CN114859401A - 一种用于水文地质勘查的节理分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及勘测技术领域，具体公开了一种用于水文地质勘查的节理分析系统，包括节理信号收集装置、节理分析模块、预警模块，所述节理信号收集装置通过对节理周围环境的动态检测确保信号收集环境的稳定对节理发展过程中振动信号的收集，所述节理分析模块用于对所述待测节理的振动信号进行分析处理，所述预警模块根据所述节理分析模块的分析结果判定矿山岩体的开挖是否安全并作出预警，基于激光测振的非接触式振动监测技术建立对节理实时动态的分析系统用于水文地质勘查，有效解决了在岩体表面安装传感器时受矿山复杂地理环境的限制，为矿产开挖的进行提供更有效的数据支撑以及时对因矿产开采工作导致的地质灾害进行预警。
Description
技术领域
本发明涉及勘测技术领域，具体是一种用于水文地质勘查的节理分析系统。
背景技术
水文地质勘查可用于对一定地区内的岩石、地层、构造、矿产、地下水、地貌等地质情况进行重点有所不同的调查研究，其中，矿产水文地质主要服务于矿产的勘探与开采，节理常作为矿液的流动通道和停积场所，直接控制着脉状金属矿床的分布，矿产开采过程中节理裂隙会发生一系列的变化，节理裂隙发展到一定程度会导致地下水突涌等地质灾害，所以在矿产开发的过程对节理裂隙的发展进行动态监测可以有效对地质灾害作出预警，但目前的岩体裂隙监测技术大都依赖于在岩体表面安装传感器进行监测，但因地形环境复杂使传感器的布设难度较大进而造成安装成本高，而且安装过程会对岩体构造造成一定影响，可能还会发生不可预知的的事件，因此还需要研究和开发一些具有针对性的勘查方法和技术，来提高地质勘查工作效率，为后期的矿产开采工作提供有效数据，来制定矿产开采方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于水文地质勘查的节理分析系统，根据岩石发生破坏的不同阶段微裂纹生成时的不同特征对节理发展过程中不同阶段微裂纹生成时的振动信号进行收集分析可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于水文地质勘查的节理分析系统，其特征在于，包括节理信号收集装置、节理分析模块、预警模块，所述节理信号收集装置包括激光发射装置、环境检测装置、振动信号采集装置，所述激光发射装置包括第一光源、第二光源，分别作为环境检测装置和振动信号采集装置的激光发射源，所述环境检测装置用于检测激光束的传播路径中环境因素对激光束的传播影响，所述振动信号采集装置用于对待测节理发展过程中振动信号的收集并将数据信号传输到节理分析模块，所述节理分析模块用于对待测节理的振动信号进行分析处理，所述节理分析模块的输入端与所述节理信号收集装置的输出端连接，所述节理分析模块的输出端与所述预警模块连接，所述预警模块根据所述节理分析模块的分析结果判定矿山岩体的开挖是否安全并作出预警。
作为本发明再进一步的方案：所述环境检测装置包括粉尘浓度传感器、除尘装置，所述粉尘浓度传感器用于检测激光束传播路径的粉尘浓度，所述粉尘浓度传感器分两路与除尘装置和第二光源连接形成一个反馈系统对检测环境做预处理，所述除尘装置用于待所测粉尘浓度超过粉尘浓度阈值时对激光传播路径进行除尘以此保证激光信号的透过率，防止因粉尘对激光束传播影响不利于节理振动信号的采集进而影响数据的准确性。
作为本发明再进一步的方案：所述振动信号采集装置包括激光测振传感器、信号处理器，由于激光束作用在节理上会发生反射现象，反射光作用在所述激光测振传感器表面，节理的振动会使反射光与入射光的频率产生干涉，所述激光测振传感器由此收集待测节理的振动信号，所述信号处理器用于通过反射光与入射光之间的频差以及反射光与入射光到达传感器表面的时间差可得到节理变化速度，根据速度与位移之间的关系可绘制出位移-时间曲线从曲线图中提取振幅和频率。
