CN114876578A - 一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚杆应力‑微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统及方法，系统包括锚杆应力采集装置、微震信号采集装置、数据处理装置以及声光报警装置。所述锚杆应力采集装置和微震信号采集装置通过集成于隧道锚杆上，获取锚杆应力以及岩石破裂的微震信号数据；所述数据处理装置用于对所获取应力及微震数据进行多层次处理分析，并根据分析结果自动判别隧道塌方风险等级；所述声光报警装置用于对接收到的塌方风险等级指令发布预警信息。本发明利用锚杆应力及微震监测技术各自优势，且无需通过复杂布线建立隧道内外之间闭环反馈功能，即可独立实现深埋隧道围岩塌方高精准自动预警，显著提高了深埋隧道塌方灾害预警准确性以及智能化水平。

Description

一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系 统及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道工程中塌方实时预警的系统及其方法，特别是涉及一种锚杆应力和微震信号同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统和方法。

背景技术

由于隧道施工地质条件的日益复杂，隧道塌方事故的发生次数也明显增多。塌方是指围岩失稳而造成的突发性坍塌、堆塌、崩塌等破坏性地质灾害，是目前隧道施工中所存在的频发工程地质灾害之一。塌方的发生不仅会延误工期和摧毁施工设备，而且还严重威胁施工现场人员的生命安全。

深埋隧道在开挖过程中，顶部岩体在开挖卸荷后出现显著应力调整现象，期间伴随着裂纹的形成和扩展，从而容易引发塌方事故。因此，实时监测隧道围岩的应力状态是预警深埋隧洞塌方的重要方法。锚杆应力监测则是一种监测隧洞危岩的应力状态的常用方法，主要通过监测锚杆的应力情况间接反映围岩局部的应力状态，具有直观和塌方定位较为精准的优势。然而，锚杆应力监测传感器布置于锚杆端部，仅能实现锚杆处应力点式监测，存在监测范围小、盲区大等不足。此外，深部工程围岩塌方具有高突发性的特点，隧道围岩发生坍塌前，锚杆应力监测数据并不会出现明显变化或是其变化与塌方发生间隔甚短，从而无法实现塌方灾害的有效预警。

塌方孕育是岩体由微裂隙萌生、扩展至宏观裂纹，并进一步贯通形成宏观破裂带，在重力作用下所导致的渐进灾变过程，而岩石破裂过程伴随着丰富的微震信号。微震信号包含着岩体内部状态变化的丰富信息，包括能够反映震源部位、深度、震级大小等多种信息，故可以根据围岩塌方前夕的微震信号演化特征来实现对塌方的超前预警，且基于微震信号的监测技术已被成功应用于Neelum-Jhelum水电站、锦屏Ⅱ级水电站以及川藏铁路巴玉隧道等多个工程中，因此，微震监测被称为岩石破裂的“听诊器”。然而，微震信号需要通过岩体介质传播，应用过程中极易受到工程岩体存在显著非均匀性以及广泛分布的不良地质构造影响，使得信号产生过大的衰减，从而导致基于微震信号的震源定位结果出现偏差过大的问题。

因此，结合锚杆应力和微震信号分别在隧道围岩稳定性监测中具有岩体失稳位置定位精度高以及岩体失稳破坏响应灵敏的优势，提出了一种锚杆应力和微震信号同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统和方法，可以显著提高深埋隧道塌方预警的准确性，对隧道安全施工具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有的深埋隧道塌方预警技术不足，本发明提出一种锚杆应力- 微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统及方法，此发明创新性在于充分利用应力及微震监测技术的各自优势，且无需通过复杂布线建立隧道内外之间闭环反馈功能，即可独立实现隧道围岩塌方高精准自动预警，显著提高预警准确率和预警效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时监测预警系统，包括锚杆应力采集装置、微震信号采集装置、数据处理装置和声光报警装置。

所述锚杆应力采集装置和微震信号采集装置通过集成安装于隧道围岩锚杆上，用于获取锚杆应力和岩石破裂的微震信号数据。

所述数据处理装置用于对接收到的微震信号进行去噪，并计算获得锚杆应力变化率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数，再根据以上特征参数进行塌方风险等级判定。

