一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置及方法

摘要

本发明公开了一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置及方法，属于矿山安全领域，包括次声信号传感器和声信号传感器，其均设置于充填体区域上；处理传输仪，其用于接收次声信号和声信号并将其进行放大滤波处理后转化成电信号并传输电信号；识别采样转换器，其能够接收处理传输仪传输的电信号并将其转换成数字信号并传输数字信号；计算机，其能够接收将识别采样转换器传输的数字信号并对其分析解析处理、作图及储存，然后发送任务指令；预警器，其用于接收计算机发送的任务指令并作出动作。本发明采用声发射和次声联合监测充填体，优势互补，克服了声信号波长短，穿透力弱，衰减快，次声信号对异性物质主频变化不大的缺点，增加监测的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山安全领域，具体涉及一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置及方法。

背景技术

随着人们对资源充分利用以及环境保护意识的提高，国内外越来越多的矿山开始采用充填法采矿，充填至采场的充填体不仅要维持自身与本阶段采场的稳定性，同时还影响上阶段采矿作业人员有设备安全，充填体一旦发生破坏失稳，容易引起相邻充填采场大面积垮塌，以至延伸地表，对地表环境产生严重破坏，其中，充填体是充填采矿法中使用到的物质，是事先人工将指定配比下的砂、石等材料制作好的充填体灌入采空区内，用来支撑采场周围岩体，以减轻采场围岩的崩塌和片落，所以对充填体的实时监测的准确性有极大的要求，影响充填体破坏的因素有很多且存在极大的不确定性和复杂性，使得现有的方法不能较为准确的对充填体进行实时监测和预警。随着科技的不断发展，目前充填体监测的方法主要有无底柱分段崩落法、微震监测法、声发射法，次声监测法等。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置及方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置，包括：

次声信号传感器，其设置于充填体区域上，所述次声信号传感器用于接收充填体在受力过程中所产生的次声信号；

声信号传感器，其设置于充填体区域上，所述声信号传感器用于接收充填体在受力过程中所产生的声信号；

所述充填体区域内含有充填体；

处理传输仪，其用于接收所述次声信号和声信号并将其进行放大滤波处理后转化成电信号并传输所述电信号；

识别采样转换器，其能够接收所述处理传输仪传输的电信号并将其转换成数字信号并传输所述数字信号；

计算机，其能够接收将所述识别采样转换器传输的数字信号并对其分析解析处理、作图及储存，然后发送任务指令；

预警器，其用于接收所述计算机发送的任务指令并作出动作。

优选地，还包括供电器，其用于对装置进行供电。

优选地，所述次声信号传感器与充填体的距离≤50米。

优选地，所述声信号传感器设置于充填体表面或其内部。

本发明还公开了一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的方法，包含以下步骤：

步骤一：在充填体区域安装次声信号传感器和声信号传感器；

步骤二：将次声信号传感器、声信号传感器与处理传输仪进行电连接；

步骤三：将处理传输仪和识别采样转换器进行电连接，识别采样转换器、预警器和计算机进行电连接；

步骤四：通过计算机对识别采样转换器中的参数阈值进行设置，计算机对获取的次声信号和声发射信号进行计算并绘制关系曲线图以确定充填体的阶段及其破坏峰值点；

步骤五：声信号达到破坏峰值点的频率阈值范围时，发出三级警报，次声信号达到破坏峰值点的频率阈值范围时发出二级警报，当声发射和次声发射同时达到破坏峰值点的频率阈值范围时发出一级警报。

优选地，所述步骤四中，计算机采用Geiger算法对获取的次声信号和声发射信号进行计算并绘制关系曲线图。

优选地，所述步骤四中，计算机采用HHT法分析数字声信号的时频特性，选取充填体临近破坏时的异常时频特征参数，并以此为依据设定声发射的参数阈值。

优选地，所述步骤四中，阶段共分为第一阶段、第二阶段、第三阶段以及第四阶段；其中第一阶段为充填体的孔隙裂隙压密阶段，第二阶段包括充填体的弹性变形阶段和微破裂稳定变形阶段，第三阶段包括充填体的非稳定破裂发展阶段，第四阶段为填充体的破坏后阶段，所述关系曲线图上的峰值点为破坏峰值点。

本发明至少具有以下有益效果之一：

(1)本发明的一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置，采用声发射和次声联合监测充填体，优势互补，克服了声信号波长短，穿透力弱，衰减快，次声信号对异性物质主频变化不大的缺点，增加监测的准确性。

(2)本发明的一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置，由于声信号波长短，穿透力弱，随着深度的增加，声信号的衰减很快，但次声信号波长长，不易产生折射，反射等物理现象，不易被介质吸收，穿透力强，正好弥补了声信号的缺点，所以两者联合监测时，不会随着深度的增加而破坏测量的准确性和时效性，即少了很多无效数据，即可以低频测量，得到最精确的结论，控制精度的同时节约了成本。

