射源进行定位；若否，则继续在线监测岩体声发射事件；

还包括：

标注模块，用于对各通道的事件到时进行标注，所述事件到时即波形产生突然变化的时刻；

回放模块，用于按时间顺序回放已发生的事件；

所述在线监测模块包括：

传感器坐标设定模块，用于确定通道数，根据通道设定传感器坐标；

速度模型设置模块，用于设置速度模型：

间隔角度为0时，设定一个速度值，所述间隔角度为0是指使用统一的速度模型，波形向各个方向传播的速度相同；

间隔角度为90度时，设定3个速度值：

θ=0，α=0，速度方向与z轴重合；

θ=90，α=0，速度方向与x轴重合；

θ=90，α=90，速度方向与y轴重合；

其中，θ为速度方向与z轴的夹角，α为速度方向在xy平面的投影与x轴的夹角；

触发算法设计模块，用于设计触发算法：

设置缓冲区参数，每块缓冲区对应一个时间段；当系统判断有声发射事件后，在事件有效期内，不再判断单个通道的触发，亦即不再判断是否有新的声发射事件，超过有效期后，重新开始判断触发；

滤波器设计模块，用于设计滤波器：

设定声发射的信号频率及采样率；通过滤波去除频率特征较明显的干扰信号，得到频率在0～10kHz之间的波形；

所述实时分析模块包括：

保存模块，用于将声发射事件波形保存为文件；

文件操作模块，用于对文件进行操作：对文件波形进行分析，包括展开、平移、缩放、量程选择及显示不同时间点上的各通道数据幅值；在原始文件波形的基础上，对文件波形进一步滤波，排除干扰。

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