作为本发明再进一步的方案：所述节理分析模块包括节理数据筛选模块、节理信号分析模块、节理预测模块，所述节理数据筛选模块将节理振动时的振幅和频率作为离散数值采用求平均值的方法，对超出平均值倍的异常节理数据进行剔除，排除异常数据对分析结果造成的影响，所述节理信号分析模块根据不同时间段节理振动的振幅和频率的变化值构建节理的振幅-时间以及频率-时间变化曲线，所述节理预测模块用于建立待测节理的有序振动预测模型。
作为本发明再进一步的方案：所述节理预测模块包括节理数据标准库、节理变化曲线预测模块，所述节理数据标准库将标准试验下对完整岩体加载直到掩体发生完全破坏的振幅-时间、频率-时间变化图作为数据标准，用于对实测数据的曲线走向进行比较，所述节理变化曲线预测模块将节理数据标准库中所记录的标准试验下对完整岩体加载直到掩体发生完全破坏的振幅-时间、频率-时间变形曲线作为参考，基于节理破坏曲线与完整岩体破坏曲线的走向基本一致的原理，通过将实测节理变形曲线走向与数据库中变形曲线走向进行对比来模拟节理频率变化曲线。
作为本发明再进一步的方案，一种用于水文地质勘查的节理分析系统，包括如下使用方法：
步骤一：根据待测节理的不同角度和高度选取不同的固定支座，将所述节理信号收集装置固定在测定点位置防止装置发生振动位移对检测数据造成干扰，并且调节所述节理信号收集装置的激光发射装置使激光发射方向垂直向下与待测节理相对；
步骤二：待所述激光探头的位置调整结束，仔细检查各部件之间的连线是否正确，确保各部件处于关闭状态，然后打开激光发射装置的第一光源的电源开关，依次打开节理分析模块、预警模块，系统进入待运行状态，首先通过利用环境检测装置检测激光束的传播路径中环境因素对激光束的传播影响，由所述第一光源向待测节理方向发射激光束，利用激光束遇到粉尘会发生散射现象，收集区域内散射光传至粉尘浓度传感器，根据粉尘浓度在0~97g/m3范围时，激光信号的透过率基本保持不变的原理，在所述粉尘浓度传感器上设定阈值，当所述粉尘浓度传感器超过阈值时激发除尘装置运转并且此时所述粉尘浓度传感器与第二光源的电路处于断开状态，所述除尘装置可采用喷雾降尘的方法降低测定区域的粉尘浓度，保证激光信号的透过率不受到环境影响，当所述粉尘浓度传感器的粉尘浓度低于阈值时所述除尘装置自动关闭并且此时所述粉尘浓度传感器与第二光源的电路连通刺激第二光源对振动信号采集装置发射激光束，由于激光束照射在节理上会发生反射现象，反射光作用在所述激光测振传感器表面，节理的振动会使反射光与入射光的频率产生差异，所述激光测振传感器根据不同频率在传感器表面发生干涉的原理由此收集待测节理的振动信号并将收集到的振动信号传输至信号处理器，所述信号处理器通过反射光与入射光之间的频差以及反射光与入射光到达传感器表面的时间差可得到节理变化速度，根据速度与位移之间的关系可绘制出位移-时间曲线从曲线图中提取振幅和频率；
步骤三：待所述节理信号收集装置收集所述待测节理振动信息完成，由信号处理器通过无线传输方式将数据传至所述节理分析模块，记所述待测节理的振动离散信号为Xn,n=0,1,2...n-1,由所述节理分析模块对数据信号进行分析处理，首先由节理数据筛选模块对离散数值求出平均值，对超出平均数倍的异常样本进行剔除，排除异常数据对分析结果造成的影响，然后由节理信号分析模块对数据进行分析处理，所述节理信号分析模块根据振幅和频率的变化值构建待测节理的振幅变化图以及频率变化图，高频率值对应小尺度微裂纹， 低频率值对应于大的裂隙，所述节理预测模块通过提取节理数据标准库中标准试验下对完整岩体加载直到掩体发生完全变化的振幅频率变化图作为参考由节理变化曲线预测模块对已有的频率值演化的有序程度进行量化评价构建所述待测节理的下一步变化预测模型，将此预测模型传输至预警模块，将预测模型中频率峰值作为预警指标，由所述预警模块对矿山岩体的开挖提前作出预警，在地质灾害发生前可及时采取有效防护措施。