一种同源监测的位移和声发射集成传感器

技术领域

本发明属于岩石开采技术领域，尤其涉及一种同源监测的位移和声发射集成传感器。

背景技术

目前，地下开采的围岩或露天边坡，在原生应力、开采扰动应力、岩体结构以及外部环境的综合影响下，经常出现离层、开裂甚至岩体移动，最终导致岩体结构性失稳破坏。直接威胁矿山回采的安全性。现阶段对于岩体移动破坏的监测方法主要包括位移监测、声发射监测和微震监测。

位移监测传感器主要包括收敛仪和多点位移计。收敛仪主要监测临空面之间的相对位移，并不能直接反应岩体内部的活动情况。而多点位移计直接安装于岩体内部，利用各个监测点的相对位移，反映岩体内部不同区域岩体的位移状况，从而综合判别围岩的移动规律。该方法通常在传感器上设定阈值，当实际位移值超过阈值后，传感器报警，从而实现岩移预警。但岩体移动规律与岩体结构面方位、岩体性质及暴露面积等多种因素密切相关，不同岩体在不同的环境下，其失稳之前所产生的位置值并非固定值。统一设定的阈值并无明确的理论依据，利用位移阈值预警岩体移动破坏具有很大的不确定性，常常造成预警失败。

声发射监测的原理是岩体破裂产生的弹性波被传感器接受，通过对声发射次数、能量以及波形进行分析，对比实验室得到的岩石破裂声发射指标变化规律，从而实现岩体破坏声发射信息预警。现场多依靠声发射次数、频度以及能量的大小等综合判断结果实施预警。但从岩石移动破坏的过程可知，只要岩石发生变形，就极有可能伴随声发射信号的出现，从岩石发生变形到最终破裂先后经历多个阶段相似的声发射特征信号变化规律，单纯利用声发射监测结果实施预警具有较大的随意性，同时声发射信号受岩体结构和现场环境噪声的影响极大，预警准确性较差。

微震监测主要依靠对岩石破裂过程产生的中低频声信号实施监测，利用中低频声信息衰减速度慢，传输距离远的特点，利用微震检波器实现远距离监测，并利用多个传感器对声信号进行空间定位，从而判断灾害危险源，实现危险源定位和超前预警。其监测原理和声发射传感器类似。从现场的应用来看，由于地下开采形成了大量的空区、破碎介质岩体、松散充填体等多种非连续介质，危险源发出的声信号在传输过程中经过不同介质和岩体结构，散失和衰减非常严重，到达微震检波器后信号的真实性大为降低。同时也严重影响定位的准确性。因此，单纯微震监测预警矿岩体失稳破坏准确性不高。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的位移监测传感器利用位移阈值预警岩体移动破坏具有很大的不确定性，常常造成预警失败。

(2)现有的声发射监测技术单纯利用声发射监测结果实施预警具有较大的随意性，同时声发射信号受岩体结构和现场环境噪声的影响极大，预警准确性较差。

(3)现有的微震监测技术监测预警矿岩体失稳破坏准确性不高。

解决以上问题及缺陷的难度为：

目前所使用的位移传感器或者声发射传感器仅仅能单独表征围岩在承载过程中的位移变化值或者破裂过程中的声信息。但仅凭单独的位移或声音等伴生信息并不能准确反映岩石破坏，极易造成预警失败。如何使得同一监测源同时、同步采集位移和声发射两种伴生信息，并实现上述两种信息的协调存储和传输是解决上述问题的主要难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：

通过同源监测位移和声发射集成传感器研发，实现了围岩同一监测源位移和声发射数据的同步采集、记录、存储和传输，使得同一监测点围岩移动破坏过程的两种伴生信息同步获取，利用后续的耦合分析模式，实现了围岩破坏真实预警，有效解决了单一传感器设置预警阈值的不确定性和预警盲目性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同源监测的位移和声发射集成传感器。本发明摒除单一传感器预警随意性大、准确性差的技术难题，主要针对矿岩体顶板或边帮移动破坏，提出集成传感器的思路，将位移和声发射两种岩体移动破坏的伴生信息集成于统一的传感器，实现同源集成传感器耦合监测，从而提高预警的准确性。

