摘　要　對(duì)巖體聲發(fā)射智能監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了完善和改進(jìn)研究，并且應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論，系統(tǒng)地分析和評(píng)估了評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的聲發(fā)射參數(shù)及巖體冒頂臨界值的確定方法；建立預(yù)測(cè)模型，對(duì)巖體冒頂?shù)臄?shù)列預(yù)測(cè)及礦山大規(guī)模災(zāi)害預(yù)測(cè)進(jìn)行了探討。實(shí)踐證明，上述方法和采取的措施是切實(shí)可行的。
關(guān)鍵詞　巖體聲發(fā)射；監(jiān)測(cè)設(shè)備；灰色系統(tǒng)理論；臨界值；預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)
中圖分類號(hào)：TD325　TD326　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文獻(xiàn)編號(hào)：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(chǎng)的冒頂事故危害性極大，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)。因此，人們一直在探索其規(guī)律并尋求有效的預(yù)測(cè)方法。自從Obert和Duvall發(fā)現(xiàn)巖石具有聲發(fā)射現(xiàn)象以來，巖體聲發(fā)射技術(shù)在礦山得到了廣泛的應(yīng)用。但追溯其應(yīng)用結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，仍然存在著如下重大問題未得到很好的解決而限制了其應(yīng)用范圍及推廣：
　　(1) 巖體聲發(fā)射參數(shù)臨界值的確定；
　　(2) 事故預(yù)報(bào)參數(shù)的合理化和標(biāo)準(zhǔn)化；
　　(3) 應(yīng)用聲發(fā)射參數(shù)預(yù)測(cè)事故與災(zāi)害的理論和方法；
　　(4) 應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行礦山地壓管理的技術(shù)途徑；
　　(5) 監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制。
　　為了使上述問題得到圓滿解決，本文提出了采場(chǎng)冒頂聲發(fā)射臨界值的確定方法，采場(chǎng)冒頂聲發(fā)射灰色系統(tǒng)理論數(shù)值預(yù)測(cè)方法，大范圍礦山地壓災(zāi)害聲發(fā)射灰色系統(tǒng)理論災(zāi)變預(yù)測(cè)方法，并介紹高智能化的監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制。為巖體聲發(fā)射技術(shù)在礦山的全面應(yīng)用奠定了理論和工藝基礎(chǔ)，不僅具有很高的實(shí)用價(jià)值，而且為巖體聲發(fā)射學(xué)術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展拓寬了道路。

2　巖體聲發(fā)射智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究

2.1　整體框圖說明
　　巖體聲發(fā)射智能監(jiān)測(cè)設(shè)備由探頭(傳感器)與主機(jī)MCS8051構(gòu)成，其整體結(jié)構(gòu)見附圖。測(cè)試時(shí)，將探頭置入測(cè)試孔或巖縫中，探頭將感受到的微弱聲能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)放大器放大和程控帶通濾波器濾波后供A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)存入高速緩沖區(qū)內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)字濾波、快速傅立葉變換、波形識(shí)別，并立即判斷出此信號(hào)是否是有用的聲發(fā)射信號(hào)，是則記錄此次事件(包括事件的主頻、最大能量、事件發(fā)生的時(shí)刻)，并將波形存入RAM盤，這樣經(jīng)1 h左右就可得一份所測(cè)采場(chǎng)聲發(fā)射事件的動(dòng)態(tài)變化圖。最后，將RAM盤的資料送至計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)一步分析和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

附圖　巖體聲發(fā)射智能監(jiān)測(cè)設(shè)備整體框圖

2.2　技術(shù)難點(diǎn)及解決途徑
　　現(xiàn)場(chǎng)資料的保存是巖體聲發(fā)射智能監(jiān)測(cè)設(shè)備研制的技術(shù)難點(diǎn)。常規(guī)的資料保存方法是采用軟磁盤、硬盤或磁帶。但由于井下采場(chǎng)條件復(fù)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(shè)計(jì)了一種稱為RAM盤的記錄電路，用半導(dǎo)體作存儲(chǔ)媒介，模擬磁盤操作系統(tǒng)，配備專用的小型操作系統(tǒng)。所記錄的數(shù)據(jù)在關(guān)機(jī)情況下可保存1年以上。這樣就完全解決了軟磁盤、硬盤和磁帶不適用于這一特定環(huán)境下的致命弱點(diǎn)。一般可同時(shí)保存7次或7個(gè)采場(chǎng)的監(jiān)測(cè)資料，存滿后會(huì)自動(dòng)提示。通過本設(shè)備的輸出接口和計(jì)算機(jī)連接，可將所有保存資料傳輸給計(jì)算機(jī)，這樣就可克服RAM盤容量有限的不足，從而滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

3　礦山安全監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)

