CN110359961B

CN110359961B - 一种基于多信息感知的灾害预警锚杆及灾害预警方法

Info

Publication number: CN110359961B
Application number: CN201910765094.4A
Authority: CN
Inventors: 董陇军; 王剑
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2039-08-19
Also published as: CN110359961A

Abstract

本发明公开了一种基于多信息感知的灾害预警锚杆及灾害预警方法，所述灾害预警锚杆上设置有多种信号传感器以及预警器；所述多种信号传感器用于感知锚杆安装位置的岩体的各种信息；预警器基于多种信号传感器感知到的信息进行预警。利用振动传感器、位移传感器、压力传感器监测采集到的数据，获得能够反映岩体失稳情况的三类共计9个参数，通过搭建云计算平台进行计算，传输信号实现灾害预警。本发明使用简便、准确有效。

Description

一种基于多信息感知的灾害预警锚杆及灾害预警方法

技术领域

本发明涉及矿山地下灾害预警领域，一种基于多信息感知的灾害预警锚杆及灾害预警方法。

技术背景

深部能源与矿产资源的安全、有效开发是关系到国民经济持续发展和国家能源战略安全的重大问题。随着开采深度的不断增加，各种灾害日益增多，如矿井冲击地压和岩爆的灾害对安全高效开采造成巨大威胁。要实现对深部开采环境中地压灾害的预控制，应对灾害孕育过程进行有效地监测，从而实现安全预警，减少深部灾害事故的发生，确保生产安全、稳定增产和提高企业效益。

目前，以锚杆作为地下监测手段渐渐兴起，因此，有研发一种能准确、快速、有效监测地下灾害的锚杆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于多信息感知的灾害预警锚杆及灾害预警方法，能准确、快速、有效地对地下灾害进行实时监测。

一种基于多信息感知的灾害预警锚杆，所述锚杆上设置有多种信号传感器以及预警器；所述多种信号传感器用于感知锚杆安装位置的岩体的各种信息；预警器基于多种信号传感器感知到的信息进行预警。

进一步地，所述多种信号传感器包括振动传感器8、位移传感器9和压力传感器10。

进一步地，所述预警器为光电预警器。

进一步地，所述光电预警器6包括电源、LED控制器、三个灯座61、三个LED灯、三个灯罩和一个灯光增强罩7；所述电源用于为三个LED灯供电，LED控制器用于根据多种信号传感器感知到的信息控制三个LED灯电源的通断；所述三个灯座61分别用于安装三个LED灯；三个灯罩分别罩在三个LED灯上；灯光增强罩罩在三个灯罩外。

进一步地，所述灾害预警锚杆包括内管1与外管2；外管(2)套设于内管(1)外侧；

内管1与外管2头端连接有信号增强器5；内管1上设有至少一个伸张装置3，伸张装置(3)上设有支撑管；

多种信号传感器均布置在内管1内壁上；

内管1的尾端设有伸张装置控制器4和光电预警器6；所述伸张装置控制器4用于控制伸张装置(3)上的支撑管伸张和收缩；

外管2的尾端设有托盘13和松紧帽14。

进一步地，所述多种信号传感器感知到的信号通过有线或无线的方式传输至外部数据处理器。

进一步地，所述灾害预警锚杆还包括信号转换器11；多种信号传感器、信号转换器11及信号增强器之间通过信号线12连接；多种信号传感器感知到的电信号先经过信号转换器11转换为光信号，再经过信号增强器5放大(以保证传输距离)后，经过光纤传输至外部数据处理器。

进一步地，所述信号转换器11和信号线12均布置在内管1内壁上。

进一步地，所述的振动传感器8、位移传感器9、压力传感器10、信号转换器11等间距均匀布置在内管1的内壁上。可以每隔50cm布置一个元件。

进一步地，所述外部数据处理器为云计算平台。

进一步地，所述的伸张装置3为8个。

本发明提供了一种基于多信息感知的灾害预警方法，在观察点局部范围内安装N根锚杆，N≥3；

设置预警周期和采样周期，即预警时间点和采样点间隔；设置时间窗口大小；

设定预警参数变化阈值向量S_th＝(s_1th,s_2th,…,s_jth,…,s_Mth)，其中v_jth表示第j种预警参数的变化阈值，j＝1,2,…,M，M表示预警参数的种类数；