本发明是这样实现的，整个集成传感器采用触发式采集方法，一旦锚固头和固定端之间发生相对移动激发位移传感器，并触发采集芯片实施位移数值记录和存储，在此过程中声发射传感器(压电陶瓷晶体)感知围岩移动过程中的声发射信息，并触发采集器上的芯片实时记录声发射参数。所记录的位移和声发射数值超过四小时时长，则触发时间控制器，统一上传至地表服务器，数据上传完成后，触发控制芯片自动清空存储器中的数据。

一种同源监测的位移和声发射集成传感器，所述同源监测的位移和声发射集成传感器设置有位移监测固定端；

位移监测固定端内部放置压电陶瓷晶体和放大器，位移监测固定端下端固定有外露端；

外露端内部安装声发射信息采集器和多点位移传感器、存储器以及结果显示线路板，外露端外侧设置有显示窗。

进一步，所述位移监测固定端为圆柱状空心刚体结构，直径为35mm，长度200mm。

进一步，所述外露端为长方体刚体结构，长150mm，宽和高均为100mm。

进一步，所述外露端右端设置有电源接口，电源接口连接有传输线路。

进一步，所述位移监测固定端通过连接钢丝绳分别与第一位移监测锚固头和第二位移监测锚固头连接。

进一步，所述多点位移传感器和声发射信息采集器分别通过通讯线路(485)与存储器连接.

进一步，所述显示窗设置有显示仪表外壳，显示仪表外壳上侧设置有仪器编码显示窗口、声发射采集信息显示窗口、位移监测值显示窗口、电源接口、安装模式按钮、调试模式按钮、采集模式按钮和传输线路螺纹连接装置。

进一步，所述围岩下端为开采空间，围岩钻凿直径为38～42mm的钻孔，孔深在20～30m范围之内，利用安装装置将位移监测锚固头和锚固头安装到指定位置；

锚固头1安装在孔底位置，锚固头2安装在测孔的中间位置，位移监测固定端安装在孔口位置，孔口采用水泥砂浆耦合，使得整个测孔周围岩石离层破坏产生的声发射信号传入固定端内部的声发射探头；

同时岩石离层产生的位移诱发锚固头和固定端发生相对移动，被位移传感器感知，二者统一被外露端的信息采集器采集、存储。

进一步，所述采集器用以声发射信息采集和位移数据信息采集，采用触发式采集方式，通过单片机控制，实现两种信息集成采集；

采集器工作模式分为调试模式、安装模式和正常采集模式；

调试模式用于传感器初始校准；

安装模式用于现场安装时显示传感器前端与耦合剂的接触性；

正常采集模式包括声发射参数采集和位移值采集，利用单片机控制声发射采集以秒为间隔，位移数值采集以小时为间隔；声发射次数、能量、振幅在声发射采集信息窗口显示，位移值在位移采集窗口显示，多点位移采用交替轮流显示的方式实现。

声发射和位移采集数据直接存储于存储器中，每隔4小时通过光纤上传数据至地表服务器，数据上传后，存储器内所存储的数据自动清空。

进一步，所述采集器和存储器封装于外露端钢化防爆外壳之内。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

图4是本发明在某矿山井下监测区域所取得的声发射参数变化曲线图，从监测的全过程可以看出，在监测周期一个月之内，围岩能率变化曲线经历三次较大幅度的波动(激增回落现象)，传统的声发射预报岩体破坏多根据声发射参量的激增回落现象进行超前预报。根据现场观察，直至第三次波动，现场顶板围岩出现冒落，前两次围岩并未破坏。由此可知，围岩破坏前会出现声发射参量的激增回落，但并非所有该现象都可预报岩体的失稳破坏，当围岩孔隙压密，新裂纹扩展，塑性区出现都会诱发声发射参量激增。由此单纯依靠声发射参量的变化预报岩体失稳具有盲目性和不确定性。

图5是课题组在矿山统一监测区域获取的围岩位移监测结果，从变化曲线上分析，整个监测周期位移经历了增加—平稳—再增加的过程。如果从曲线上设定位移阈值去预报围岩失稳，显然无法找到准确的位移阈值。设定阈值预报围岩失稳并无明显理论依据，同时工程中围岩类型和变形特性差异性较大，并不具备统一的位移阈值。

结合统一区域所取得的位移和声发射监测数据，则可以发现，监测后期的十日之内，声发射监测参量再次出现激增—回落的波动现象，同时位移也进入加速变形阶段，因此符合同源测点的位移和声发射耦合破坏模式，以此实施在12月23日提前预警，最终12月27日监测点区域顶板冒落。