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过对节理发展过程中不同阶段微裂纹生成时的振动信号进行收集分析，建立一套长期动态的节理分析系统用于矿产水文地质勘查，有效解决了在岩体表面安装传感器时受矿山复杂地理环境的限制，并且在不破坏矿山岩体的构造应力的情况下对实际地质环境进行模拟分析，为矿产开采工作的进行提供更有效的数据支撑，可及时对因矿产开采工作导致的地质灾害进行预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种用于水文地质勘查的节理分析系统的整体流程示意图；
图2为一种用于水文地质勘查的节理分析系统中节理信号采集装置的流程示意图；
图3为一种用于水文地质勘查的节理分析系统中预警模块的流程示意图。
图中：1、节理信号收集装置；11、激光发射装置；111、第一光源；112、第二光源；12、环境检测装置；121、粉尘浓度传感器；122、除尘装置；13、振动信号采集装置；131、激光测振传感器；132、信号处理器；2、节理分析模块；21、节理数据筛选模块；22、节理信号分析模块；23、节理预测模块；231、节理数据标准库；232、节理变化曲线预测模块；3、预警模块。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
请参阅图1-图3，本发明实施例中，一种用于水文地质勘查的节理分析系统，包括节理信号收集装置（1）、节理分析模块（2）、预警模块（3），节理信号收集装置（1）包括激光发射装置（11）、环境检测装置（12）、振动信号采集装置（13），激光发射装置（11）包括第一光源（111）、第二光源（112），作为环境检测装置（12）和振动信号采集装置（13）的激光发射源，环境检测装置（12）用于检测激光束的传播路径中环境因素对激光束的传播影响，振动信号采集装置（13）包括用于对待测节理发展过程中振动信号的收集并传输到节理分析模块（2），节理分析模块（2）用于对待测节理的振动信号进行分析处理，节理分析模块（2）的输入端与节理信号收集装置（1）的输出端连接，节理分析模块（2）的输出端与预警模块（3）连接，预警模块（3）根据节理分析模块（2）的分析结果判定矿山岩体的开挖是否安全并作出预警。
一种用于水文地质勘查的节理分析系统的使用方法，包括如下使用方法：
步骤一：根据节理的不同角度和高度选取不同的固定支座将节理信号收集装置（1）固定在测定点位置，比如可以采用一种可调节固定支座，防止装置发生振动位移对检测数据造成干扰，并且调节节理信号收集装置（1）的激光发射装置（11）使激光发射方向垂直向下与待测节理相对；
