CN110541733A - 一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，包括微型摄像机、声波接收器、扬声器、压力传感器、位移计、数据采集仪、电源及报警器，其中，声波接收器与扬声器连接，压力传感器和位移计均与数据采集仪输入端连接，微型摄像机、声波接收器、数据采集仪输出端、电源及报警器均与数据处理系统连接。本发明还公开了上述一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置的预警方法。本发明在岩爆发生前，能对岩体产生的响声、位移，以及岩体应力发生的改变进行监测，以自动识别岩体变化，达到岩爆预警更加准确的目的，弥补岩爆预警的缺陷。

Description

一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道岩体监测技术领域，具体是一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国经济建设的快速发展，隧道工程的发展也越来越快，而高地应力隧道的岩爆灾害问题也日益突出。高地应力下，脆硬性的岩体会发生岩爆，以致岩体剥落、崩出甚至发生弹射破裂等情况。岩爆发生时，常常伴有人耳可闻的响声，岩片剥落，严重影响工程进度，往往威胁着施工人员的安全，也给工程设备带来巨大损失，给工程带来巨大后患，所以岩爆现象应引起重视。为了能减少高地应力隧道岩爆带来的灾害，对高地应力隧道岩爆灾害进行预警就显得由为重要。

岩爆是工作面周围的岩体中积聚的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，而导致岩石爆裂并弹射出来的现象。而影响岩爆发生的因素众多，目前对岩爆灾害的预警难以满足工程实践的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服目前对岩爆灾害的预警难以满足工程实践需求的问题，提供了一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其在岩爆发生前，能对岩体产生的响声、位移，以及岩体应力发生的改变进行监测，以自动识别岩体变化，达到岩爆预警更加准确的目的，弥补岩爆预警的缺陷。本发明还提供了上述一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置的预警方法。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，包括微型摄像机、声波接收器、扬声器、压力传感器、位移计、数据采集仪、电源及报警器，所述声波接收器与扬声器连接，压力传感器和位移计均与数据采集仪输入端连接，微型摄像机、声波接收器、数据采集仪输出端、电源及报警器均与数据处理系统连接；

微型摄像机，用于采集待监测预警区域岩体的图像并进行实时监测；

声波接收器，用于接收待监测预警区域声信号并转化为电信号；

扬声器，用于将接收到的声波接收器的电信号转化为声信号；

压力传感器，用于采集待监测预警区域岩体的压力变化；

位移计，用于监测待监测预警区域岩体产生的位移变化；

数据采集仪，用于获取待监测预警区域岩体的压力变化值和位移变化值并发送至数据处理系统；

电源，用于为数据处理系统及数据处理系统连接的元器件供电；

数据处理系统，用于接收图像信号、压力信号、声信号及位移信号并处理，以供工作人员获取待监测预警区域岩体信息；数据处理系统还用于在待监测预警区域岩体的图像异常，以及压力、声音分贝及位移超过设定阈值时生成控制信号，以控制报警器发出警报；

报警器，用于接收数据处理系统生成的控制信号，以在待监测预警区域异常时发出警报。

本发明应用时，微型摄像机采集待监测预警区域岩体的图像，压力传感器监测隧道围岩压力，声波接收器将所接收到的声信号转化为电信号，位移计监测待监测预警区域岩体产生的位移，将微型摄像机、压力传感器、声波接收器及位移计采集到的信号传送到数据处理系统进行处理，并在待监测预警区域异常时发出控制信号使报警器发出警报。围岩受压变形、产生应力集中，这个过程产生的应力变化会被压力传感器采集，产生的声波频率、幅度的变化会被声波接收器采集，产生的位移变化会被位移计采集，本发明基于传感系统监测获取岩爆潜在危险区分布位置，判断隧洞周边岩爆潜在危险区的发展规律，实现对岩爆的实时监测、分析和预警。

进一步的，所述数据处理系统包括数据处理器、工业电脑及数据服务器中的一种或多种。本发明在具体实施时，数据处理系统的构成可根据实际工况来选择，通过数据处理器、工业电脑及数据服务器来实现数据的分析处理。