所述声光报警装置用于对所述数据处理装置发送的塌方风险等级指令进行快速响应，警报灯连续闪烁，蜂鸣器持续发出蜂鸣声。

第二方面，本发明还提供一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警方法，包括：

步骤S1、在隧道围岩的锚杆上安装锚杆应力采集装置，并将微震信号采集装置通过强力吸附支座吸附在锚杆应力装置上，进而通过数据传输电缆将二者采集装置获取锚杆应力数据和微震波形数据分别传输至数据处理装置；

步骤S2、数据处理装置对接收到的微震信号进行去噪处理，剔除微震波形中的环境噪声信号，提取出岩石破裂产生的较为纯净的微震信号；

步骤S3、数据处理装置通过锚杆应力数据实时计算出锚杆应力变化速率(σ_t)，同时对岩石破裂的微震信号进行特征参数计算，包括微震活跃度(MAL)、主频和b值；

步骤S4、根据实时获取的四个特征参数数据进行塌方预警等级判定，并输出塌方预警等级结果；若塌方预警等级为黄色或红色，则将塌方预警指令发送至声光报警装置，否则，开始下一回合计算；

步骤S5、声光报警装置接收到数据处理装置发送的塌方预警指令后，立即做出响应，警报灯连续闪烁，蜂鸣器持续发出蜂鸣声。

对于步骤S3，具体说明如下：

优选的，所述锚杆应力变化速率(σ_t)是任意时间点锚杆应力随时间变化的斜率，可以通过锚杆的受力变化情况来判定周围围岩的稳定情况，当锚杆应力变化速率较大时，则发生塌方的可能性较大。

优选的，所述微震活跃度(MAL)表征的是岩石破裂信号的活跃程度，反映了岩石内部破坏活动进行的快慢程度。微震活跃度较小表示岩石破裂活动较小，塌方风险小；微震活跃度较大则表示岩石破裂活动较多，预示着发生塌方的可能性较大。

优选的，所述微震主频是微震波形信号通过快速傅里叶变换将时域变换到频域后，最大幅值对应的频率，它的演化过程与岩石破裂失稳过程具有高度的相关性。当岩石出现小尺度的微破裂时，微震主频相对较高；当岩石出现大尺度破裂时，微震主频较低。因此，主频下降至较低值时预示着围岩可能发生塌方现象。

优选的，所述微震b值是由微震幅值与频度之间统计关系得到的一个特征参数，其演化特征与围岩破裂尺度的大小密切相关。微震b值较大，说明围岩小尺度破裂现象的比例较大；微震b值较小，则说明围岩大尺度破裂现象的比例较大，发生塌方的可能性也就越大。

本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

1.该系统同时空通过锚杆应力和微震信号对围岩安全进行实时监测。相比于单一锚杆应力的监测方法，此系统通过引入微震监测技术不仅可以对一定范围内围岩破裂现象感知，而且凭借微震信号与岩体破裂之间高度关联性优势，能够显著提高塌方发生的预警准确率。相比于通过多个微震传感器确定岩石破裂空间位置的方法，该系统通过锚杆应力监测技术定位岩体破裂位置的方法受围岩非均匀性的影响较小，对不同的地质条件适应能力更强，且对塌方位置的定位更精准。

2.此系统功能全面以及可独立实现深埋隧道塌方的预警。该系统不仅可以对深埋隧道塌方事故进行自动预警，并且对由于隧道围岩破裂失稳导致的工程地质灾害预警也具有一定的参考作用。此外，该系统不需要与外界进行信息交互即可独立实现塌方预警，无需布置复杂的供电线路和数据传输线路，从而大大降低了运行成本以及由于线路故障问题导致系统失效的几率。

3.该系统还嵌入了多种处理分析方法以及智能预警机制。该系统不仅基于锚杆应力和微震建立了深埋隧道塌方风险管理等级，实现了深埋隧道塌方预警定量化判定，并且实现了塌方超前自动预警，节约了临灾反应时间，为现场工作人员和设备争取更多撤离时间。