3.1　評(píng)價(jià)采場(chǎng)巖體穩(wěn)定性的聲發(fā)射參數(shù)
　　理論和實(shí)踐表明，巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)所取的參數(shù)應(yīng)能反映巖體破壞的性質(zhì)及變化速度。因此，選用事件頻率C的增長(zhǎng)率R_c來計(jì)量是比較合理的。所謂聲發(fā)射事件率C是指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射事件數(shù)，而聲發(fā)射事件率的增長(zhǎng)率R_c是指巖體破壞時(shí)聲發(fā)射事件率的相對(duì)增長(zhǎng)量，即R_c=(C₂-C₁)/C₁，式中C₁、C₂分別為巖體破壞前和破壞時(shí)的聲發(fā)射事件率。
3.2　冒頂聲發(fā)射臨界值的確定及冒頂?shù)念A(yù)測(cè)
　　在正常情況下，采場(chǎng)冒頂時(shí)的聲發(fā)射參數(shù)是難以測(cè)到的。本文根據(jù)冒頂前監(jiān)測(cè)到的一聲發(fā)射序列值，建立預(yù)測(cè)模型，對(duì)冒頂時(shí)的聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到臨界值，從而得到采場(chǎng)冒頂時(shí)的聲發(fā)射臨界參數(shù)的變化率，并對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行冒頂預(yù)測(cè)。
3.2.1　灰色理論的預(yù)測(cè)原理
　　為計(jì)算簡(jiǎn)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(shù)，x⁽¹⁾是原始數(shù)據(jù)x⁽⁰⁾的累加生成。即假定x⁽⁰⁾是已存在的一組非負(fù)原始數(shù)據(jù)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(jù)數(shù)據(jù)向量Y_n和數(shù)據(jù)矩陣B：

　　按最小二乘法求解：

　　建立時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，即得一階模型的求解公式：

　　對(duì)時(shí)間響應(yīng)函數(shù)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(yù)測(cè)值的累加生成，尚需還原成預(yù)測(cè)值，其中
　　然后，采用后驗(yàn)差檢驗(yàn)來驗(yàn)證模型的精度。根據(jù)上述理論就可確定聲發(fā)射臨界值。利用該臨界值(冒頂判據(jù)值)，就可以對(duì)其它采場(chǎng)進(jìn)行冒頂預(yù)報(bào)。
3.2.2　采場(chǎng)冒頂預(yù)測(cè)
　　假定對(duì)某一采場(chǎng)頂板進(jìn)行了一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)，由這些監(jiān)測(cè)值建立GM預(yù)測(cè)模型：

其中
　　如果預(yù)測(cè)的第k個(gè)時(shí)刻的R_c值接近于冒頂判據(jù)值，那么，第k個(gè)時(shí)刻是頂板冒落的時(shí)間。這樣，就對(duì)采場(chǎng)頂板的冒落進(jìn)行了比較科學(xué)的預(yù)報(bào)。
3.3　礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)
　　假如某采場(chǎng)有了5次冒頂，在每次冒頂后仍按既定時(shí)間間隔測(cè)試聲發(fā)射參數(shù)。這樣在5次冒頂中，包括預(yù)測(cè)值在內(nèi)共有N個(gè)數(shù)據(jù)組成的原始行為序列：

x⁽⁰⁾=｛x⁽⁰⁾(k)｜k=1,2,3,…N｝

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

x⁽⁰⁾_z=｛x⁽⁰⁾_z(k′)｜x⁽⁰⁾_z(k′)＞＞Z

　　k′相當(dāng)于x⁽⁰⁾_z(k′)=x⁽⁰⁾(k)中的k。
　　相應(yīng)的冒頂時(shí)間構(gòu)成災(zāi)變時(shí)期集：

p=｛k′｜k′滿足x⁽⁰⁾_z(k′)=x⁽⁰⁾(k)｝

　　建立GM模型，就可以準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)下一次頂板冒落的時(shí)間。
　　由于建模和計(jì)算過程用手工很難完成，為此編制了計(jì)算機(jī)程序，全部過程是由計(jì)算機(jī)完成。
3.4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
　　我們對(duì)金川公司二礦區(qū)穩(wěn)定性較差的采場(chǎng)進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，獲得了許多關(guān)于采場(chǎng)的巖體聲發(fā)射資料，為采場(chǎng)的冒頂預(yù)測(cè)提供了大量數(shù)據(jù)。對(duì)1^#采場(chǎng)在其冒頂前共連續(xù)監(jiān)測(cè)了5次，時(shí)間間隔為24 h，該采場(chǎng)于開始監(jiān)測(cè)后的第7天產(chǎn)生了一次小規(guī)模的冒頂，冒頂前監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)及根據(jù)模型所得的預(yù)測(cè)值見表1。冒頂時(shí)相應(yīng)的R_c=7.58，即為冒頂臨界值。

表1　1^#采場(chǎng)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值

序　號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 時(shí)　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(yù)測(cè)值 1.53 4.30 5.68 7.51 9.93 13.1 17.3 　　二礦區(qū)2^#采場(chǎng)與1^#采場(chǎng)具有類似的穩(wěn)定性，稍后對(duì)該采場(chǎng)也進(jìn)行了5次連續(xù)監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔為24 h，監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)及根據(jù)模型所得的預(yù)測(cè)值列于表2。由于冒頂臨界值R_c=7.58，那么，2^#采場(chǎng)冒頂時(shí)聲發(fā)射事件率C₂=15.62，由此可以判斷，將會(huì)在開始監(jiān)測(cè)后的第6天到第7天發(fā)生冒頂，實(shí)際上，于第7天發(fā)生了一次小規(guī)模的冒頂，從而證明上述冒頂技術(shù)是準(zhǔn)確科學(xué)的。

表2　2^#采場(chǎng)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值

序　號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 時(shí)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(yù)測(cè)值 1.82 3.02 4.27 6.03 8.52 12.04 17.02 作者簡(jiǎn)介：張星星，博士生。
作者單位：張星星(中南工業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙　410083)

參考文獻(xiàn)：

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