權(quán)利要求

1.聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，其特征在于，包括：

次聲信號傳感器(300)，其設(shè)置于充填體區(qū)域(900)上，所述充填體區(qū)域內(nèi)含有充填體(100)；所述次聲信號傳感器(300)用于接收充填體(100)在受力過程中所產(chǎn)生的次聲信號；

聲信號傳感器(200)，其設(shè)置于充填體區(qū)域(900)上，所述聲信號傳感器(200)用于接收充填體(100)在受力過程中所產(chǎn)生的聲信號；

處理傳輸儀(400)，其用于接收所述次聲信號和聲信號并將其進行放大濾波處理后轉(zhuǎn)化成電信號并傳輸所述電信號；

識別采樣轉(zhuǎn)換器(500)，其能夠接收所述處理傳輸儀(400)傳輸?shù)碾娦盘柌⑵滢D(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸所述數(shù)字信號；

計算機(600)，其能夠接收將所述識別采樣轉(zhuǎn)換器(500)傳輸?shù)臄?shù)字信號并對其分析解析處理、作圖及儲存，然后發(fā)送任務(wù)指令；

預(yù)警器(700)，其用于接收所述計算機(600)發(fā)送的任務(wù)指令并作出動作。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，其特征在于，還包括供電器(800)，其用于對裝置進行供電。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，其特征在于，所述次聲信號傳感器(300)與充填體(100)的距離≤50米。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，其特征在于，所述聲信號傳感器(200)設(shè)置于充填體(100)表面或其內(nèi)部。

5.聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟一：在充填體區(qū)域安裝次聲信號傳感器(300)和聲信號傳感器(200)；

步驟二：將次聲信號傳感器(300)、聲信號傳感器(200)與處理傳輸儀(400)進行電連接；

步驟三：將處理傳輸儀(400)和識別采樣轉(zhuǎn)換器(500)進行電連接，將識別采樣轉(zhuǎn)換器(500)、預(yù)警器(700)和計算機(600)進行電連接；

步驟四：通過計算機(600)對識別采樣轉(zhuǎn)換器(500)中的參數(shù)閾值進行設(shè)置，計算機(600)對獲取的次聲信號和聲發(fā)射信號進行計算并繪制關(guān)系曲線圖以確定充填體(100)的階段及其破壞峰值點；

步驟五：聲信號達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時，發(fā)出三級警報，次聲信號達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時發(fā)出二級警報，當(dāng)聲發(fā)射和次聲發(fā)射同時達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時發(fā)出一級警報。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述步驟四中，計算機(600)采用Geiger算法對獲取的次聲信號和聲發(fā)射信號進行計算并繪制關(guān)系曲線圖。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述步驟四中，計算機(600)采用HHT法分析數(shù)字聲信號的時頻特性，選取充填體(100)臨近破壞時的異常時頻特征參數(shù)，并以此為依據(jù)設(shè)定聲發(fā)射的參數(shù)閾值。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述步驟四中，階段共分為第一階段、第二階段、第三階段以及第四階段；其中第一階段為充填體的孔隙裂隙壓密階段，第二階段包括充填體的彈性變形階段和微破裂穩(wěn)定變形階段，第三階段包括充填體的非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，第四階段為填充體的破壞后階段，所述關(guān)系曲線圖上的峰值點為破壞峰值點。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及礦山安全領(lǐng)域，具體涉及聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置及方法。

背景技術(shù)