附图说明

图1为一种锚杆应力-微震同时空集成监测的深埋隧道塌方实时预警系统的示意图。

图2为本发明中锚杆应力-微震集成装置在深埋隧道工程中的布置示意图。

图3为本发明中数据处理装置结构示意图。

图4为本发明的声光报警装置结构示意图。

图5为一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方预警方法的流程图。

图6为某深部隧道围岩塌方全过程的锚杆应力和微震特征参数变化曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图及实施实例，对发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此，本发明的保护范围也涉及本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

实施例1

图1为一种锚杆应力-微震同时空集成监测的深埋隧道塌方实时预警系统的示意图，其装置包括锚杆应力采集装置100、微震信号采集装置200、数据处理装置300、声光报警装置400。其中所述锚杆应力采集装置100和所述微震信号采集装置200与所述数据处理装置300输入端用数据传输电缆连接，所述声光报警装置400与所述数据处理处理装置300输出端用数据传输电缆连接。

所述锚杆应力采集装置100：用于实时采集围岩锚杆应力数据，并且与所述微震采集装置200采集的微震数据同时发送至所述数据处理装置300。

所述微震信号采集装置200：用于实时采集围岩破裂产生的微震信号，并且与所述锚杆应力采集装置100采集的锚杆应力同时发送至所述数据处理装置300。

所述数据处理装置300：用于对接收到的微震信号进行去噪，并计算获得锚杆应力变化率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数，再根据以上特征参数进行塌方预警等级判定。

所述声光报警装置400：用于对数据处理装置300发送的塌方风险指令进行响应。

进一步，所述锚杆应力采集装置100包括锚杆应力计101、连接杆102、预拉杆103、承压板104、锁定螺母105和数据传输电缆106；所述连接杆102与已打入围岩内部支护锚杆通过焊接连接，在两个相邻所述连接杆102之间安装了一个所述锚杆应力计101，用于获取锚杆实时变化的应力值，所述预拉杆103与末端的所述连接杆102同样通过焊接以此结合，所述承压板104以及所述锁定螺母105用于使锚杆支护体系处于一个紧密压缩状态，用于保证获取的锚杆应力值的有效性，最终通过所述数据传输电缆106将所获取锚杆应力值发送至所述数据采集装置300。

进一步，所述微震信号采集装置200包括微震传感器201、强力吸附支座202和数据传输电缆203；强力吸附支座202通过底面极大吸附力固定于所述与拉杆103末端，所述微震传感器201通过与螺纹咬合构造固定于强力吸附支座202顶面上，以此获取岩石破裂所产生微震信号，最终通过所述数据传输电缆203将微震信号数据传送至所述数据采集装置300。

进一步，所述微震传感器201通过所述强力吸附支座202吸附在预拉杆103位于孔洞口外侧的一端，但值得注意的是，此项安装技术需要在岩体、锚杆以及强力磁力支座之间构建良好的振动频响体系，才能获取更为准确的岩石破裂的微震信号。因此，预拉杆孔洞口外侧用于吸附强力吸附支座的一端需打磨平整，以此实现振动频响体系构建。此外，所述数据传输电缆106和203均与所述数据处理装置300连接。

图2为本发明中锚杆应力-微震集成装置在隧道工程中的布置示意图，所述锚杆应力采集装置100和所述微震信号采集装置200应该布置在隧洞较易于受力和变形且重要的部位，而隧洞洞顶以及拱处容易形成应力集中效应，因此采集装置均布置在拱顶和拱处。具体布置方式如下，沿着隧洞开挖方向每隔10m布置一套锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方的实时监测系统，且在每隔10m断面处的右侧拱处、拱顶、左侧拱处循环交替布置。

图3为本发明中数据处理装置结构示意图，数据处理装置300包括：数据接收模块301、微震数据滤波模块302、特征参数计算模块303、供电模块304、预警等级判别模块305、数据储存模块306、输入接口307和输出接口308。

