CN112903023B - 同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿山开采监测技术领域，公开了一种同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法，传感器装置包括声发射探头、放大器、应力传感器、倾角传感器以及线路板；声发射探头包括：压电陶瓷晶体、导向头；压电陶瓷晶体前端面与导向头后端面采用平面接触，且压电陶瓷晶体与后端的放大器一体化；应力传感器包括：液压缸体、弹性体和承压片；液压缸体通过活塞、连接装置连接弹性体，承压片安装在弹性体一侧；线路板通过供电线路连接放大器。本发明摒除单一传感器预警随意性大、准确性差的技术难题，提出集成传感器的思路，将力学和声学监测方法集成于统一的传感器，实现多源信息的耦合监测，提高预警的准确性。

Description

同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法

技术领域

本发明属于矿山开采监测技术领域，尤其涉及一种同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法。

背景技术

目前，对于地下开采而言，在原生应力、开采扰动应力和岩体结构的综合影响下，超过矿体或围岩自身强度后，矿岩体发生失稳破坏，引起不同程度的地压活动，直接威胁矿山回采的安全性。目前矿山开采围岩稳定性监测的主要方法包括应力监测、位移监测、声发射监测和微震监测，对于硬岩矿山常采用应力、声发射、微震等监测方法。

应力监测：

通过利用钻孔应力计、表面应力计和包体应力计(应变式)等主要方法对开采过程中施加于矿岩之上的应力(包含原生应力和扰动应力)进行测试，随着应力变化，监测设备显示不同的测量值。当测量值超过先前设定于传感器上的阈值之后，传感器开始报警，从而实现地压活动的超前预警。但从岩体受压破裂的机理分析，矿岩破坏与自身强度、外载荷、岩体结构及所处环境均有较大的关联性，不同矿岩体强度不同，不同矿山岩性及岩体结构千差万别，统一设定的应力极限阈值并不是其真正的破坏临界应力。所以利用极限应力阈值预警地压并无明确的理论依据，具有较大的不确定性，往往造成预警失败。

声发射监测：

声发射监测的原理是岩体破裂产生的弹性波被传感器接受，通过对声发射次数、能量以及波形进行分析，对比实验室得到的岩石破裂声发射指标变化规律，从而实现岩体破坏声发射信息预警。现场多依靠声发射次数、频度以及能量的大小等综合判断结果实施预警。但从岩石受压破坏的过程可知，在岩石初期受力压密阶段、弹性变形阶段、起裂破坏直至峰值等主要承载过程中，声发射信息多次出现频度激增、回落和平静阶段，同时声发射信号受岩体结构和现场环境噪声的影响极大。单纯利用声发射监测结果实施预警具有较大的随意性，预警准确性较差。

微震监测：

微震监测主要依靠对岩石破裂过程产生的中低频声信号实施监测，利用中低频声信息衰减速度慢，传输距离远的特点，利用微震检波器实现远距离监测，并利用多个传感器对声信号进行空间定位，从而判断灾害危险源，实现危险源定位和超前预警。其监测原理和声发射探头类似。从现场的应用来看，由于地下开采形成了大量的空区、破碎介质岩体、松散充填体等多种非连续介质，危险源发出的声信号在传输过程中经过不同介质和岩体结构，散失和衰减非常严重，到达微震检波器后信号的真实性大为降低。同时也严重影响定位的准确性。因此，单纯微震监测预警矿岩体失稳破坏准确性不高。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术地压活动监测预警中，单一传感器预警随意性大、准确性差。

(2)现有技术对地压的误判率比较高。在同一监测点，不能实现力学和声学信息同时采集和反馈。

(3)现有技术监测安装成本和钻孔施工成本高。

解决以上问题及缺陷的难度为：如何使同一监测源的围岩在承载过程中所释放的多种伴生信息被同时捕捉并接收，将直接影响到围岩破坏前兆的准确预判。因此，利用一种监测传感器同时采集并存储岩石破坏的多种伴生信息是解决问题的关键环节，但由于每种伴生信息的产生原理不同，所以分类采集方法集成是解决上述问题的难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明主要针对上述传统地压活动监测预警技术的缺陷，摒除单一传感器预警随意性大、准确性差的技术难题，提出集成传感器的思路，将应力和声发射监测方法集成于统一的传感器，实现多源信息的耦合监测，从而提高预警的准确性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法。

本发明是这样实现的，一种同源监测的应力和声发射集成传感器，包括传感器装置；所述传感器装置内依次放置：声发射探头、放大器、应力传感器、定向传感器以及线路板；

所述声发射探头包括：压电陶瓷晶体、导向头；所述压电陶瓷晶体前端面与导向头后端面采用平面接触，且压电陶瓷晶体与后端的放大器一体化；利用压电陶瓷晶体接收岩体受。载破裂产生的弹性波，并将幅值、振动次数等物理量并转化为电信号

