岩體聲發射智能監測設備及礦山安全預報技術

摘　要　對岩體聲發射智能監測設備進行了完善和改進研究，並且應用灰色係統理論，係統地03manbetx 和評估了評價岩體穩定性的聲發射參數及岩體冒頂臨界值的確定方法；建立預測模型，對岩體冒頂的數列預測及礦山大規模災害預測進行了探討。實踐證明，上述方法和采取的措施是切實可行的。
關鍵詞　岩體聲發射；監測設備；灰色係統理論；臨界值；預測預報
中圖分類號：TD325　TD326　文獻標識碼：A　文獻編號：1005-2763(2000)02-0013-03

Intelligent Monitoring Device for Rock Accoustic Emission and Safety Forecast Techniques in Mine

ZHANG Xing-xing
(Central South University of Technology,Changsha,Hu'nan 410083,China)

Abstract　The author performed research on the perfection and improvement of intellegent monitoring devic for rock accoustic emission.In light of the theory of grey control system,systematically analyzed and estimated the accoustic emission parameters for evaluating rock mass stability and the method for determining the critical value of rock roof collapse;and set up predicting model to probe into the sequence prediction of rock-roof collapse and large scale disaster in mine.It was proved in practice that the above method and the adopted measures are feasible.
Key Words　Rock accoustic emission;Monitoring device;Theory of grey control system;critical value;predicting and forecast

1　目的和意義

　　礦山采場的冒頂02manbetx.com 危害性極大，嚴重影響礦山的安全生產。因此，人們一直在探索其規律並尋求有效的預測方法。自從Obert和Duvall發現岩石具有聲發射現象以來，岩體聲發射技術在礦山得到了廣泛的應用。但追溯其應用結果，不難發現，仍然存在著如下重大問題未得到很好的解決而限製了其應用範圍及推廣：
　　(1) 岩體聲發射參數臨界值的確定；
　　(2)02manbetx.com 預報參數的合理化和標準化；
　　(3) 應用聲發射參數預測02manbetx.com 與災害的理論和方法；
　　(4) 應用聲發射技術進行礦山地壓管理的技術途徑；
　　(5) 監測設備的研製。
　　為了使上述問題得到圓滿解決，本文提出了采場冒頂聲發射臨界值的確定方法，采場冒頂聲發射灰色係統理論數值預測方法，大範圍礦山地壓災害聲發射灰色係統理論災變預測方法，並介紹高智能化的監測設備的研製。為岩體聲發射技術在礦山的全麵應用奠定了理論和工藝基礎，不僅具有很高的實用價值，而且為岩體聲發射學術領域的發展拓寬了道路。

2　岩體聲發射智能監測設備的研究

2.1　整體框圖說明
　　岩體聲發射智能監測設備由探頭(傳感器)與主機MCS8051構成，其整體結構見附圖。測試時，將探頭置入測試孔或岩縫中，探頭將感受到的微弱聲能轉換為電能，經放大器放大和程控帶通濾波器濾波後供A/D轉換，並將轉換得到的數據存入高速緩衝區內，同時進行數字濾波、快速傅立葉變換、波形識別，並立即判斷出此信號是否是有用的聲發射信號，是則記錄此次事件(包括事件的主頻、最大能量、事件發生的時刻)，並將波形存入RAM盤，這樣經1 h左右就可得一份所測采場聲發射事件的動態變化圖。最後，將RAM盤的資料送至計算機，以便進一步03manbetx 和進行數據處理。

附圖　岩體聲發射智能監測設備整體框圖

2.2　技術難點及解決途徑
　　現場資料的保存是岩體聲發射智能監測設備研製的技術難點。常規的資料保存方法是采用軟磁盤、硬盤或磁帶。但由於井下采場條件複雜惡劣，難以滿足這3種資料保存方法的條件。為解決這一問題，我們設計了一種稱為RAM盤的記錄電路，用半導體作存儲媒介，模擬磁盤操作係統，配備專用的小型操作係統。所記錄的數據在關機情況下可保存1年以上。這樣就完全解決了軟磁盤、硬盤和磁帶不適用於這一特定環境下的致命弱點。一般可同時保存7次或7個采場的監測資料，存滿後會自動提示。通過本設備的輸出接口和計算機連接，可將所有保存資料傳輸給計算機，這樣就可克服RAM盤容量有限的不足，從而滿足係統設計的要求。