进一步，所述数据接收模块301用于实时接收锚杆应力和微震波形数据；所述微震数据滤波模块302用于剔除实时监测的微震波形数据中的环境噪声信号，提取出岩石破裂微震波形信号；所述特征参数计算模块303用于计算锚杆应力变化速率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数。所述供电模块304采用移动电源，用于对所述锚杆应力采集装置100、微震信号采集装置200和数据处理装置300供电；所述预警等级判别模块305用于根据实时获取的锚杆应力变化率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数进行塌方等级判定；所述数据储存模块306可以包括各种形式的计算机可读储存介质，例如半导体储存器或磁表面储存器，用于该系统所产生的全部数据，涉及所述锚杆应力采集装置以及微震信号采集装置获取的岩石破裂产生的原始数据，数据处理装置处理后的两种数据所对应特征参数数据，以及塌方风险等级判定数据，还涉及所述声光报警装置对隧道围岩塌方风险所响应的数据，存储器储存有计算机程序，该程序可被所述数据处理装置300中的处理器执行，执行时可实现将采集的数据按照时间顺序进行分类存储。所述输入接口307与采集装置的数据传输电缆连接，用于接收数据；所述输出接口308与所述声光报警装置400连接，用于将预警指令发送至所述声光报警装置400。

图4为本发明的声光报警装置结构示意图，所述声光报警装置400包括蜂鸣器401、警报灯402、数据输入接口403、固定螺钉404、蓄电池405、控制电路板406、复原按钮407、报警按钮408。

进一步，所述蜂鸣器401用于接收到塌方预警指令时发出持续蜂鸣声；所述警报灯402 用于接收到塌方预警指令时发出连续的闪烁灯光；所述数据输入接口403用于接收数据处理装置发送的塌方预警指令；固定螺钉404用于将该报警装置固定在隧道围岩上；所述蓄电池405用于给所述声光报警装置400供电；所述控制电路板406用于接收到“塌方”指令后控制所述蜂鸣器401和所述警报灯402工作；所述复原按钮407用于排除塌方风险后手动关闭警报灯和蜂鸣器；所述报警按钮408用于当出现其它险情时，人为开启警报系统。示例性的，所述警报灯402根据接收到的塌方预警等级指令，若为低塌方风险(黄色等级)和高塌方风险(红色等级)，则分别持续发出黄色和红色闪烁灯光。

实施例2

图5为一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警方法，包括以下步骤：

步骤S1、在隧道围岩的锚杆上安装锚杆应力采集装置100，并将微震信号采集装置200 通过强力吸附支座吸附在锚杆应力装置100上，进而通过数据传输电缆将二者采集装置获取锚杆应力数据和微震波形数据分别传输至数据处理装置300；

步骤S2、数据处理装置300对接收到的微震信号进行去噪处理，剔除微震波形中的环境噪声信号，提取出岩石破裂产生的较为纯净的微震信号；

步骤S3、数据处理装置300通过锚杆应力数据实时计算出锚杆应力变化速率(σ_t)，同时对岩石破裂的微震信号进行特征参数计算，包括微震活跃度(MAL)、主频和b值；

步骤S4、根据实时获取的四个特征参数数据进行塌方预警等级判定，并输出塌方预警等级结果；若塌方预警等级为黄色或红色，则将塌方预警指令发送至声光报警装置400，否则，开始下一回合计算；

步骤S5、声光报警装置400接收到数据处理装置300发送的塌方预警指令后，立即做出响应，警报灯连续闪烁，蜂鸣器持续发出蜂鸣声。

优选的，为提高该预警系统的工作效率和节约储存空间，该方法仅在步骤S2获取到具有一定活跃性的岩石破裂的微震信号，即微震波形的幅值大于阈值时才触发预警机制，所述预警机制包括进行特征参数提取、保存、塌方风险判定、预警信号发布等步骤。