为了便于监控待监测预警区域，进一步的，一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，还包括工作台，所述工作台上设有与数据处理系统连接的视频显示屏、位移显示屏及压力显示屏，其中：视频显示屏，用于对监控到的待监测预警区域岩体的图像进行显示；位移显示屏，用于对数据采集仪所接收到的位移变化值进行显示；压力显示屏，用于对数据采集仪所接收到的压力变化值进行显示。

进一步的，所述数据处理系统还包括无线通讯模块，所述报警器与数据处理系统之间通过无线网络进行信息交互。如此，本发明应用时，可通过无线通讯模块与手机、平板等手持移动通信终端进行信息交互，使得工作人员在获取数据时更加实时便捷。

进一步的，所述压力传感器采用半导体无线压力传感器。本发明的压力传感器采用半导体无线压力传感器实现，其具有体积小、重量轻、灵敏度高、测量准确、防水防潮、工作性能稳定等性能，且使用时操作便捷。

进一步的，所述电源的数量为两个，两个电源分别为主供电电源和备用电源。本发明通过配设备用电源，能避免断电而影响本发明的正常工作。

进一步的，所述预警装置包括若干个监测预警模块，每个监测预警模块至少设有一个微型摄像机、一个声波接收器、一个扬声器、一个压力传感器及一个位移计。本发明应用时，可将若干个监测预警模块均匀分布，通过多点监测，使得本发明监测更加精准。

基于上述一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置的预警方法，包括以下步骤：

步骤一、将待监测预警区域隧道围岩横截面等分为若干个监测预警单元，每个监测预警单元至少布设一个微型摄像机、一个声波接收器、一个扬声器、一个压力传感器及一个位移计；

步骤二、由微型摄像机、声波接收器、压力传感器及位移计对监测预警单元的信息进行采集并发送至数据处理系统，数据处理系统在待监测预警区域岩体的图像异常，以及压力、声音分贝及位移超过设定阈值时生成控制信号，以控制报警器发出警报。

进一步的，所述步骤一中将待监测预警区域隧道围岩横截面等分为若干个监测预警单元时按45°角等分。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明从围岩图像、压力、位移及声音的变化进行对围岩的自动识别、监控岩爆，从多方面进行监测控制，使监测数据更加精确，能更加准确的监测岩爆，防止岩爆的发生。

(2)本发明能对围岩情况进行实时监控，可以确定岩石的破裂程度和性质以监控岩体破坏时间、位置，以提前预报岩爆灾害。

(3)本发明可对岩体产生的微破裂事件实施24小时连续实时监测，能够实现数据实时分析、事件定位、事件能量判定、数据存储等功能。

(4)本发明采用的装置灵敏度高，装置结构组装简单，装置作用分工明确，可方便操作，便于观测，得到的试验数据更精确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一个具体实施例中预警装置的结构框图；

图2为本发明一个具体实施例中监测预警模块的分布图；

图3为本发明一个具体实施例中工作台的布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，包括微型摄像机、声波接收器、扬声器、压力传感器、位移计、数据采集仪、电源及报警器，其中，声波接收器与扬声器连接，压力传感器和位移计均与数据采集仪输入端连接，微型摄像机、声波接收器、数据采集仪输出端、电源及报警器均与数据处理系统连接。本实施例的微型摄像机用于采集待监测预警区域岩体的图像并进行实时监测；声波接收器用于接收待监测预警区域声信号并转化为电信号；扬声器用于将接收到的声波接收器的电信号转化为声信号；压力传感器用于采集待监测预警区域岩体的压力变化；位移计用于监测待监测预警区域岩体产生的位移变化；数据采集仪用于获取待监测预警区域岩体的压力变化值和位移变化值，对数据进行收集分析，并发送至数据处理系统；电源用于为数据处理系统及数据处理系统连接的元器件供电。数据处理系统用于接收图像信号、压力信号、声信号及位移信号并处理，以供工作人员获取待监测预警区域岩体信息；数据处理系统还用于在待监测预警区域岩体的图像异常，以及压力、声音分贝及位移超过设定阈值时生成控制信号，以控制报警器发出警报。报警器用于接收数据处理系统生成的控制信号，以在待监测预警区域异常时发出警报。本实施例的声波接收器接收待监测预警区域岩体的声信号进行调理，然后由扬声器对所接受到的声信号进行放大，扬声器布置在高地应力隧道，直接对在隧道的人员进行预警。本实施例的声波接收器用于对岩爆发生的声波信号进行接收，接收探头为市面购买的探头，本实施例中采用CX20106A超声波接收芯片实现。