步骤二：待激光探头的位置调整结束，仔细检查各部件之间的连线是否正确，确保各部件处于关闭状态，然后打开激光发射装置（11）的第一光源（111）的电源开关，依次打开节理分析模块（2）、预警模块（3），系统进入待运行状态，首先通过利用环境检测装置（12）检测激光束的传播路径中环境因素对激光束的传播影响，由第一光源（111）向待测节理方向发射激光束，利用激光束遇到粉尘会发生散射现象，收集区域内散射光传至粉尘浓度传感器（121），根据粉尘浓度在0~97g/m3范围时，激光信号的透过率基本保持不变的原理，在粉尘浓度传感器（121）上设定阈值，当粉尘浓度传感器（121）超过阈值时激发除尘装置（122）运转并且此时粉尘浓度传感器（121）与第二光源（112）的电路处于断开状态，除尘装置（122）可采用喷雾降尘的方法降低测定区域的粉尘浓度，保证激光信号的透过率不受到环境影响，当粉尘浓度传感器（121）的粉尘浓度低于阈值时除尘装置（122）自动关闭并且此时粉尘浓度传感器（121）与第二光源（112）的电路连通刺激第二光源（112）对振动信号采集装置（13）发射激光束，由于激光束照射在节理上会发生反射现象，反射光作用在激光测振传感器（131）表面，节理的振动会使反射光与入射光的频率产生差异，激光测振传感器（131）根据不同频率在传感器表面发生干涉的原理由此收集待测节理的振动信号并将收集到的振动信号传输至信号处理器（132），信号处理器（132）用于对所收集的振动信号提取振幅和频率；
步骤三：待节理信号收集装置（1）收集待测节理振动信息完成，由信号处理器（132）通过无线传输方式将数据传至节理分析模块（2），记待测节理的振动离散信号为Xn,n=0,1,2...n-1,由节理分析模块（2）对数据信号进行分析处理，首先由节理数据筛选模块（21）对离散数值求出平均值，对超出平均数2倍的异常样本进行剔除，排除异常数据对分析结果造成的影响，然后由节理信号分析模块（22）对数据进行分析处理，节理信号分析模块（22）根据振幅和频率的变化值构建待测节理的振幅变化图以及频率变化图，高频率值对应小尺度微裂纹，低频率值对应于大的裂隙，节理预测模块（23）通过提取节理数据标准库（231）中标准试验下对完整岩体加载直到掩体发生完全变化的振幅频率变化图作为参考由节理变化曲线预测模块（232）对已有的频率值演化的有序程度进行量化评价构建待测节理的下一步变化预测模型，将此预测模型传输至预警模块（3），将预测模型中频率峰值作为预警指标，由预警模块（3）对矿山岩体的开挖提前作出预警，在地质灾害发生前可及时采取有效防护措施；
D：待预警模块（3）从节理预测模块（23）中获取到待测节理的模拟频率峰值Xmax，将预测模型中频率峰值作为预警指标，由于频率不可能小于0，所以首先判断频率峰值Xmax是否符合频率峰值Xmax≤0，若符合判据，表明此频率峰值Xmax为异常值，需重新检查个装置系统之间的连接方式，对待测节理进行重新监测并分析数据再传输数据至预警模块（3），若不符合判据，需对频率峰值Xmax作进一步划分，预警模块（3）根据完整岩体加载至破坏时的频率范围对预警范围划分为三个等级，包括裂隙新生了多为小尺度的微裂纹的安全时期频率范围一、较大尺度裂纹产生且早期破裂互相联通时期频率范围二、临近破坏开始产生明显的剪切裂纹并最终与节理尖端裂纹贯通时期的频率范围三，若频率峰值Xmax处于范围以、范围二中，预警模块（3）可不显示预警信息，若频率峰值Xmax处于范围三中，由于岩体节理张拉、剪切破坏释放低频信号，低频区主要在18~80kHz，设定0.5*80=40kHz为阈值，判断最大频率判断Xmax是否到达阈值，若最大频率判断Xmax未达到阈值可不显示预警信息，若最大频率判断Xmax到达阈值，预警模块（3）发布岩体破裂灾害预警，在地质灾害发生前可及时采取有效防护措施。