所述应力传感器包括：液压缸体、弹性体和承压片；所述液压缸体通过活塞、连接装置连接弹性体，承压片安装在弹性体一侧，受压后通过承压片连接液压缸体端部的测压装置，得到压力数值；

线路板通过供电线路连接放大器、定向传感器。

进一步，所述传感器装置还包括：所述传感器装置尾部安装的用于调节承压片安装角度的调节旋钮。

进一步，所述传感器装置封装于圆柱体刚性腔槽内，所述圆柱体刚性腔采用钢结构材料。

进一步，所述传感器装置还包括：测压装置，位于液压缸体前端，通过供电线路连接放大器。

进一步，所述同源监测的应力和声发射集成传感器进一步包括采集器、存储器；

采集器与传感器装置和存储器之间通过光纤通讯；采用主站电源供电或采集器电池供电；

所述采集器用于声发射信息采集和应力信息采集，采用触发式采集方式，通过单片机控制，实现所述信息集成采集；

所述存储器与采集器集成在一起，用于接收采集得到的声发射信息和应力信息，接收来自系统主机站的指令，实现间隔时间上传监测信息；信息上传后，存储器接收指令自动清空监测信息。

进一步，所述采集器工作模式分为调试模式、安装模式和正常采集模式；调试模式分为声发射探头校准模式、倾角调试和应力调试，用于初始校准；安装模式用于现场安装时显示传感器前端与耦合剂的接触性和承压片的角度；

正常采集模式包括声发射参数采集和应力值采集，利用单片机控制声发射采集以秒为间隔，应力采集以小时为间隔；声发射次数、能量、振幅和应力值在显示窗交替显示；整个采集器和存储器封装于钢化防爆外壳内。

进一步，所述显示窗包括：安装模式按钮；调试模式按钮、采集模式按钮、螺纹连接装置、供电线路、电源接口、采集显示窗口、仪器编码显示窗口。

本发明的另一目的在于提供一种所述同源监测的应力和声发射集成传感器的监测方法，所述同源监测的应力和声发射集成传感器的监测方法包括：

在同一个监测源获取应力和声发射两种岩体受载过程的伴生信息。并实现两种信息的分类存储和传输。

本发明的另一目的在于提供一种所述同源监测的应力和声发射集成传感器的安装方法，所述同源监测的应力和声发射集成传感器的安装方法包括：

将钻孔后的孔底放入水泥砂浆或黄油耦合剂，将集成传感器装置推入孔底与耦合剂充分接触，然后调整传感器装置尾部调节按钮，使承压片与孔壁充分接触，施加预应力到一定数值后，完成传感器装置的安装；供电线路从安装钻孔引出，集成了采集器和存储器的显示装置布置在监测孔口位置。

本发明的另一目的在于提供一种所述同源监测的应力和声发射集成传感器在硬岩矿山应力监测、位移监测、声发射监测和微震监测预警上的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

现有的技术主要采用单一的应力监测、声发射监测或微震监测，前面分析可知，其对地压的误判率比较高，由于围岩的非均质性和不连续性，任何一种矿岩体并无单一信息的预警值或判别方法。而岩体破坏包括了应力、位移和声发射多种伴生信息，本发明实现了传感器对多信息的统一监测，必然会增加预警的准确性。

从现场传感器布置工程来看，如果布置不同的传感器，需要施工多个钻孔，本发明集成传感器可将现场检测钻孔数量减半，大幅降低了监测安装成本和钻孔施工成本。

与原有多种单一传感器布置不能反映同一位置监测信息相比，本发明实现了力学和声学的集成监测，即同一监测点的力学和声学信息可以同时采集和反馈。

对比的技术效果或者实验效果包括：

如下图4是在矿山现场分别从两个测孔安装了钻孔应力计和声发射监测仪，分别获得图5和图6两组数据。

如图4，采用两种不同的监测设备在同一区域监测，需要现场施工两种不同类型的监测钻孔，且两个孔内得到的数据并不能完全反应同一监测源承载过程中的伴生信息。从监测得到的结果(图5、图6)分析，在连续三个月的监测结果中，应力分别出现上升、平稳、上升和下降的趋势，破坏阈值无法准确获得。声发射能率反复出现上升—下降，哪一次下降是破坏前兆期也不能准确得到。因此，两种监测设备分别监测，根据监测结果并不能完全预警岩体的破坏。图7、图8为实验室得到应力—声发射集成监测结果，从实验结果来看，在加载过程中，应力上升—声发射能量增加并未出现破坏，到加载后期破坏前兆应力出现下降，且同时声发射能量出现激增—回落现象，且两个试样在岩石破坏前兆两种信息都体现出同样的变化规律，因此，提出采用集成监测传感器对矿山围岩破坏进行监测并实现准确预警。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的同源监测的应力和声发射集成传感器的传感器装置示意图。