本发明针对矿岩体移动破坏(包括顶板、帮壁)，现有的技术主要采用单一的位移监测、声发射监测或微震监测，其对地压的误判率比较高，由于围岩的非均质性和不连续性，任何一种矿岩体并无单一信息的预警值或判别方法。而岩体破坏包括了应力、位移和声发射多种伴生信息，如果能实现传感器对同一信息源多伴生信息的集成监测，必然会增加预警的准确性。从现场传感器布置工程来看，如果布置不同的传感器，需要施工多个钻孔，集成传感器可将现场检测钻孔数量减半，大幅降低了监测安装成本和钻孔施工成本。与原有多种单一传感器布置不能反映同一位置监测信息相比，本发明实现了位移和声发射的集成监测，即同源(同一监测点)的位移信息和声发射信息可以同时采集和反馈。

本发明的创新理念：将围岩破坏的声发射和位移两种伴生信息集成到同一传感器采集，实现了同一监测源围岩破坏两种伴生信息同步采集、同步传输。克服了传统单一监测设备设定阈值预警预报的盲目性和不确定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的同源监测的位移和声发射集成传感器结构示意图。

图2是本发明实施例提供的显示窗结构示意图。

图3是本发明实施例提供的集成传感器安装结构示意图。

图中：1、第一位移监测锚固头；2、第二位移监测锚固头；3、连接钢丝绳；4、位移监测固定端；5、压电陶瓷晶体；6、放大器；7、声发射信息采集器；8、多点位移传感器；9、外露端；10、传输线路；11、电源接口；12、显示仪表外壳；13、仪器编码显示窗口；14、声发射采集信息显示窗口；15、位移监测值显示窗口；16、电源接口；17、安装模式按钮；18、调试模式按钮；19、采集模式按钮；20、围岩；21、水泥砂浆；22、开采空间。

图4是本发明实施例提供的矿山井下某监测区域围岩声发射能率变化曲线图。

图5是本发明实施例提供的矿山井下某监测区域围岩位移变化全曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同源监测的位移和声发射集成传感器，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的同源监测的位移和声发射集成传感器中位移监测固定端4为圆柱状空心刚体结构，直径为35mm，长度200mm；位移监测固定端4内部放置压电陶瓷晶体5(声发射传感器)和放大器6；位移监测固定端4下端固定有外露端9，外露端9为长方体刚体结构，长150mm，宽和高均为100mm；外露端9内部安装声发射信息采集器7和多点位移传感器8、存储器以及结果显示线路板，外露端9外侧设置有显示窗。外露端9右端设置有电源接口11，电源接口11连接有传输线路10。位移监测固定端4通过连接钢丝绳3分别与第一位移监测锚固头1和第二位移监测锚固头2连接；多点位移传感器8通过光纤与声发射信息采集器7连接，声发射信息采集器7通过光纤与存储器连接。

如图2所示，本发明实施例提供的显示窗设置有显示仪表外壳12，显示仪表外壳12上侧设置有仪器编码显示窗口13、声发射采集信息显示窗口14、位移监测值显示窗口15、电源接口16、安装模式按钮17、调试模式按钮18、采集模式按钮19和传输线路螺纹连接装置。

如图3所示，本发明实施例中围岩20下端为开采空间22，围岩20钻凿直径为38～42mm的钻孔，孔深在20～30m范围之内，利用安装装置将位移监测锚固头1和锚固头2安装到指定位置；其中锚固头1安装在孔底位置，锚固头2安装在测孔的中间位置，位移监测固定端安装在孔口位置，为保证固定端与孔口紧密接触，孔口采用水泥砂浆21耦合，使得整个测孔周围岩石离层破坏产生的声发射信号直接传入固定端内部的声发射探头，同时岩石离层产生的位移诱发锚固头和固定端发生相对移动，被位移传感器感知，二者统一被外露端的信息采集器采集、存储。其中，如此，则在同一测孔中实现了位移和声发射集成监测。为后续数据耦合分析预警提供了硬件设备。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

一、集成传感器结构

整个集成传感器包括位移锚固头、位移固定端和外露端三个部分，位移锚固头为活动端，根据监测范围通过连接钢丝绳控制锚固头在监测孔内的位置。位移监测固定端为圆柱状空心刚体结构，直径为35mm，长度200mm，内部放置声发射传感器(压电陶瓷晶体)和信号放大器，其中压电陶瓷晶体和刚体内壁紧密接触。外露端为长方体刚体结构，长150mm，宽和高均为100mm，内部安装声发射信息采集器和多点位移传感器、存储器以及结果显示线路板等。传感器整体采用外接电源供电。