3　礦山安全監測和預報技術

3.1　評價采場岩體穩定性的聲發射參數
　　理論和實踐表明，岩體聲發射監測所取的參數應能反映岩體破壞的性質及變化速度。因此，選用事件頻率C的增長率R_c來計量是比較合理的。所謂聲發射事件率C是指單位時間內聲發射事件數，而聲發射事件率的增長率R_c是指岩體破壞時聲發射事件率的相對增長量，即R_c=(C₂-C₁)/C₁，式中C₁、C₂分別為岩體破壞前和破壞時的聲發射事件率。
3.2　冒頂聲發射臨界值的確定及冒頂的預測
　　在正常情況下，采場冒頂時的聲發射參數是難以測到的。本文根據冒頂前監測到的一聲發射序列值，建立預測模型，對冒頂時的聲發射參數進行預測，得到臨界值，從而得到采場冒頂時的聲發射臨界參數的變化率，並對采場進行冒頂預測。
3.2.1　灰色理論的預測原理
　　為計算簡便，采用一階GM模型，即：

d_x⁽¹⁾/d_t+a×x⁽¹⁾=u

　　式中：a，u是通過建模來求得的參數，x⁽¹⁾是原始數據x⁽⁰⁾的累加生成。即假定x⁽⁰⁾是已存在的一組非負原始數據序列，x⁽⁰⁾=｛x⁽⁰⁾(k)｜k=1,2,3,…n｝作一次累加，其累加生成序列為x⁽¹⁾=｛x⁽¹⁾(k)｜k=1,2,3,…n｝，滿足：

　　根據數據向量Y_n和數據矩陣B：

　　按最小二乘法求解：

　　建立時間響應函數，即得一階模型的求解公式：

　　對時間響應函數離散化，得離散化的求解公式：

其中x⁽¹⁾(0)=x⁽⁰⁾(1)
　　按上式求得的仍是預測值的累加生成，尚需還原成預測值，其中
　　然後，采用後驗差檢驗來驗證模型的精度。根據上述理論就可確定聲發射臨界值。利用該臨界值(冒頂判據值)，就可以對其它采場進行冒頂預報。
3.2.2　采場冒頂預測
　　假定對某一采場頂板進行了一段時間的監測，由這些監測值建立GM預測模型：

其中
　　如果預測的第k個時刻的R_c值接近於冒頂判據值，那麼，第k個時刻是頂板冒落的時間。這樣，就對采場頂板的冒落進行了比較科學的預報。
3.3　礦山災害預測
　　假如某采場有了5次冒頂，在每次冒頂後仍按既定時間間隔測試聲發射參數。這樣在5次冒頂中，包括預測值在內共有N個數據組成的原始行為序列：

x⁽⁰⁾=｛x⁽⁰⁾(k)｜k=1,2,3,…N｝

　　冒頂判據即為災變閥值(異常值)Z，作災變映射Z：x⁽⁰⁾x⁽⁰⁾_z，得災變序列：

x⁽⁰⁾_z=｛x⁽⁰⁾_z(k′)｜x⁽⁰⁾_z(k′)＞＞Z

　　k′相當於x⁽⁰⁾_z(k′)=x⁽⁰⁾(k)中的k。
　　相應的冒頂時間構成災變時期集：

p=｛k′｜k′滿足x⁽⁰⁾_z(k′)=x⁽⁰⁾(k)｝

　　建立GM模型，就可以準確地預報下一次頂板冒落的時間。
　　由於建模和計算過程用手工很難完成，為此編製了計算機程序，全部過程是由計算機完成。
3.4　現場應用
　　我們對金川公司二礦區穩定性較差的采場進行了重點監測，獲得了許多關於采場的岩體聲發射資料，為采場的冒頂預測提供了大量數據。對1^#采場在其冒頂前共連續監測了5次，時間間隔為24 h，該采場於開始監測後的第7天產生了一次小規模的冒頂，冒頂前監測的原始數據及根據模型所得的預測值見表1。冒頂時相應的R_c=7.58，即為冒頂臨界值。

表1　1^#采場的聲發射監測數據與預測值

序　號 1 2 3 4 5 6 7 時　間 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 原始值 1.53 3.85 5.64 8.42 9.55 　 　 預測值 1.53 4.30 5.68 7.51 9.93 13.1 17.3 　　二礦區2 ^#采場與1 ^#采場具有類似的穩定性，稍後對該采場也進行了5次連續監測，時間間隔為24 h，監測的原始數據及根據模型所得的預測值列於表2。由於冒頂臨界值R _c=7.58，那麼，2 ^#采場冒頂時聲發射事件率C ₂=15.62，由此可以判斷，將會在開始監測後的第6天到第7天發生冒頂，實際上，於第7天發生了一次小規模的冒頂，從而證明上述冒頂技術是準確科學的。

表2　2^#采場的聲發射監測數據與預測值

序　號 1 2 3 4 5 6 7 時間　 10.10 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15 10.16 原始值 1.82 3.12 5.82 4.13 9.66 　 　 預測值 1.82 3.02 4.27 6.03 8.52 12.04 17.02 作者簡介：張星星，博士生。
作者單位：張星星(中南工業大學，湖南 長沙　410083)

參考文獻：

［1］何立民編著.MCS51係列單片機應用係統設計.北京：航空航天大學出版社，1990.
［2］鄧聚龍著.灰色係統基本方法.武漢：華中理工大學出版社，1992.
［3］桑玉發，餘克聖等.采場圍岩穩定性監測與聲發射定位技術.長沙礦山研究院季刊，1992(2).