[發明專利]一種基于聲音信號頻譜分析的應變型巖爆預警方法

在審

• 申請號: 201610027006.7
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105676267A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 蘇國韶;石焱炯;李燕芳;蔣劍青;江權;莫金海;陳智勇
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: G01V1/00
• 分類號: G01V1/00;G10L25/51
• 代理公司: 廣西南寧公平專利事務所有限責任公司 45104
• 代理人: 覃現凱

技術領域

本發明涉及一種基于聲音信號頻譜分析的應變型巖爆預警方法，具體地說，涉及對巖爆孕育過程所發出人耳可識別的聲音信號進行頻譜分析，并將其作為判別是否存在發生巖爆的可能以及巖爆即將發生的前兆信息，屬于巖石力學與工程技術領域。

背景技術

當前，隨著地下工程向深部拓展，巖爆問題日益突出。巖爆是堅硬巖石在高地應力狀態下，由開挖卸荷引起的圍巖動力破壞現象，與一般靜態脆性破壞現象不同，巖爆的顯著特征在于彈射破裂現象的發生。而應變型巖爆特指在高地應力地區，由于開挖卸荷形成臨空面，圍巖切向應力逐漸增大，當切向應力超過圍巖承載能力后，發生巖體剝離、崩出乃至彈射破裂等現象。由于巖爆災害的突發性，可能導致人員的傷亡、施工設備的損毀、工期的拖延等災難性后果。因此，如何對巖爆進行科學有效、且能夠應用與工程實際的預警，是世界性的難題。

在巖爆預警領域中，國內外專家、學者采用理論分析、數值計算、物理試驗等方法做了大量的研究工作，雖然取得了一定進展，但是由于巖爆發生機制高度復雜，所提出的巖爆預警方法缺乏普適性、且預警效果不佳，尚不能完全滿足工程實踐要求。目前，在巖爆預警研究方面，基于聲發射與微震技術的預警技術最受人們關注，應用最為廣泛，且取得了一定的效果。其原理都是通過探頭監測巖石開裂引起的震動，進而對巖爆的發生進行預警。因此，微震和聲發射都屬于接觸式的監測手段，即信號監測探頭必須與巖體有良好的接觸，且現場施工引起的震動對監測結果也存在較大影響。同時，由于信號強度隨聲源距離的增加迅速衰減，為了保證監測數據的準確性，其傳感器往往布置在臨近巖爆區域的圍巖上，因此，對人員、設備存在一定安全隱患。此外，用于巖爆預警的微震設備和聲發射設備還存在價格昂貴、使用人員技術要求高等問題。

工程實踐表明，巖爆破壞過程中不僅伴隨著高頻的聲發射信號(≥10000Hz)和低頻的微震信號(≤100Hz)，往往還存在人耳能夠聽到的聲音信號(20Hz～20000Hz)。以往的研究成果、我國現行的多個工程地質勘察規范，僅籠統的將人對巖爆過程中的聲音大小作為巖爆等級的判別依據，忽略了聲音信號在巖爆預警中的作用。實際上，巖爆從最初的孕育到最終的發生，會依次發生多種破壞，不同的破壞伴隨著不同特征的聲音信號，不同的聲音信號存在著不同的頻譜特征，聲音信號能夠在空氣中遠距離傳播，十分便于接收與采集。鑒于聲音信號是一種能夠間接反映巖爆過程的有效信息，本發明提出一種基于聲音信號頻譜分析的應變型巖爆預警方法：利用聲音信號預警系統對巖爆孕育過程中的聲音信號進行實時監測、記錄、降噪、頻譜分析、預警。本發明對深部地下工程開挖施工中預警應變型巖爆災害具有一定的指導意義。

發明內容

本發明的目的在于，針對巖爆現象的巨大危害性以及現有的基于聲發射和微震技術的預警方法上的缺陷，提出一種基于聲音信號頻譜分析的應變型巖爆預警方法，使得操作簡便安全，更使巖爆預警方法更完善，巖爆預警更準確。

本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

一種基于聲音信號頻譜分析的應變型巖爆預警方法，包括以下步驟：

(1)利用聲音信號采集設備實時采集應變型巖爆破壞過程中的聲音信號，利用聲音信號傳輸系統將采集到的聲音信號傳輸到聲音信號處理系統，聲音信號處理系統對采集到的聲音信號進行實時記錄和分析；

(2)聲音信號處理系統先對采集到的聲音信號進行降噪處理去除環境噪聲的影響，再實時對降噪后的聲音信號進行頻譜分析，獲得聲音信號的幅值譜圖；

(3)通過分析聲音信號的頻譜特征判斷是否存在應變型巖爆的發展趨勢，

若隨時間發展，聲音信號的幅值譜圖出現“主頻值呈高頻向低頻遷移、頻譜形狀呈多峰到單峰的交替變換”的整體變化規律，則預示巖體存在應變型巖爆破壞發展趨勢，否則，預示巖體存在靜態脆性破壞的發展趨勢；

(4)當聲音信號處理系統判定巖體存在應變型巖爆破壞發展趨勢后，繼續對聲音信號進行實時監測分析，若監測到聲音信號的幅值譜圖隨后出現“寬頻、低幅和多峰形態”的聲音信號，則預示著有極大可能會發生應變型巖爆災害，聲音信號處理系統將會在服務器終端以發出高分貝聲音或變化屏幕圖形的形式進行報警。

所述聲音信號為人耳能聽到的聲音信號，其頻率范圍為20～20000Hz。

步驟(1)中，聲音信號采集設備為傳聲器、數字錄音筆或其他具有實時聲音信號采集功能的設備。

步驟(1)中，聲音信號傳輸系統包括有線或無線傳輸設備。

步驟(2)中，對降噪后的聲音信號的頻譜分析具體為：