在每个采样点，根据第i根锚杆上多种信号传感器监测到的数据，计算得到M种预警参数的值，得到一个预警参数向量，记为V_i＝(v_i1,v_i2,…,v_ij,…,v_iN)，i＝1,2,…,N，v_ij表示V_i中第j种预警参数的值；计算v_jmax＝max(v_1j,v_2j,…,v_ij,…,v_Nj)，并得到最终的预警参数向量V_max＝(v_1max,v_2max,…,v_jmax,…,v_Mmax)；在每个预警时间点，将其前一个时间窗口内所有采样点计算得到的最终的预警参数向量中的M种预警参数值分别进行直线拟合，得到M根直线，取这M根直线的斜率，记为预警参数变化向量S＝(s₁,s₂,…,s_j,…,s_M)；将s_j和s_jth中相同维度的元素进行比较，若s_j＞s_jth，则令w_j＝1，否则w_j＝0；由w_j,j＝1,2,…,M组成预警向量W＝(w₁,w₂,…,w_j,…,w_M)；根据W中等于1的元素个数进行不同级别的危险预警，等于1的元素个数越多，表明危险级别越高。所述直线拟合可采用最小二乘、最大似然估计等方法。

进一步地，预警参数变化阈值向量S_th＝(s_1th,s_2th,…,s_jth,…,s_Mth)的设定方法为：在观察点附近稳定岩体区域中连续监测一天，设置同样的预警周期、采样周期和时间窗口大小；在这一天中的所有预警时间点，分别计算得到一个预警参数变化向量S＝(s₁,s₂,…,s_j,…,s_M)；求这一天中所有预警时间点计算得到的预警参数变化向量S＝(s₁,s₂,…,s_j,…,s_M)的平均值(平静期斜率向量)，再将得到的向量乘以系数k，作为预警参数变化阈值向量S_th＝(s_1th，s_2th，…，s_jth，…，s_Mth)。即每种预警参数的变化阈值设置为相应预警参数平静期斜率的k倍。

进一步地，时间窗口大小可设置为10min，预警周期和采样周期可设置为1min，系数k可设置为1.1。

进一步地，所述M＝9，9种预警参数分别为：位移、位移速率、位移的3阶导数、位移速率的0.5阶导数、压力、压力的变化率的0.5阶导数、振动峰值加速度、振动持续时间、振动峰值上升时间；在采样点t，上述9种预警参数的计算方法分别为：

位移表示岩体观察点末位置相对起始位置的变化量，计算公式如下：

其中：(x₁，y₁，z₁)为位移传感器中心位置起始三维空间坐标；(x₂，y₂，z₂)为位移传感器中心位置t时刻的三维空间坐标；位移传感器监测时生成的是位移传感器中心位置三维空间坐标随时间变化的波形图像；(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)可以由位移传感器监测时生成的波形图像确定；

位移速率表示岩体受到外界环境如爆破、矿震等因素的扰动作用时岩体在单位时间内的变形，计算公式如下：

位移的3阶导数表征岩体位移随时间瞬时变化的加速度的变化率，计算公式如下：

位移速率的0.5阶导数为：

压力：压力传感器可采集到实时压力大小随时间变化的波形图像，每一个时间点都有一个压力值与之对应。

压力的变化率的0.5阶导数为：

其中ε_F为压力的变化率，即压力对时间的导数，即

振动峰值加速度可以通过加速度型振动传感器监测到的数据得到；

振动持续时间即振动传感器监测到振动起始时间与振动结束时间之差；

振动峰值上升时间即振动传感器生成的波形中从波谷到波峰的经过的时间，即半个振动周期，振动周期T可由振动传感器生成的波形确定。

进一步地，观察点局部范围内安装N根锚杆，则在每个采样点可以同时计算每根锚杆处的振动峰值加速度、振动持续时间、振动峰值上升时间；对比这N根锚杆处的参数，若不同锚杆处的参数相差较大，则该观察点局部范围内可能发生应力集中，有可能发生危险。

本发明设计的9个参数从位移、压力、振动三个方面监测，岩体集聚的能量超过临界值后就会释放，释放能量的途径包括岩体变形和岩体破坏，岩体的变形可以通过位移监测得到，岩体的破坏可以通过压力传感器和振动传感器监测到，位移、压力、振动方面的9个参数详细表征了位移、力、振动的累计变化、变化速率、变化加速度等信息，参数相互互补，能够反映岩体失稳情况，可以有效实现预警。

有益效果：

本发明可以快速、便捷的将传感器安装在岩体钻孔中，并与岩体耦合良好，准确有效第监测岩体的位移、振动、压力情况，从而实现安全预警，减少深部灾害事故的发生，确保生产安全、稳定增产和提高企业效益。

本发明能准确、快速、有效的对观察点局部范围内进行实时监测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是光电预警器切面示意图。