示例性的，步骤S2中去噪方法采用小波阈值去噪方法，步骤如下：

(1)将实时采集的微震波形信号F(t)进行小波变换到小波域，得到一组小波分解系数。

(2)在小波域进行阈值处理后，得到压制主要包含随机噪声的较小的小波系数。

(3)利用处理后得到的小波系数重构信号，获取纯净的岩石破裂产生的微震波形信号。

本专利中阈值处理方法采用的时软阈值方法，阈值函数如下：

式中，sgn(x)为符号函数；λ为阈值。

示例性的，步骤S3中锚杆应力变化速率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、微震主频和微震b值等特征参数的计算方法如下：

(1)锚杆应力变化速率(σ_t)计算方法

锚杆应力变化速率(σ_t)表征的是锚杆应力的瞬时变化速率，计算公式为：

式中，σ(t)为t时刻的锚杆应力值。

(2)微震活跃度(MAL)计算方法

微震活跃指数(MAI)表征的是微震波形信号越过门槛电压的次数，计算公式如下：

式中，A(t)为t时刻的微震波形幅值，threshold为设定的门槛值，即若某一时刻微震信号波形的最大幅值超过设定的门槛值，则该时段内的微震信号活跃度计数1，否则为0。累计微震信号活跃指数(AMAI)代表一定时间范围内微震波形信号越过门槛电压的次数。

微震活跃度(MAL)指的是微震信号活跃指数的变化速率，代表着单位时间内微震信号的活跃程度，计算公式为：

式中，AMAI(t)表示的是t时刻的累计微震信号活跃指数。

(3)微震主频计算方法

微震主频采用快速傅里叶变换方法(Fast Fourier Transform,FFT)将时域信号变换到频域，计算较为复杂，可用MATLAB中FFT工具箱实现对微震信号的快速傅里叶变换，具体计算方法在本专利中不进行详细介绍。

(4)微震b值计算方法

b值是地震震级与频度之间统计关系相关参数，大量试验数据表明，岩石破裂的微震信号也服从震级-频度(G-R)关系式，即微震b值与岩石裂纹的演化过程密切相关，b值增大意味着小尺度的岩石破裂所占比例增加，b值减小，意味着大尺度的岩石破裂增多，而b值大幅度减小表示裂纹发展变化剧烈，预示着围岩可能发生塌方。b值的计算公式如下

lgN＝a-bm (5)

式中，N为岩石破裂产生的微震波形幅值(震级)在△m范围内变化的次数，m为某岩石破裂尺度的微震幅值(震级)。

示例性的，本发明中预警等级判别模块305根据杆应力变化速率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数在围岩发生塌方前夕的演化特征，设置以上四个特征参数指标的变化区间，将塌方风险预警分为无塌方风险(绿色等级)、低塌方风险(黄色等级)和高塌方风险 (红色等级)三个等级，具体预警管理等级如下表所示。

表1深埋隧道塌方预警管理等级

注：表中锚杆应力变化速率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值的门槛值A1、A2、B1、 B2、C1、C2、D1、D2的数值需根据不同的工程条件进行确定。

示例性的，上述四个指标中任意两个或两个以上指标满足某塌方预警等级的区间，则判定该等级为此刻的塌方预警等级。若四个特征参数指标中两两分布在两个不同的塌方预警等级的区间范围内时，则判定较高风险等级(红色等级＞黄色等级＞绿色等级)为此刻的塌方预警等级。

实施例3

示例性的，图6为某深部隧道围岩塌方全过程的锚杆应力变化速率(σ_t)和微震特征参数变化曲线图，具体为2021年6月24日10时至15时的监测数据。根据所述深埋隧道塌方预警管理等级，判定该深埋隧道在10时至13时50分期间无塌方风险(绿色等级)；判定该深埋隧道在13时50分至14时18分期间存在低塌方风险(黄色等级)；判定该深埋隧道在14 时18分至14时24分期间存在高塌方风险(红色等级)。