隨著人們對資源充分利用以及環(huán)境保護意識的提高，國內(nèi)外越來越多的礦山開始采用充填法采礦，充填至采場的充填體不僅要維持自身與本階段采場的穩(wěn)定性，同時還影響上階段采礦作業(yè)人員有設(shè)備安全，充填體一旦發(fā)生破壞失穩(wěn)，容易引起相鄰充填采場大面積垮塌，以至延伸地表，對地表環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，其中，充填體是充填采礦法中使用到的物質(zhì)，是事先人工將指定配比下的砂、石等材料制作好的充填體灌入采空區(qū)內(nèi)，用來支撐采場周圍巖體，以減輕采場圍巖的崩塌和片落，所以對充填體的實時監(jiān)測的準(zhǔn)確性有極大的要求，影響充填體破壞的因素有很多且存在極大的不確定性和復(fù)雜性，使得現(xiàn)有的方法不能較為準(zhǔn)確的對充填體進行實時監(jiān)測和預(yù)警。隨著科技的不斷發(fā)展，目前充填體監(jiān)測的方法主要有無底柱分段崩落法、微震監(jiān)測法、聲發(fā)射法，次聲監(jiān)測法等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一，提供一種聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置及方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，包括：

次聲信號傳感器，其設(shè)置于充填體區(qū)域上，所述次聲信號傳感器用于接收充填體在受力過程中所產(chǎn)生的次聲信號；

聲信號傳感器，其設(shè)置于充填體區(qū)域上，所述聲信號傳感器用于接收充填體在受力過程中所產(chǎn)生的聲信號；

所述充填體區(qū)域內(nèi)含有充填體；

處理傳輸儀，其用于接收所述次聲信號和聲信號并將其進行放大濾波處理后轉(zhuǎn)化成電信號并傳輸所述電信號；

識別采樣轉(zhuǎn)換器，其能夠接收所述處理傳輸儀傳輸?shù)碾娦盘柌⑵滢D(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸所述數(shù)字信號；

計算機，其能夠接收將所述識別采樣轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)臄?shù)字信號并對其分析解析處理、作圖及儲存，然后發(fā)送任務(wù)指令；

預(yù)警器，其用于接收所述計算機發(fā)送的任務(wù)指令并作出動作。

優(yōu)選地，還包括供電器，其用于對裝置進行供電。

優(yōu)選地，所述次聲信號傳感器與充填體的距離≤50米。

優(yōu)選地，所述聲信號傳感器設(shè)置于充填體表面或其內(nèi)部。

本發(fā)明還公開了一種聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的方法，包含以下步驟：

步驟一：在充填體區(qū)域安裝次聲信號傳感器和聲信號傳感器；

步驟二：將次聲信號傳感器、聲信號傳感器與處理傳輸儀進行電連接；

步驟三：將處理傳輸儀和識別采樣轉(zhuǎn)換器進行電連接，識別采樣轉(zhuǎn)換器、預(yù)警器和計算機進行電連接；

步驟四：通過計算機對識別采樣轉(zhuǎn)換器中的參數(shù)閾值進行設(shè)置，計算機對獲取的次聲信號和聲發(fā)射信號進行計算并繪制關(guān)系曲線圖以確定充填體的階段及其破壞峰值點；

步驟五：聲信號達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時，發(fā)出三級警報，次聲信號達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時發(fā)出二級警報，當(dāng)聲發(fā)射和次聲發(fā)射同時達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時發(fā)出一級警報。

優(yōu)選地，所述步驟四中，計算機采用Geiger算法對獲取的次聲信號和聲發(fā)射信號進行計算并繪制關(guān)系曲線圖。

優(yōu)選地，所述步驟四中，計算機采用HHT法分析數(shù)字聲信號的時頻特性，選取充填體臨近破壞時的異常時頻特征參數(shù)，并以此為依據(jù)設(shè)定聲發(fā)射的參數(shù)閾值。

優(yōu)選地，所述步驟四中，階段共分為第一階段、第二階段、第三階段以及第四階段；其中第一階段為充填體的孔隙裂隙壓密階段，第二階段包括充填體的彈性變形階段和微破裂穩(wěn)定變形階段，第三階段包括充填體的非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，第四階段為填充體的破壞后階段，所述關(guān)系曲線圖上的峰值點為破壞峰值點。

本發(fā)明至少具有以下有益效果之一：

(1)本發(fā)明的一種聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，采用聲發(fā)射和次聲聯(lián)合監(jiān)測充填體，優(yōu)勢互補，克服了聲信號波長短，穿透力弱，衰減快，次聲信號對異性物質(zhì)主頻變化不大的缺點，增加監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