图2是本发明实施例提供的采集显示装置示意图。

图3是本发明实施例提供的集成传感器安装示意图。

图1-图3中：1、导向头；2、压电陶瓷晶体；3、放大器；4、测压装置；5、液压缸体；6、活塞；7、连接装置；8、承压片；9、弹性体；10、调节旋钮；11、线路板；12、供电线路；13、安装模式按钮；14、调试模式按钮；15、采集模式按钮；16、螺纹连接装置；17、电源接口；18、采集显示窗口；19、仪器编码显示窗口；20、耦合剂；21、传感器装置；22、安装钻孔；23、定向传感器。

图4是本发明实施例提供的在矿山现场分别从两个测孔安装钻孔应力计和声发射监测仪效果图。

图5是本发明实施例提供的通过图4获得的应力监测结果图。

图6是本发明实施例提供的通过图4获得的声发射监测结果图.

图7是本发明实施例提供的试样1集成监测结果图。

图8是本发明实施例提供的试样2集成监测结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的同源监测的应力和声发射集成传感器包括：

传感器装置21(如图1所示)：

传感器装置内依次放置：声发射探头、放大器3、应力传感器、定向传感器23、以及线路板11；

还包括：导向头1、压电陶瓷晶体2、测压装置4、液压缸体5、活塞6、连接装置7、承压片8、弹性体9、调节旋钮10、线路板11、供电线路12。

其中声发射探头采用压电陶瓷晶体2，主频为20KHz，为便于声发射信号传输采集，最前端导向头1采用钢结构实心体，压电陶瓷晶体2前端面与导向头1后端面采用平面接触，且声发射探头与其后端的放大器一体化，应力传感器采用液压缸体5、弹性体9和承压片8连接实现，利用传感器尾部的调节旋钮10调节安装角度，以保证承压片8的承压方向。整个声发射探头封装于圆柱体刚性腔槽内，传感器全长200mm，缸体内径25mm，外径35mm，最前端壁厚5mm，采用钢结构材料。

采集器：

为了便于维修更换，采集器与传感器装置分离，采集器与传感器装置和存储器之间通过光纤通讯方式，供电电压为5V，采用主站电源供电或采集器电池供电。采集器主要实现声发射信息采集(次数、能量、振幅和波形信息)和应力信息采集(应力数值)，采用触发式采集方式，通过单片机控制，实现两种信息集成采集。

采集器工作模式分为调试模式、安装模式和正常采集模式，调试模式分为声发射探头校准模式、倾角调试和应力调试，用于初始校准。安装模式用于现场安装时显示传感器前端与耦合剂的接触性和承压片的角度。

正常采集模式包括声发射参数采集和应力值采集，利用单片机控制声发射采集以秒为间隔，应力采集以小时为间隔。声发射次数、能量、振幅和应力值在显示窗交替显示。整个采集器和存储器封装于钢化防爆外壳之内。

存储器：

存储器与采集器集成在一起，用于接收采集得到的声发射信息和应力信息，通常容量为128G，其接收来自系统主机站的指令，实现间隔时间上传监测信息，上传周期最小间隔单位为0.5h，可以根据需要设置调整。信息上传后，存储器接收指令自动清空监测信息。

显示窗(如图2)：包括：安装模式按钮13；调试模式按钮14、采集模式按钮15、螺纹连接装置16、供电线路12、电源接口17、采集显示窗口18、仪器编码显示窗口19。

采集器上面的观察窗尺寸为72*52mm，待机时显示编号、版本号、监测区交替显示声发射参数和应力值，设置按钮可以选择调试模式、安装模式和正常采集模式。

下面结合集成传感器安装对本发明的技术方案作进一步描述。

如图3所示，包括：耦合剂20、压电陶瓷晶体2、传感器装置21、承压片8、调节旋钮10、供电线路12、安装钻孔22。

传感器安装利用普通的矿用浅孔凿岩机钻凿直径为38～42mm的钻孔，为了便于应力承压片8安装，孔深通常不超过5m，孔底放入水泥砂浆或黄油等耦合剂20，将集成传感器装置21推入孔底与耦合剂20充分接触，然后调整传感器装置尾部调节按钮10，使得承压片8与孔壁充分接触，施加预应力到一定数值后，即完成传感器装置的安装，供电线路12导线12从安装钻孔22引出，集成了采集器和存储器的显示装置布置在监测孔口位置。如此，则在同一测孔中实现了力学和声学集成监测。为后续数据耦合分析预警提供了硬件设备。