示例性的，如图6所示，在10时至13时45分期间，锚杆应力变化速率(σ_t)较小，几乎为0；随后快速增加，并于13时52分时达到低塌方预警阈值A1。微震活跃度(MAL)在 10时至13时30分期间保持在200～800之间小幅波动，随后出现缓慢增加，并于13时50分时达到低塌方预警阈值B1；微震主频在10时至13时40分期间保持在400～900之间波动，随后急剧持续下降，并于13时50分时达到低塌方风险阈值C1；b值在10时至13时48分期期间2.2～3.2之间平稳波动，随后急剧持续下降，并于13时48分时达到低塌方风险阈值 D1。根据所述深埋隧道塌方预警管理等级中任意两个或两个以上指标满足某塌方预警等级的区间，则判定该等级为此时刻的塌方预警等级。因此，在13时50分时，微震活跃度、主频以及b值满足低塌方风险(黄色等级)区间，数据处理装置300发布黄色等级的低塌方风险预警，声光报警装置400立即响应，持续发出黄色闪烁灯光和蜂鸣声。

示例性的，如图6所示，锚杆应力变化速率(σ_t)在13时55分达到极大值后下降至较低水平，直至14时20分锚杆应力快速增加，于14时21分达到低塌方风险阈值A1，14时22 分达到高塌方风险阈值A2，锚杆应力急剧变化表明围岩已经开始出现失稳。微震活跃度(MAL)在13时50分以后一直处于低塌方预警等级区间内，并且在14时达到极大值后出现了小幅下降，随后出现快速持续增加，于14时19分达到高塌方风险阈值B2，这表明自发布黄色等级的低风险塌方预警以来，围岩持续出现大量的岩石破裂现象，使得微震活跃度一直处于较高水平。微震主频在13时50分以后一直处于低塌方预警等级区间内，在14时达到极大值后快速下降，于14时16分达到高塌方风险阈值C2，这表明进入黄色等级的低塌方风险预警后，主频持续降低说明围岩开始出现较大尺度的破裂现象。微震b值在13时50分以后一直处于低塌方预警等级区间内，在14时6分缓慢增加至极大值后快速下降，于14时17分达到高塌方风险阈值D2，这表明围岩出现大尺度破裂现象的比例增加，裂纹剧烈发展。在14时17分微震主频和b值两个特征参数达到高塌方风险(红色等级)的区间，数据处理装置发布红色等级的高塌方风险预警，该隧道的声光报警装置立即响应，持续发出红色闪烁灯光和蜂鸣声。最终，在14时24分，距离该锚杆应力-微震采集装置约1m处拱顶发生塌方，由于预警及时，未造成任何人员伤亡。

本发明通过结合锚杆应力与微震信号同时空集成实时预警深埋隧道塌方，采用多参数进行塌方灾害预警，提高预警的准确率，节约了塌方反应时间，很大程度上减少和避免了设备损失和现场工作人员的人身伤亡。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统，其特征在于，包括：

锚杆应力采集装置(100)、微震信号采集装置(200)、数据处理装置(300)以及声光报警装置(400)；

所述锚杆应力采集装置(100)和微震信号采集装置(200)通过集成安装于隧道围岩锚杆上，获取锚杆应力和微震信号数据；

所述数据处理装置(300)用于对采集的微震信号进行滤波，获取岩石破裂产生的较为纯净的微震信号，再根据锚杆应力和微震数据分别计算出锚杆应力变化速率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值，最后再根据上述四个特征参数的数值对深埋隧道塌方风险等级进行判定；

所述声光报警装置(400)用于对所述数据处理装置(300)发送的塌方风险等级指令进行快速响应，其方式为：警报灯连续闪烁，蜂鸣器持续发出蜂鸣声。

2.根据权利要求1所述一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统，其特征在于，所述锚杆应力采集装置(100)包括锚杆应力计(101)、连接杆(102)、预拉杆(103)、承压板(104)、锁定螺母(105)和数据传输电缆(106)；所述连接杆(102)与已打入围岩内部支护锚杆通过焊接连接，在两个相邻所述连接杆(102)之间安装了一个所述锚杆应力计(101)，用于获取锚杆实时变化的应力值，所述预拉杆(103)与末端的所述连接杆(102)同样通过焊接结合，所述承压板(104)以及所述锁定螺母(105)用于使锚杆支护体系处于一个紧密压缩状态，保证获取的锚杆应力值有效性，最终通过所述数据传输电缆(106)将所获取锚杆应力值发送至所述数据采集装置(300)。