(2)本發(fā)明的一種聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，由于聲信號波長短，穿透力弱，隨著深度的增加，聲信號的衰減很快，但次聲信號波長長，不易產(chǎn)生折射，反射等物理現(xiàn)象，不易被介質(zhì)吸收，穿透力強，正好彌補了聲信號的缺點，所以兩者聯(lián)合監(jiān)測時，不會隨著深度的增加而破壞測量的準(zhǔn)確性和時效性，即少了很多無效數(shù)據(jù)，即可以低頻測量，得到最精確的結(jié)論，控制精度的同時節(jié)約了成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明第一實施例的原理框架圖；

圖3是本發(fā)明第二實施例的流程圖；

圖4是本發(fā)明巖石類的充填體破壞失穩(wěn)預(yù)警應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖；

圖中，100-充填體，200-聲信號傳感器，300-次聲信號傳感器，400-處理傳輸儀，500-識別采樣轉(zhuǎn)換器，600-計算機，700-預(yù)警器，800-供電器，900-充填體區(qū)域。

具體實施方式

本部分將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施例，本發(fā)明之較佳實施例在附圖中示出，附圖的作用在于用圖形補充說明書文字部分的描述，使人能夠直觀地、形象地理解本發(fā)明的每個技術(shù)特征和整體技術(shù)方案，但其不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。

在本發(fā)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關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，若干的含義是一個或者多個，多個的含義是兩個以上，大于、小于、超過等理解為不包括本數(shù)，以上、以下、以內(nèi)等理解為包括本數(shù)。如果有描述到第一、第二只是用于區(qū)分技術(shù)特征為目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的先后關(guān)系。

本發(fā)明的描述中，除非另有明確的限定，設(shè)置、安裝、連接等詞語應(yīng)做廣義理解，所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以結(jié)合技術(shù)方案的具體內(nèi)容合理確定上述詞語在本發(fā)明中的具體含義。

參照圖1至圖2，本發(fā)明的第一實施例：

一種聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的裝置，包括：

次聲信號傳感器300，其設(shè)置于充填體區(qū)域900上，所述充填體區(qū)域900內(nèi)含有充填體100；所述次聲信號傳感器300用于接收充填體100在受力過程中所產(chǎn)生的次聲信號；

聲信號傳感器200，其設(shè)置于充填體區(qū)域900上，所述聲信號傳感器200用于接收充填體100在受力過程中所產(chǎn)生的聲信號；

處理傳輸儀400，其用于接收所述次聲信號和聲信號并將其進行放大濾波處理后轉(zhuǎn)化成電信號并傳輸所述電信號；

識別采樣轉(zhuǎn)換器500，其能夠接收所述處理傳輸儀400傳輸?shù)碾娦盘柌⑵滢D(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸所述數(shù)字信號；

計算機600，其能夠接收將所述識別采樣轉(zhuǎn)換器500傳輸?shù)臄?shù)字信號并對其分析解析處理、作圖及儲存，然后發(fā)送任務(wù)指令；

預(yù)警器700，其用于接收所述計算機600發(fā)送的任務(wù)指令并作出動作。

本實施例采用聲發(fā)射和次聲聯(lián)合監(jiān)測充填體，優(yōu)勢互補，克服了聲信號波長短，穿透力弱，衰減快，次聲信號對異性物質(zhì)主頻變化不大的缺點，增加監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其還可具有以下附加技術(shù)特征：

