岩体声发射智能监测设备及矿山安全预报技术

1、岩体声发射智能监测设备及矿山安全预报技术摘 要 对岩体声发射智能监测设备进行了完善和改进研究，并且应 用灰色系统理论，系统地分析和评估了评价岩体稳定性的声发射参数 及岩体冒顶临界值的确定方法；建立预测模型，对岩体冒顶的数列预 测及矿山大规模灾害预测进行了探讨。实践证明，上述方法和采取的 措施是切实可行的。关键词 岩体声发射；监测设备；灰色系统理论；临界值；预测预报 中 图 分 类 号 ： TD325 TD326 文 献 标 识 码 ： A 文 献 编 号 ： 1005-2763(2000)02-0013-03 IntelligentMonitoringDeviceforRockAccousti

2、cEmissionandSafetyForecastTe chniquesinMineZHANGXing-xing (CentralSouthUniversityofTechnology,Changsha,Hu'nan410083,China) AbstractTheauthorperformedresearchontheperfectionandimprovementofintellege ntmonitoringdevicforrockaccousticemission.Inlightofthetheoryofgreycontr olsystem,systematicallyana

3、lyzedandestimatedtheaccousticemissionparam etersforevaluatingrockmassstabilityandthemethodfordeterminingthecritica lvalueofrockroofcollapse;andsetuppredictingmodeltoprobeintothesequenc epredictionofrock-roofcollapseandlargescaledisasterinmine.Itwasprovedin practicethattheabovemethodandtheadoptedmeas

4、uresarefeasible.KeyWordsRockaccousticemission;Monitoringdevice;Theoryofgreycontrolsystem;critic alvalue;predictingandforecast1 目的和意义 矿山采场的冒顶事故危害性极大，严重影响矿山的安全生产。因 此，人们一直在探索其规律并寻求有效的预测方法。 自从 Obert 和 Duvall 发现岩石具有声发射现象以来，岩体声发射技术在矿山得到了广泛的 应用。但追溯其应用结果，不难发现，仍然存在着如下重大问题未得 到很好的解决而限制了其应用范围及推广：(1) 岩体声发射参数临界值的

5、确定；(2) 事故预报参数的合理化和标准化；(3) 应用声发射参数预测事故与灾害的理论和方法；(4) 应用声发射技术进行矿山地压管理的技术途径；(5) 监测设备的研制。为了使上述问题得到圆满解决，本文提出了采场冒顶声发射临界 值的确定方法，采场冒顶声发射灰色系统理论数值预测方法，大范围 矿山地压灾害声发射灰色系统理论灾变预测方法，并介绍高智能化的 监测设备的研制。为岩体声发射技术在矿山的全面应用奠定了理论和 工艺基础，不仅具有很高的实用价值，而且为岩体声发射学术领域的 发展拓宽了道路。2 岩体声发射智能监测设备的研究2.1 整体框图说明岩体声发射智能监测设备由探头 （传感器）与主机 MCS80

6、51 构成， 其整体结构见附图。测试时，将探头置入测试孔或岩缝中，探头将感 受到的微弱声能转换为电能，经放大器放大和程控带通滤波器滤波后 供 A/D 转换，并将转换得到的数据存入高速缓冲区内，同时进行数字 滤波、快速傅立叶变换、波形识别，并立即判断出此信号是否是有用 的声发射信号，是则记录此次事件 （包括事件的主频、最大能量、事件 发生的时刻），并将波形存入RAM盘，这样经1h左右就可得一份所测 采场声发射事件的动态变化图。最后，将 RAM 盘的资料送至计算机， 以便进一步 换行 分析和进行数据处理。附图 岩体声发射智能监测设备整体框图2.2 技术难点及解决途径 现场资料的保存是岩体声发射智能

7、监测设备研制的技术难点。常 规的资料保存方法是采用软磁盘、硬盘或磁带。但由于井下采场条件 复杂恶劣，难以满足这 3 种资料保存方法的条件。为解决这一问题， 我们设计了一种称为 RAM 盘的记录电路，用半导体作存储媒介，模拟 磁盘操作系统，配备专用的小型操作系统。所记录的数据在关机情况 下可保存 1 年以上。这样就完全解决了软磁盘、硬盘和磁带不适用于 这一特定环境下的致命弱点。一般可同时保存 7 次或 7 个采场的监测 资料，存满后会自动提示。通过本设备的输出接口和计算机连接，可将所有保存资料传输给计算机， 这样就可克服 RAM 盘容量有限的不足， 从而满足系统设计的要求。3 矿山安全监测和预报