本实施例的数据处理系统包括数据处理器、工业电脑及数据服务器中的一种或多种，在图1中为同时具备数据处理器、工业电脑及数据服务器。因DSP芯片可高速处理数字信号，减少报警时间的延迟，本实施例的数据处理器采用DSP芯片实现。为了便于进行信息交互，本实施例的数据处理系统还包括无线通讯模块，报警器与数据处理系统的数据处理器、工业电脑及数据服务器之间通过无线网络进行信息交互。如图3所示，本实施例还包括工作台，工作台上设有与数据处理系统连接的视频显示屏6、位移显示屏7及压力显示屏8，其中：视频显示屏6，用于对监控到的待监测预警区域岩体的图像进行显示；位移显示屏7，用于对数据采集仪所接收到的位移变化值进行显示；压力显示屏8，用于对数据采集仪所接收到的压力变化值进行显示。为了便于控制管理，本实施例的工作台上还设置有控制按钮9。本实施例的报警器5安装在工作台上，在待监测预警区域岩体的图像异常，以及压力、声音分贝及位移超过设定阈值时发出报警。本实施例的报警器5对超出阈值的数据进行报警，其采用市面上能购买到的报警器实现，本实施例中采用型号为LTE-1101JX的报警器实现。本实施例在工作台对接收到的图像信号、压力信号、声信号及位移信号进行处理时，是连接的不同输入端，通过数据处理系统将接收到的数据值与设定阈值进行对比，避免信号干扰。本实施例通过显示屏实时显示岩体的应力大小和岩爆等级，也可通过无线通讯模块将数据传入工作人员手机、平板等手持移动通信终端，以实现高地应力隧道岩爆灾害的自动识别、监控和预警。

本实施例的微型摄像机采用小型无线摄像头监控器，摄像头支持WIFI热点发射功能，在没网的情况下也能通过摄像头发射的热点进行实时监控。微型摄像机与数据处理系统连接，微型摄像机采集到的围岩图像可以通过数据线传输到数据处理系统，并在视频显示屏6上显示，也可与手机等终端进行连接，以便于工作人员实时监测围岩变化情况。

本实施例的压力传感器采用半导体无线压力传感器，其通过压力使薄片变形而产生压电抗阻效果，从而使压力电抗阻的变化转换成电信号，以更加精确的监测隧道围岩压力的变化。本实施例的压力传感器沿着光纤电缆安装，安装在光纤电缆接头处。将压力传感器沿着光纤电缆安装顺次布置，可减少布置安排次数的重复性，进而可将各种数据线统一路径。本实施例的压力传感器自备无线通信模块，能将测得的数据向外发送，使得工作人员在监测预警区域外也能通过手机、平板等手持移动通信终端，以及电脑接收数据。将压力传感器配备无线信号发送功能，在无需找到压力传感器的情况下，也可直接导出数据，不仅节约了时间，也避免了不安全因素。

本实施例中电源的数量为两个，两个电源分别为主供电电源和备用电源。本实施应用时，还可设置电源监测装置，电源监测装置设有报警模块和备用进线自动投入装置，即电源具有备自投功能。本实施例通过电源监测装置对电源的电量和漏电情况进行监测，能够在主供电电源出现故障时，连通备用电源并通过报警模块发出警报，从而告知工作人员对因故障或电量耗尽而未使用的电源进行更换。其中，报警模块的报警方式为语音报警或信号灯显示报警。

本实施例的预警装置包括若干个监测预警模块，每个监测预警模块至少设有一个微型摄像机、一个声波接收器、一个扬声器、一个压力传感器及一个位移计。本实施例在具体设置时，优选设置8个监测预警模块。图1中仅体现了一个监测预警模块，图2为本实施例中监测预警模块的分布图，其体现了每个监测预警模块中微型摄像机1、压力传感器2、声波接收器3及位移计4的分布，微型摄像机1安装在压力传感器2上，因其体型很小，不会影响压力传感器2工作。