還包括供電器800，具體地可以是電源，其用于對裝置進行供電。

所述次聲信號傳感器300與充填體100的距離≤50米，便于采集次聲信號。

所述聲信號傳感器200設(shè)置于充填體100表面或其內(nèi)部。

本發(fā)明還公開了第二實施例：一種聲發(fā)射和次聲聯(lián)合實時監(jiān)測充填體穩(wěn)定性的方法，包含以下步驟：

步驟一：在充填體區(qū)域安裝次聲信號傳感器300和聲信號傳感器200；

步驟二：將次聲信號傳感器300、聲信號傳感器200與處理傳輸儀400進行電連接；

步驟三：將處理傳輸儀400和識別采樣轉(zhuǎn)換器500進行電連接，將識別采樣轉(zhuǎn)換器500、預(yù)警器700和計算機600進行電連接；

步驟四：通過計算機600對識別采樣轉(zhuǎn)換器500中的參數(shù)閾值進行設(shè)置，計算機600對獲取的次聲信號和聲發(fā)射信號進行計算并繪制關(guān)系曲線圖以確定充填體100的階段及其破壞峰值點；更具體地，如圖4所示，所述階段共分為第一階段、第二階段、第三階段以及第四階段；其中第一階段為充填體的孔隙裂隙壓密階段，第二階段包括充填體的彈性變形階段和微破裂穩(wěn)定變形階段，第三階段包括充填體的非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，第四階段為填充體的破壞后階段，所述關(guān)系曲線圖上的峰值點為破壞峰值點。

第一階段，早期充填體被壓密，呈非線性變形，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凹型；

第二階段，充填體被壓密后的彈性變形階段和微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段曲線呈近似直線型。

第三階段，非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段與微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段的連接點即為塑性變形的轉(zhuǎn)折點，也叫屈服點，此階段破裂快速發(fā)展，曲線呈上凸型。

第四階段，充填體承載力達(dá)到峰值強度時為曲線的頂點，即為破壞峰值點，之后曲線呈下降趨勢，即為破壞后階段。

由于充填體在破壞的過程中聲信號的主頻主要是100-120kHz，破壞峰值附近前后一般高于250kHz，低于100kHz的頻段從試驗初期一直到破壞峰值逐漸減弱。充填體的次聲信號監(jiān)測在全時間段上主頻呈現(xiàn)分形特征，試驗初期次聲主頻分形維數(shù)呈上升趨勢，維數(shù)隨著應(yīng)力增加呈現(xiàn)交替變化的趨勢，直到破壞峰值前夕下降到最小值，因此可以作出相關(guān)的關(guān)系曲線圖將充填體的不同階段的次聲信號和聲信號發(fā)射的頻段一一對應(yīng)來更加精準(zhǔn)的監(jiān)測充填體的演化以及預(yù)警。

步驟五：聲信號達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時，發(fā)出三級警報，次聲信號達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時發(fā)出二級警報，當(dāng)聲發(fā)射和次聲發(fā)射同時達(dá)到破壞峰值點的頻率閾值范圍時發(fā)出一級警報。

所述步驟四中，計算機600采用Geiger算法對獲取的次聲信號和聲發(fā)射信號進行計算并繪制關(guān)系曲線圖。

所述步驟四中，計算機600采用HHT法分析數(shù)字聲信號的時頻特性，選取充填體100臨近破壞時的異常時頻特征參數(shù)，并以此為依據(jù)設(shè)定聲發(fā)射的參數(shù)閾值，具體地，聲發(fā)射破壞峰值前后一般頻率高于250kHz，所以設(shè)250kHz為參數(shù)閾值。

更具體地，通過模擬充填體破壞試驗，大概得知，充填體彈性變形和開始出現(xiàn)微裂隙時(第二階段)，次聲信號主要集中在0.01～12.5Hz；當(dāng)充填體內(nèi)部裂隙發(fā)展時，次聲信號主要集中在12.5Hz左右；充填體中的顆粒錯動和摩擦?xí)r，次聲信號主要0.01～6Hz；而整個試驗過程中15～20Hz的次聲信號很少。所以劃分次聲頻段可以分為0.01～6Hz；6～12.5Hz；12.5～15Hz；15～20Hz。

在不出現(xiàn)沖突的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將上述附加技術(shù)特征自由組合以及疊加使用。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)先實施方式，只要以基本相同手段實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案都屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。