8、技术3.1 评价采场岩体稳定性的声发射参数 理论和实践表明，岩体声发射监测所取的参数应能反映岩体破坏 的性质及变化速度。因此，选用事件频率 C的增长率Rc来计量是比较 合理的。所谓声发射事件率 C 是指单位时间内声发射事件数，而声发 射事件率的增长率Rc是指岩体破坏时声发射事件率的相对增长量，即 Rc=(C2-C1)/C1式中C1、C2分别为岩体破坏前和破坏时的声发射事件 率。3.2 冒顶声发射临界值的确定及冒顶的预测 在正常情况下，采场冒顶时的声发射参数是难以测到的。本文根 据冒顶前监测到的一声发射序列值，建立预测模型，对冒顶时的声发 射参数进行预测，得到临界值，从而得到采场冒顶时的声发射临

9、界参 数的变化率，并对采场进行冒顶预测。3.2.1 灰色理论的预测原理 为计算简便，采用一阶 GM 模型，即：dx(1)/dt+a x x(1)=u式中：a, u是通过建模来求得的参数，x(1)是原始数据x(0)的累加 生成。即假定x(0)是已存在的一组非负原始数据序列，x(0)= x(0)(k) | k=1,2,3,作一次累加，其累加生成序列为x(1)=x(1)(k) | k=1,2,3, 卜，满足：根据数据向量Yn和数据矩阵B:按最小二乘法求解：建立时间响应函数，即得一阶模型的求解公式：对时间响应函数离散化，得离散化的求解公式：其中 x(1)(0)=x(0)(1)按上式求得的 换行 仍是预

10、测值的累加生成，尚需还原成预测值， 其中然后，采用后验差检验来验证模型的精度。根据上述理论就可确 定声发射临界值。 利用该临界值 (冒顶判据值 )，就可以对其它采场进行 冒顶预报。3.2.2 采场冒顶预测假定对某一采场顶板进行了一段时间的监测，由这些监测值建立 GM 预测模型：其中如果预测的第k个时刻的Rc值接近于冒顶判据值，那么，第k个时刻是顶板冒落的时间。这样，就对采场顶板的冒落进行了比较科学 的预报。3.3 矿山灾害预测假如某采场有了 5 次冒顶，在每次冒顶后仍按既定时间间隔测试 声发射参数。这样在 5次冒顶中，包括预测值在内共有 N 个数据组成 的原始行为序列：x(0)= x(O)(k

11、) | k=1,2,3,十N冒顶判据即为灾变阀值(异常值)Z,作灾变映射乙x(0) x(O)z,得 灾变序列：x(0)z= x(0)z(k | 'x)z(kZk相当于 x(0)z(k )=x(0中的) k。相应的冒顶时间构成灾变时期集：p= k | k 满足 x(0)z(k)=x(0)(k)建立 GM 模型，就可以准确地预报下一次顶板冒落的时间。 由于建模和计算过程用手工很难完成，为此编制了计算机程序， 全部过程是由计算机完成。3.4 现场应用 我们对金川公司二矿区稳定性较差的采场进行了重点监测，获得了许多关于采场的岩体声发射资料，为采场的冒顶预测提供了大量数 据。对1#采场在其冒顶前

12、共连续监测了 5次，时间间隔为24h，该采 场于开始监测后的第 7 天产生了一次小规模的冒顶，冒顶前监测的原始数据及根据模型所得的预测值见表1。冒顶时相应的Rc=7.58即为冒顶临界值。表 11#采场的声发射监测数据与预测值序号 1234567 时 间10.210.310.410.510.610.710.8原始值 1.533.855.648.429.55 预测值 1.534.305.687.519.9313.117.3 二矿区 2#采场与 1#采场具有类似的 稳定性，稍后对该采场也进行了 5次连续监测，时间间隔为24h,监测 的原始数据及根据模型所得的预测值列于表2。由于冒顶临界值Rc=7.58那么，2#采场冒顶时声发射事件率 C2=15.62由此可以判断， 将会在开始监测后的第 6 天到第 7 天发生冒顶，实际上，于第 7 天发 生了一次小规模的冒顶，从而证明上述冒顶技术是准确科学的。表 2 2#采场的声发射监测数据与预测值序号 1234567 时间10.1010.1110.1210.1310.1410.1510.16 原 始 值 1.823.125.824.139.66 预测值 1.823.024.2