二、采集器

采集器安装在外露端刚体内部，采集器与声发射传感器采用为了便于维修更换，采集器与传感器分离，采集器与传感器和存储器之间通过光纤通讯方式，供电电压为5V，采用主站电源供电或采集器电池供电。采集器主要实现声发射信息采集(次数、能量、振幅和波形信息)和位移数据信息采集，采用触发式采集方式，通过单片机控制，实现两种信息集成采集。采集器工作模式分为调试模式、安装模式和正常采集模式，调试模式用于传感器初始校准。安装模式用于现场安装时显示传感器前端与耦合剂的接触性。正常采集模式包括声发射参数采集和位移值采集，利用单片机控制声发射采集以秒为间隔，位移数值采集以小时为间隔。声发射次数、能量、振幅在声发射采集信息窗口显示，位移值在位移采集窗口显示，多点位移采用交替轮流显示的方式实现。整个采集器和存储器封装于外露端钢化防爆外壳之内。

三、存储器

存储器与采集器集成在一起，用于接收采集得到的声发射信息和位移信息，通常容量为128G，其接收来自系统主机站的指令，实现间隔时间上传监测信息，上传周期最小间隔单位为0.5h，可以根据需要设置调整。信息上传后，存储器接收指令自动清空监测信息。

四、显示窗

显示窗设置有显示仪表外壳12，显示仪表外壳12上侧设置有仪器编码显示窗口13、声发射采集信息显示窗口14、位移监测值显示窗口15、电源接口16、安装模式按钮17、调试模式按钮18、采集模式按钮19和传输线路螺纹连接装置。采集器上面的观察窗尺寸为150*100mm，待机时显示编号、版本号、声发射信息采集窗口显示声发射次数、能量、振幅等实时信息，位移监测值显示窗口交替显示多个监测点的相对位移值。设置按钮可以选择调试模式、安装模式和正常采集模式。为了便于在井下远距离观测，显示窗口采用感光材料，手电光等强光照射时，显示窗自动显示数据。

五、集成传感器安装

传感器安装利用普通的矿用浅孔凿岩机钻凿直径为38～42mm的钻孔，孔深根据测试需求，通常在20～30m范围之内，利用安装装置将位移监测锚固头1和锚固头2安装到指定位置，其中锚固头1安装在孔底位置，锚固头2安装在测孔的中间位置，位移监测固定端安装在孔口位置，为保证固定端与孔口紧密接触，孔口采用水泥砂浆21耦合，使得整个测孔周围岩石离层破坏产生的声发射信号直接传入固定端内部的声发射探头，同时岩石离层产生的位移诱发锚固头和固定端发生相对移动，被位移传感器感知，二者统一被外露端的信息采集器采集、存储。其中，围岩20下端为开采空间22。如此，则在同一测孔中实现了位移和声发射集成监测。为后续数据耦合分析预警提供了硬件设备。

图4是本发明在某矿山井下监测区域所取得的声发射参数变化曲线图，从监测的全过程可以看出，在监测周期一个月之内，围岩能率变化曲线经历三次较大幅度的波动(激增回落现象)，传统的声发射预报岩体破坏多根据声发射参量的激增回落现象进行超前预报。根据现场观察，直至第三次波动，现场顶板围岩出现冒落，前两次围岩并未破坏。由此可知，围岩破坏前会出现声发射参量的激增回落，但并非所有该现象都可预报岩体的失稳破坏，当围岩孔隙压密，新裂纹扩展，塑性区出现都会诱发声发射参量激增。由此单纯依靠声发射参量的变化预报岩体失稳具有盲目性和不确定性。

图5是课题组在矿山统一监测区域获取的围岩位移监测结果，从变化曲线上分析，整个监测周期位移经历了增加—平稳—再增加的过程。如果从曲线上设定位移阈值去预报围岩失稳，显然无法找到准确的位移阈值。设定阈值预报围岩失稳并无明显理论依据，同时工程中围岩类型和变形特性差异性较大，并不具备统一的位移阈值。

结合同一区域所取得的位移和声发射监测数据，则可以发现，监测后期的十日之内，声发射监测参量再次出现激增—回落的波动现象，同时位移也进入加速变形阶段，因此符合同源测点的位移和声发射耦合破坏模式，以此结果在12月23日提前预警，最终12月27日监测点区域顶板冒落。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。