附图说明

图1是本发明第一实施例的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的原理框架图；

图3是本发明第二实施例的流程图；

图4是本发明岩石类的充填体破坏失稳预警应力应变关系曲线图；

图中，100-充填体，200-声信号传感器，300-次声信号传感器，400-处理传输仪，500-识别采样转换器，600-计算机，700-预警器，800-供电器，900-充填体区域。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图2，本发明的第一实施例：

一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的装置，包括：

次声信号传感器300，其设置于充填体区域900上，所述充填体区域900内含有充填体100；所述次声信号传感器300用于接收充填体100在受力过程中所产生的次声信号；

声信号传感器200，其设置于充填体区域900上，所述声信号传感器200用于接收充填体100在受力过程中所产生的声信号；

处理传输仪400，其用于接收所述次声信号和声信号并将其进行放大滤波处理后转化成电信号并传输所述电信号；

识别采样转换器500，其能够接收所述处理传输仪400传输的电信号并将其转换成数字信号并传输所述数字信号；

计算机600，其能够接收将所述识别采样转换器500传输的数字信号并对其分析解析处理、作图及储存，然后发送任务指令；

预警器700，其用于接收所述计算机600发送的任务指令并作出动作。

本实施例采用声发射和次声联合监测充填体，优势互补，克服了声信号波长短，穿透力弱，衰减快，次声信号对异性物质主频变化不大的缺点，增加监测的准确性。

作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：

还包括供电器800，具体地可以是电源，其用于对装置进行供电。

所述次声信号传感器300与充填体100的距离≤50米，便于采集次声信号。

所述声信号传感器200设置于充填体100表面或其内部。

本发明还公开了第二实施例：一种声发射和次声联合实时监测充填体稳定性的方法，包含以下步骤：

步骤一：在充填体区域安装次声信号传感器300和声信号传感器200；

步骤二：将次声信号传感器300、声信号传感器200与处理传输仪400进行电连接；

步骤三：将处理传输仪400和识别采样转换器500进行电连接，将识别采样转换器500、预警器700和计算机600进行电连接；

步骤四：通过计算机600对识别采样转换器500中的参数阈值进行设置，计算机600对获取的次声信号和声发射信号进行计算并绘制关系曲线图以确定充填体100的阶段及其破坏峰值点；更具体地，如图4所示，所述阶段共分为第一阶段、第二阶段、第三阶段以及第四阶段；其中第一阶段为充填体的孔隙裂隙压密阶段，第二阶段包括充填体的弹性变形阶段和微破裂稳定变形阶段，第三阶段包括充填体的非稳定破裂发展阶段，第四阶段为填充体的破坏后阶段，所述关系曲线图上的峰值点为破坏峰值点。

第一阶段，早期充填体被压密，呈非线性变形，应力应变曲线呈上凹型；

第二阶段，充填体被压密后的弹性变形阶段和微破裂稳定发展阶段曲线呈近似直线型。

第三阶段，非稳定破裂发展阶段与微破裂稳定发展阶段的连接点即为塑性变形的转折点，也叫屈服点，此阶段破裂快速发展，曲线呈上凸型。

第四阶段，充填体承载力达到峰值强度时为曲线的顶点，即为破坏峰值点，之后曲线呈下降趋势，即为破坏后阶段。

由于充填体在破坏的过程中声信号的主频主要是100-120kHz，破坏峰值附近前后一般高于250kHz，低于100kHz的频段从试验初期一直到破坏峰值逐渐减弱。充填体的次声信号监测在全时间段上主频呈现分形特征，试验初期次声主频分形维数呈上升趋势，维数随着应力增加呈现交替变化的趋势，直到破坏峰值前夕下降到最小值，因此可以作出相关的关系曲线图将充填体的不同阶段的次声信号和声信号发射的频段一一对应来更加精准的监测充填体的演化以及预警。

步骤五：声信号达到破坏峰值点的频率阈值范围时，发出三级警报，次声信号达到破坏峰值点的频率阈值范围时发出二级警报，当声发射和次声发射同时达到破坏峰值点的频率阈值范围时发出一级警报。

所述步骤四中，计算机600采用Geiger算法对获取的次声信号和声发射信号进行计算并绘制关系曲线图。

所述步骤四中，计算机600采用HHT法分析数字声信号的时频特性，选取充填体100临近破坏时的异常时频特征参数，并以此为依据设定声发射的参数阈值，具体地，声发射破坏峰值前后一般频率高于250kHz，所以设250kHz为参数阈值。

更具体地，通过模拟充填体破坏试验，大概得知，充填体弹性变形和开始出现微裂隙时(第二阶段)，次声信号主要集中在0.01～12.5Hz；当充填体内部裂隙发展时，次声信号主要集中在12.5Hz左右；充填体中的颗粒错动和摩擦时，次声信号主要0.01～6Hz；而整个试验过程中15～20Hz的次声信号很少。所以划分次声频段可以分为0.01～6Hz；6～12.5Hz；12.5～15Hz；15～20Hz。

在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。