3.根据权利要求1所述一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统，其特征在于，所述微震信号采集装置(200)包括微震传感器(201)、强力吸附支座(202)和数据传输电缆(203)；强力吸附支座(202)通过底面极大吸附力固定于所述与拉杆(103)末端，所述微震传感器(201)通过与螺纹咬合构造固定于强力吸附支座(202)顶面上，以此获取岩石破裂所产生微震信号，最终通过所述数据传输电缆(203)将微震信号数据传送至所述数据采集装置(300)。

4.根据权利要求1所述一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统，其特征在于，所述数据处理装置(300)包括：数据接收模块(301)，用于实时接收锚杆应力和微震波形数据；微震数据滤波模块(302)，用于剔除实时监测的微震波形数据中的环境噪声信号，以提取出岩石破裂产生的相对纯净的微震信号；特征参数计算模块(303)，用于计算锚杆应力变化速率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数；供电模块(304)，用于对锚杆应力采集装置、微震信号采集装置和数据处理装置供电；预警等级判别模块(305)，用于根据实时获取的锚杆应力变化率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数进行塌方等级判定；数据储存模块(306)，用于储存该系统所产生的全部数据，涉及所述锚杆应力采集装置(100)以及微震信号采集装置(200)获取的原始数据，数据处理装置(300)处理后的两种数据所对应特征参数数据，以及塌方风险等级判定数据，还涉及所述声光报警装置(400)对隧道围岩塌方风险所响应的数据；输入接口(307)，用于接收数据，与锚杆应力采集装置(100)以及微震信号采集装置(200)的数据传输电缆相连接；输出接口(308)：用于将预警指令发送至声光报警装置(400)。

5.根据权利要求1所述一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统，其特征在于，所述声光报警装置(400)包括：蜂鸣器(401)、警报灯(402)、数据输入接口(403)、固定螺钉(404)、蓄电池(405)、控制电路板(406)、复原按钮(407)、报警按钮(408)；控制电路板(406)用于对“塌方”指令进行即时响应，控制蜂鸣器(401)和警报灯(402)持续工作；该装置通过内置蓄电池(405)供电，无需依赖外界电源即可独立工作。

6.一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、在隧道围岩的锚杆上安装锚杆应力采集装置(100)，并将微震信号采集装置(200)通过强力吸附支座吸附在锚杆应力装置(100)上，进而通过数据传输电缆将二者采集装置获取锚杆应力数据和微震波形数据分别传输至数据处理装置(300)；

步骤S2、数据处理装置(300)对接收到的微震信号进行去噪处理，剔除微震波形中的环境噪声信号，提取出岩石破裂产生的较为纯净的微震信号；

步骤S3、数据处理装置(300)通过锚杆应力数据实时计算出锚杆应力变化速率(σ_t)，同时对岩石破裂的微震信号进行特征参数计算，包括微震活跃度(MAL)、主频和b值；

步骤S4、根据实时获取的四个特征参数数据进行塌方预警等级判定，并输出塌方预警等级结果；若塌方预警等级为黄色或红色，则将塌方预警指令发送至声光报警装置(400)，否则，开始下一回合计算；

步骤S5、声光报警装置(400)接收到数据处理装置(300)发送的塌方预警指令后，立即做出响应，警报灯连续闪烁，蜂鸣器持续发出蜂鸣声。

7.根据权利要求6所述的一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时监测预警方法，其特征在于，所述步骤S4的预警判别标准为：依据四个特征参数指标的变化区间，将塌方风险预警分为无塌方风险(绿色等级)、低塌方风险(黄色等级)和高塌方风险(红色等级)三个等级；此外，上述四个指标中任意两个或两个以上指标满足某塌方预警等级的区间，则判定该等级为此时刻的塌方预警等级；若四个特征参数指标中两两分布在两个不同的塌方预警等级的区间范围内时，则判定较高风险等级(红色等级＞黄色等级＞绿色等级)为此时刻的塌方预警等级。

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