下面结合矿山工程现场和实验室的实验数据分析对本发明的效果作进一步描述。

如下图4是在矿山现场分别从两个测孔安装了钻孔应力计和声发射监测仪，分别获得图5和图6两组数据。

如图4，采用两种不同的监测设备在同一区域监测，需要现场施工两种不同类型的监测钻孔，且两个孔内得到的数据并不能完全反应同一监测源承载过程中的伴生信息。从监测得到的结果(图5、图6)分析，在连续三个月的监测结果中，应力分别出现上升、平稳、上升和下降的趋势，破坏阈值无法准确获得。声发射能率反复出现上升—下降，哪一次下降是破坏前兆期也不能准确得到。因此，两种监测设备分别监测，根据监测结果并不能完全预警岩体的破坏。图7、图8为实验室得到应力—声发射集成监测结果，从实验结果来看，在加载过程中，应力上升—声发射能量增加并未出现破坏，到加载后期破坏前兆应力出现下降，且同时声发射能量出现激增—回落现象，且两个试样在岩石破坏前兆两种信息都体现出同样的变化规律，因此，提出采用集成监测传感器对矿山围岩破坏进行监测并实现准确预警。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种同源监测的应力和声发射集成传感器，其特征在于，所述同源监测的应力和声发射集成传感器包括传感器装置；所述传感器装置内依次放置：声发射探头、放大器、应力传感器、定向传感器以及线路板；

所述声发射探头包括：压电陶瓷晶体、导向头；所述压电陶瓷晶体前端面与导向头后端面采用平面接触，且压电陶瓷晶体与后端的放大器一体化；利用压电陶瓷晶体接收岩体受载破裂产生的弹性波，并将幅值、振动次数转化为电信号；

所述应力传感器包括：液压缸体、弹性体和承压片；所述液压缸体通过活塞、连接装置连接弹性体，承压片安装在弹性体一侧，受压后通过承压片连接液压缸体端部的测压装置，得到压力数值；

线路板通过供电线路连接放大器、定向传感器；

所述传感器装置还包括：所述传感器装置尾部安装的用于调节承压片安装角度的调节旋钮；

所述传感器装置封装于圆柱体刚性腔槽内，所述圆柱体刚性腔采用钢结构材料；

所述传感器装置还包括：测压装置，位于液压缸体前端，通过供电线路连接放大器；

所述同源监测的应力和声发射集成传感器进一步包括采集器、存储器；

采集器与传感器装置和存储器之间通过光纤通讯；采用主站电源供电或采集器电池供电；

所述采集器用于声发射信息采集和应力信息采集，采用触发式采集方式，通过单片机控制，实现信息集成采集；

所述存储器与采集器集成在一起，用于接收采集得到的声发射信息和应力信息，接收来自系统主机站的指令，实现间隔时间上传监测信息；信息上传后，存储器接收指令自动清空监测信息；

所述采集器工作模式分为调试模式、安装模式和正常采集模式；调试模式分为声发射探头校准模式、倾角调试和应力调试，用于初始校准；安装模式用于现场安装时显示传感器前端与耦合剂的接触性和承压片的角度；

正常采集模式包括声发射参数采集和应力值采集，利用单片机控制声发射采集以秒为间隔，应力采集以小时为间隔；声发射次数、能量、振幅和应力值在显示窗交替显示；整个采集器和存储器封装于钢化防爆外壳内。

2.如权利要求1所述的同源监测的应力和声发射集成传感器，其特征在于，所述显示窗包括：安装模式按钮；调试模式按钮、采集模式按钮、螺纹连接装置、供电线路、电源接口、采集显示窗口、仪器编码显示窗口。

3.一种如权利要求1~2任意一项所述同源监测的应力和声发射集成传感器的监测方法，其特征在于，所述同源监测的应力和声发射集成传感器的监测方法包括：

在同一个监测源获取应力和声发射两种岩体受载过程的伴生信息，并实现两种信息的分类存储和传输。

4.一种如权利要求1~2任意一项所述同源监测的应力和声发射集成传感器的安装方法，其特征在于，所述同源监测的应力和声发射集成传感器的安装方法包括：

将钻孔后的孔底放入水泥砂浆或黄油耦合剂，将集成传感器装置推入孔底与耦合剂充分接触，然后调整传感器装置尾部调节按钮，使承压片与孔壁充分接触，施加预应力到一定数值后，完成传感器装置的安装；供电线路从安装钻孔引出，集成了采集器和存储器的显示装置布置在监测孔口位置。

5.一种如权利要求1~2任意一项所述同源监测的应力和声发射集成传感器在硬岩矿山应力监测、位移监测、声发射监测和微震监测预警上的应用。

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