本发明的工作原理是：通过对节理发展过程中不同阶段微裂纹生成时的振动信号进行收集分析，建立一套长期动态的节理分析系统用于不同环境的矿产水文地质勘查，有效解决了在岩体表面安装传感器时受矿山复杂地理环境的限制，并且在不破坏矿山岩体的构造应力的情况下对实际地质环境进行模拟分析，为矿产开采工作的进行提供更有效的数据支撑，可及时对因矿产开采工作导致的地质灾害进行预警。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于水文地质勘查的节理分析系统，其特征在于，包括节理信号收集装置（1）、节理分析模块（2）、预警模块（3），所述节理信号收集装置（1）包括激光发射装置（11）、环境检测装置（12）、振动信号采集装置（13），所述激光发射装置（11）包括第一光源（111）、第二光源（112），分别作为环境检测装置（12）和振动信号采集装置（13）的激光发射源，所述环境检测装置（12）用于检测激光束的传播路径中环境因素对激光束的传播影响，所述振动信号采集装置（13）用于对待测节理发展过程中振动信号的收集并将数据信号传输到节理分析模块（2），所述节理分析模块（2）用于对待测节理的振动信号进行分析处理，所述节理分析模块（2）的输入端与所述节理信号收集装置（1）的输出端连接，所述节理分析模块（2）的输出端与所述预警模块（3）连接，所述预警模块（3）根据所述节理分析模块（2）的分析结果判定矿山岩体的开挖是否安全并作出预警。
2.根据权利要求1所述的一种用于水文地质勘查的节理分析系统，其特征在于，所述环境检测装置（12）包括粉尘浓度传感器（121）、除尘装置（122），所述粉尘浓度传感器（121）用于检测激光束传播路径的粉尘浓度，所述粉尘浓度传感器（121）分两路与除尘装置（122）和第二光源（112）连接形成一个反馈系统对检测环境做预处理，所述除尘装置（122）用于待所测粉尘浓度超过粉尘浓度阈值时对激光传播路径进行除尘以此保证激光信号的透过率，防止因粉尘对激光束传播影响不利于节理振动信号的采集进而影响数据的准确性。
3.根据权利要求1所述的一种用于水文地质勘查的节理分析系统，其特征在于，所述振动信号采集装置（13）包括激光测振传感器（131）、信号处理器（132），由于激光束作用在节理上会发生反射现象，反射光作用在所述激光测振传感器（131）表面，节理的振动会使反射光与入射光的频率产生干涉，所述激光测振传感器（131）由此收集待测节理的振动信号，所述信号处理器（132）用于通过反射光与入射光之间的频差以及反射光与入射光到达传感器表面的时间差得到节理变化速度，根据速度与位移之间的关系绘制出位移-时间曲线从曲线图中提取振幅和频率。
4.根据权利要求1所述的一种用于水文地质勘查的节理分析系统，其特征在于，所述节理分析模块（2）包括节理数据筛选模块（21）、节理信号分析模块（22）、节理预测模块（23），所述节理数据筛选模块将节理振动时的振幅和频率作为离散数值采用求平均值的方法，对超出平均值2倍的异常节理数据进行剔除，排除异常数据对分析结果造成的影响，所述节理信号分析模块（22）根据不同时间段节理振动的振幅和频率的变化值构建节理的振幅-时间以及频率-时间变化曲线，所述节理预测模块（23）用于建立待测节理的有序振动预测模型。
5.根据权利要求4所述的一种用于水文地质勘查的节理分析系统，其特征在于，所述节理预测模块（23）包括节理数据标准库（231）、节理变化曲线预测模块（232），所述节理数据标准库（231）将标准试验下对完整岩体加载直到掩体发生完全破坏的振幅-时间、频率-时间变化图作为数据标准，用于对实测数据的曲线走向进行比较，所述节理变化曲线预测模块（232）将所述节理数据标准库（231）中所记录的标准试验下对完整岩体加载直到掩体发生完全破坏的振幅-时间、频率-时间变形曲线作为参考，基于节理破坏曲线与完整岩体破坏曲线的走向基本一致的原理，通过将实测节理变形曲线走向与数据库中变形曲线走向进行对比来模拟节理频率变化曲线。