图3是内管示意图。

图4是本发明的使用布置示意图。

图5是本发明预警系统示意图。

图中：1-内管；2-外管；3-伸张装置；4-伸张装置控制器；5-信号增强器；6-光电预警器；61-灯座；62-红色灯罩；63-黄色灯罩；64-绿色灯罩；65-1号LED灯；66-2号LED灯；67-3号LED灯；7-灯光增强罩；8-振动传感器；9-位移传感器；10-压力传感器；11-信号转换器；12-信号线；13-托盘；14-松紧帽；15-衔接螺纹；16-灯罩盒拆卸螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参见图1、图2、图3和图4，本实施例公开了一种基于多信息感知的灾害预警锚杆，内管1与外管2头端连接有信号增强器5，内管1上设有至少一个伸张装置3，内管1内壁上布置有振动传感器8、位移传感器9、压力传感器10、信号转换器11及连接的信号线12，内管1的尾端设有伸张装置控制器4，外管2的尾端设有托盘13和松紧帽14，内管1尾端设有光电预警器6，通过衔接螺纹15连接。

具体地，光电预警器6包括电源、LED控制器、灯座61、三个LED灯(1号LED灯65、2号LED灯66和3号LED灯67)、三个灯罩(即红色灯罩62、黄色灯罩63和绿色灯罩64)及灯光增强罩7。

参见图1、图2、图3、图4和图5，管体与光电预警器6连接，光电预警器6上套有灯光增强罩7，灯光增强罩7可通过灯罩盒拆卸螺纹16拆卸更换。

参见图1、图2、图3、图4和图5，所述基于多信息感知的灾害预警锚杆，在应用时可按下列具体步骤进行安装：

a.根据监测方案设计传感器安装方位和倾角，于巷道断面顶部施工满足要求的钻孔(本实施例中是打设3个以上直径50mm左右的钻孔)；本发明在每个观察点局部范围内设置3根以上锚杆，保证预警范围的合理性及预警有效性；若小于3根预警锚杆，预警范围得不到有效保障，预警效果将大大减小。

b.将预警锚杆插入事先施工好的钻孔中，使信号增强器5与岩体紧密接触，令整体与钻孔底部岩体耦合良好，

c.扣上与外管2连接的托盘13并扭紧松紧帽14，使托盘(15)扣紧于岩体上，加强锚固力；

d.旋转伸张装置控制器4，使内管1上的伸张装置3的支撑管(10)伸张，通过支撑管的伸张使外管2可伸张部分贴紧周围岩体，完成锚固；

e.将内管1尾部通过衔接螺纹15与光电预警器6连接；

f.将信号线12与各元件连接。

将9个预警参数的变化阈值输入云计算平台，进行灾害预警。

灾害预警锚杆安装好后，通过传感器监测数据，并传输至云计算平台，计算由振动传感器8、位移传感器9、压力传感器10获得三组9个参数，位移组的参数包括：位移、位移速率、位移的3阶导数、位移速率的0.5阶导数；压力组的参数包括：压力、压力的变化率的0.5阶导数；振动传感组参数包括：振动峰值加速度、振动持续时间、振动峰值上升时间。

本发明基于多信息感知的灾害预警锚杆的工作原理，利用振动传感器、位移传感器及压力传感器监测采集获得岩体失稳时的三类共计9个参数的阈值。传感器测试到的振动波形、位移波形及力数据传输至云计算平台，云计算平台处理后产出位移、位移速率、位移的3阶导数、位移速率的0.5阶导数、压力、压力的变化率的0.5阶导数、振动峰值加速度、振动持续时间和振动峰值上升时间共9个参数，进而得到这9个参数的在指定窗口内拟合成的直线的斜率，并将物理信号转换为数字信号(当所得斜率大于平静期斜率的1.1倍时，赋值1，否则赋值0)，将9个数字信号以“0”和“1”的形式在云计算平台显示。当变化趋势大于阈值，显示为“1”，反之为“0”。

云计算平台通过LED控制器控制LED灯电源的通断，从而控制LED灯的显示。当9个数字信号中包括大于等于6个“1”时，控制1号LED灯通电，此时显示红色预警；当9个数字信号中包括3-5个“1”时，控制2号LED灯通电，此时显示黄色预警；当输出的数字信号9个数字信号中包括小于3个“1”时，云计算平台控制3号LED灯通电，此时显示绿色预警。红色预警代表极危险，灾害即将发生，禁止进入，立刻撤离；黄色预警代表有危险，需停止作业，待故障排除后再进入；绿色预警代表可安全作业。