基于上述一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置的预警方法，包括以下步骤：步骤一、将待监测预警区域隧道围岩横截面等分为若干个监测预警单元，每个监测预警单元至少布设一个微型摄像机、一个声波接收器、一个扬声器、一个压力传感器及一个位移计，即每个监测预警单元内布设一个监测预警模块；步骤二、由微型摄像机、声波接收器、压力传感器及位移计对监测预警单元的信息进行采集并发送至数据处理系统，数据处理系统在待监测预警区域岩体的图像异常，以及压力、声音分贝及位移超过设定阈值时生成控制信号，以控制报警器发出警报。本实施例的步骤一中将待监测预警区域隧道围岩横截面等分为若干个监测预警单元时按45°角等分，即构成8个监测预警单元。本实施例对待监测预警区域的监测预警单元进行编号，8个监测预警单元构成监测网络，每个监测预警单元内的微型摄像机、声波接收器、压力传感器及位移计按编号进行管理。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其特征在于，包括微型摄像机、声波接收器、扬声器、压力传感器、位移计、数据采集仪、电源及报警器，所述声波接收器与扬声器连接，压力传感器和位移计均与数据采集仪输入端连接，微型摄像机、声波接收器、数据采集仪输出端、电源及报警器均与数据处理系统连接；

微型摄像机，用于采集待监测预警区域岩体的图像并进行实时监测；

声波接收器，用于接收待监测预警区域声信号并转化为电信号；

扬声器，用于将接收到的声波接收器的电信号转化为声信号；

压力传感器，用于采集待监测预警区域岩体的压力变化；

位移计，用于监测待监测预警区域岩体产生的位移变化；

数据采集仪，用于获取待监测预警区域岩体的压力变化值和位移变化值并发送至数据处理系统；

电源，用于为数据处理系统及数据处理系统连接的元器件供电；

数据处理系统，用于接收图像信号、压力信号、声信号及位移信号并处理，以供工作人员获取待监测预警区域岩体信息；数据处理系统还用于在待监测预警区域岩体的图像异常，以及压力、声音分贝及位移超过设定阈值时生成控制信号，以控制报警器发出警报；

报警器，用于接收数据处理系统生成的控制信号，以在待监测预警区域异常时发出警报。

2.根据权利要求1所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其特征在于，所述数据处理系统包括数据处理器、工业电脑及数据服务器中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其特征在于，还包括工作台，所述工作台上设有与数据处理系统连接的视频显示屏、位移显示屏及压力显示屏，其中：视频显示屏，用于对监控到的待监测预警区域岩体的图像进行显示；位移显示屏，用于对数据采集仪所接收到的位移变化值进行显示；压力显示屏，用于对数据采集仪所接收到的压力变化值进行显示。

4.根据权利要求1所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其特征在于，所述数据处理系统还包括无线通讯模块，所述报警器与数据处理系统之间通过无线网络进行信息交互。

5.根据权利要求1所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其特征在于，所述压力传感器采用半导体无线压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其特征在于，所述电源的数量为两个，两个电源分别为主供电电源和备用电源。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置，其特征在于，所述预警装置包括若干个监测预警模块，每个监测预警模块至少设有一个微型摄像机、一个声波接收器、一个扬声器、一个压力传感器及一个位移计。

8.基于权利要求1～7中任意一项所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将待监测预警区域隧道围岩横截面等分为若干个监测预警单元，每个监测预警单元至少布设一个微型摄像机、一个声波接收器、一个扬声器、一个压力传感器及一个位移计；

步骤二、由微型摄像机、声波接收器、压力传感器及位移计对监测预警单元的信息进行采集并发送至数据处理系统，数据处理系统在待监测预警区域岩体的图像异常，以及压力、声音分贝及位移超过设定阈值时生成控制信号，以控制报警器发出警报。

9.根据权利要求8所述的一种高地应力隧道岩爆灾害预警装置的预警方法，其特征在于，所述步骤一中将待监测预警区域隧道围岩横截面等分为若干个监测预警单元时按45°角等分。