6.根据权利要求1所述的一种用于水文地质勘查的节理分析系统，其特征在于，所述预警模块（3）选取完整岩体加载至破坏时的不同阶段频率范围作为参考值对预警范围划分为三个等级，包括节理新生了多为的微裂纹的安全时期频率范围、较大裂纹产生且早期破裂互相联通时期频率范围、临近破坏产生的剪切裂纹与节理裂纹贯通时期的频率范围，通过判定所述节理预测模块（23）中获取到待测节理的模拟频率峰值的范围等级来进行预警处理。
7.根据权利要求1所述的一种用于水文地质勘查的节理分析系统的使用方法，其特征在于，包括如下使用方法：
步骤一：根据待测节理的不同角度和高度选取不同的固定支座，将所述节理信号收集装置（1）固定在测定点位置防止装置发生振动位移对检测数据造成干扰，并且调节所述节理信号收集装置（1）的激光发射装置（11）使激光发射方向垂直向下与待测节理相对；
步骤二：待所述激光探头的位置调整结束，仔细检查各部件之间的连线是否正确，确保各部件处于关闭状态，然后打开激光发射装置（11）的第一光源（111）的电源开关，依次打开节理分析模块（2）、预警模块（3），系统进入待运行状态，首先通过利用环境检测装置（12）检测激光束的传播路径中环境因素对激光束的传播影响，由所述第一光源（111）向待测节理方向发射激光束，利用激光束遇到粉尘会发生散射现象，收集区域内散射光传至粉尘浓度传感器（121），根据粉尘浓度在0~97g/m3范围时，激光信号的透过率基本保持不变的原理，在所述粉尘浓度传感器（121）上设定阈值，当所述粉尘浓度传感器（121）超过阈值时激发除尘装置（122）运转并且此时所述粉尘浓度传感器（121）与第二光源（112）的电路处于断开状态，所述除尘装置（122）采用喷雾降尘的方法降低测定区域的粉尘浓度，保证激光信号的透过率不受到环境影响，当所述粉尘浓度传感器（121）的粉尘浓度低于阈值时所述除尘装置（122）自动关闭并且此时所述粉尘浓度传感器（121）与第二光源（112）的电路连通刺激第二光源（112）对振动信号采集装置（13）发射激光束，由于激光束照射在节理上会发生反射现象，反射光作用在所述激光测振传感器（131）表面，节理的振动会使反射光与入射光的频率产生差异，所述激光测振传感器（131）根据不同频率在传感器表面发生干涉的原理由此收集待测节理的振动信号并将收集到的振动信号传输至信号处理器（132），所述信号处理器（132）通过反射光与入射光之间的频差以及反射光与入射光到达传感器表面的时间差得到节理变化速度，根据速度与位移之间的关系绘制出位移-时间曲线从曲线图中提取振幅和频率；
步骤三：待所述节理信号收集装置（1）收集所述待测节理振动信息完成，由信号处理器（132）通过无线传输方式将数据传至所述节理分析模块（2），记所述待测节理的振动离散信号为Xn,n=0,1,2...n-1,由所述节理分析模块（2）对数据信号进行分析处理，首先由节理数据筛选模块（21）对离散数值求出平均值，对超出平均数2倍的异常样本进行剔除，排除异常数据对分析结果造成的影响，然后由节理信号分析模块（22）对数据进行分析处理，所述节理信号分析模块（22）根据振幅和频率的变化值构建待测节理的振幅变化图以及频率变化图，高频率值对应小尺度微裂纹， 低频率值对应于大的裂隙，所述节理预测模块（23）通过提取节理数据标准库（231）中标准试验下对完整岩体加载直到掩体发生完全变化的振幅频率变化图作为参考由节理变化曲线预测模块（232）对已有的频率值演化的有序程度进行量化评价构建所述待测节理的下一步变化预测模型，将此预测模型传输至预警模块（3），将预测模型中频率峰值作为预警指标，由所述预警模块（3）对矿山岩体的开挖提前作出预警，在地质灾害发生前及时采取有效防护措施。
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