本发明能够根据监测振动、位移、压力相关参数的变化速度从而达到预警目的，能够准确、快速、有效的对局部范围内进行实时监测预警。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“头端”、“尾端”、“上”、“内”、“中”、“内壁”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“1号”、“2号”、“3号”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“1号”、“2号”、“3号”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于多信息感知的灾害预警方法，其特征在于，在观察点局部范围内安装N根灾害预警锚杆；N≥3；

设定预警参数变化阈值向量S_th＝(s_1th,s_2th,···,s_jth,···,s_Mth)，其中v_jth表示第j种预警参数的变化阈值，j＝1,2,···,M，M表示预警参数的种类数；

在每个采样点，根据第i根灾害预警锚杆上多种信号传感器监测到的数据，计算得到M种预警参数的值，得到一个预警参数向量，记为V_i＝(v_i1,v_i2,···,v_ij,···,v_iM)，i＝1,2,···,N，v_ij表示V_i中第j种预警参数的值；计算v_jmax＝max(v_1j,v_2j,···,v_ij,···,v_Nj)，并得到最终的预警参数向量V_max＝(v_1max,v_2max,···,v_jmax,···,v_Mmax)；在每个预警时间点，将其前一个时间窗口内所有采样点计算得到最终的预警参数向量中的M种预警参数值分别进行直线拟合，得到M根直线，取这M根直线的斜率，记为S＝(s₁,s₂,···,s_j,···,s_M)；将s_j和s_jth中相同维度的元素进行比较，若s_j＞s_jth，则令w_j＝1，否则w_j＝0；由w_j,j＝1,2,···,M组成预警向量W＝(w₁,w₂,···,w_j,···,w_M)；根据W中等于1的元素个数进行不同级别的危险预警，等于1的元素个数越多，表明危险级别越高。

2.根据权利要求1所述的基于多信息感知的灾害预警方法，其特征在于，所述M＝9，9种预警参数分别为：位移、位移速率、位移的3阶导数、位移速率的0.5阶导数、压力、压力的变化率的0.5阶导数、振动峰值加速度、振动持续时间、振动峰值上升时间。

3.一种基于多信息感知的灾害预警锚杆，其特征在于，所述灾害预警锚杆上设置有多种信号传感器以及预警器；所述多种信号传感器用于感知锚杆安装位置的岩体的各种信息；预警器基于多种信号传感器感知到的信息进行预警；

所述灾害预警锚杆用于实现权利要求1所述的灾害预警方法。

4.根据权利要求3所述的基于多信息感知的灾害预警锚杆，其特征在于，所述多种信号传感器包括振动传感器(8)、位移传感器(9)和压力传感器(10)。

5.根据权利要求3所述的基于多信息感知的灾害预警锚杆，其特征在于，所述预警器为光电预警器。

6.根据权利要求5所述的基于多信息感知的灾害预警锚杆，其特征在于，所述光电预警器(6)包括电源、LED控制器、三个灯座(61)、三个LED灯、三个灯罩和一个灯光增强罩(7)；所述电源用于为三个LED灯供电，LED控制器用于根据多种信号传感器感知到的信息控制三个LED灯电源的通断；所述三个灯座(61)分别用于安装三个LED灯；三个灯罩分别罩在三个LED灯上；灯光增强罩罩在三个灯罩外。

7.根据权利要求3～6中任一项所述的基于多信息感知的灾害预警锚杆，其特征在于，所述灾害预警锚杆包括内管(1)与外管(2)；外管(2)套设于内管(1)外侧；

内管(1)与外管(2)头端连接有信号增强器(5)；内管(1)上设有至少一个伸张装置(3)，伸张装置(3)上设有支撑管；

多种信号传感器均布置在内管(1)内壁上；

内管(1)的尾端设有伸张装置控制器(4)和光电预警器(6)；所述伸张装置控制器(4)用于控制伸张装置(3)上的支撑管伸张和收缩；

外管(2)的尾端设有托盘(13)和松紧帽(14)。

8.根据权利要求7所述的基于多信息感知的灾害预警锚杆，其特征在于，所述多种信号传感器感知到的信号通过有线或无线的方式传输至外部数据处理器。

9.根据权利要求4所述的基于多信息感知的灾害预警锚杆，所述灾害预警锚杆还包括与信号传感器连接的信号转换器(11)，其中，振动传感器(8)、位移传感器(9)、压力传感器(10)、信号转换器(11)等间距均匀布置在灾害预警锚杆的内管(1)的内壁上。

10.根据权利要求8所述的基于多信息感知的灾害预警锚杆，其特征在于，所述外部数据处理器为云计算平台。