曹 野

(中國(guó)黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司)

金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系

曹 野

(中國(guó)黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司)

針對(duì)礦山巷道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)診斷預(yù)警系統(tǒng)功能弱，系統(tǒng)不完善的難題，通過(guò)將基于小波能量理論所建立的爆破震動(dòng)去噪方法、圍巖類(lèi)別判定指標(biāo)、爆破震動(dòng)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)集成，形成可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的金屬礦山巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警體系。金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)優(yōu)化、監(jiān)測(cè)信號(hào)去噪、信號(hào)頻域能量分析、巷道圍巖類(lèi)別確定、巷道圍巖安全判別、巷道圍巖安全預(yù)警等模塊內(nèi)容。該體系的最大特點(diǎn)是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行診斷分析，并依據(jù)所積累的數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行比對(duì)，最終得出診斷結(jié)論并給出相應(yīng)的工程措施，該體系的建立為提高金屬礦山安全監(jiān)測(cè)技術(shù)水平奠定了基礎(chǔ)。

金屬礦山 巷道圍巖 安全 小波理論 監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外重要的大型工程結(jié)構(gòu)，如大型橋梁、大壩、重要建筑結(jié)構(gòu)等，大多設(shè)置了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-2]。然而，目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)僅對(duì)目標(biāo)物理量進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，缺乏有效的損傷診斷與安全評(píng)估能力[3]，尤其針對(duì)礦山巷道安全的安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警系統(tǒng)就更加缺乏，巖體介質(zhì)特性的離散型決定了礦山巷道本身的地質(zhì)條件以及所處的環(huán)境條件較為復(fù)雜，國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)此提出了具體的要求，例如要求建設(shè)礦山井下安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)和“數(shù)字礦山”。因此，本研究將在監(jiān)測(cè)、診斷技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，建立以爆破震動(dòng)安全診斷為核心的巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系，并對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系以及程序框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，為完善“數(shù)字礦山建設(shè)”奠定基礎(chǔ)。

1 金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系

1.1 體系總構(gòu)成及主要功能

金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系由目標(biāo)監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理與診斷、損傷預(yù)警、信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶(hù)使用等5個(gè)子系統(tǒng)組成，體系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

該體系通過(guò)在礦山的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位布置各類(lèi)傳感器，將目標(biāo)的應(yīng)力、變形、速度、加速度、環(huán)境參數(shù)等信號(hào)采集至信號(hào)解調(diào)儀，進(jìn)行解調(diào)、放大；然后通過(guò)沿巷道布置的分布式光纖通信傳輸系統(tǒng)，送入基于小波分析的信號(hào)處理與診斷子系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中將各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析；進(jìn)而將分析結(jié)果與信號(hào)樣本子系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)計(jì)的安全判據(jù)以及樣本庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，再根據(jù)比對(duì)結(jié)果自動(dòng)給出預(yù)警信號(hào)和相應(yīng)的工程處理措施；最后送至用戶(hù)使用子系統(tǒng)供工程人員使用，同時(shí)所采集的數(shù)據(jù)、分析的結(jié)果均會(huì)被記錄在樣本庫(kù)中作為下一次分析的參考依據(jù)?？紤]到技術(shù)發(fā)展的需求，體系應(yīng)具有較好的可擴(kuò)展性，以保證體系的發(fā)展，豐富“數(shù)字礦山”的功能，體系主體采用光纖環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，保障體系運(yùn)行的精度及效率。

圖1 金屬礦山頂巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系網(wǎng)絡(luò)

1.2 巷道圍巖目標(biāo)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

巷道圍巖目標(biāo)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要包括傳感器、信號(hào)采集和信號(hào)傳輸?shù)茸酉到y(tǒng)。目標(biāo)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要對(duì)金屬礦山主要區(qū)域，例如：巷道、泵房、休息區(qū)域、會(huì)議辦公、井下炸藥庫(kù)、變電所、卷?yè)P(yáng)、罐籠出入口等的幾何狀態(tài)、靜動(dòng)力響應(yīng)、環(huán)境條件等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：巷道圍巖的靜、動(dòng)力響應(yīng)、重點(diǎn)環(huán)境狀態(tài)、一般環(huán)境狀態(tài)等，具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表1所示。

表1 目標(biāo)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

(1)傳感器子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)需綜合考慮監(jiān)測(cè)目標(biāo)的重要性、數(shù)據(jù)采樣頻率、傳感器覆蓋范圍、易損性以及經(jīng)濟(jì)性等方面因素。傳感器子系統(tǒng)針對(duì)不同監(jiān)測(cè)目標(biāo)設(shè)計(jì)為多目標(biāo)分級(jí)監(jiān)測(cè)方案，如表2所示。

表2 多目標(biāo)分級(jí)監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)目標(biāo)采用等級(jí)不同的監(jiān)測(cè)周期。監(jiān)測(cè)等級(jí)A主要針對(duì)巷道圍巖的靜、動(dòng)力響應(yīng)目標(biāo)，包括巷道圍巖在靜載和動(dòng)載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及震動(dòng)響應(yīng)等內(nèi)容，采取最高級(jí)別的實(shí)時(shí)在線(xiàn)不間斷監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)不同傳感器性能設(shè)定不同的采樣頻率，直接傳輸監(jiān)測(cè)信號(hào)；監(jiān)測(cè)等級(jí)B主要針對(duì)重點(diǎn)環(huán)境狀態(tài)，主要包括直接影響安全的目標(biāo)(有毒氣體濃度)和影響其他監(jiān)測(cè)信號(hào)處理精度的目標(biāo)(噪聲強(qiáng)度)，采取常規(guī)監(jiān)測(cè)，每小時(shí)監(jiān)測(cè)1次；監(jiān)測(cè)等級(jí)C主要針對(duì)一般環(huán)境狀態(tài)，包括巷道內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速等，采取每天2～3次的定期監(jiān)測(cè)。

傳感器子系統(tǒng)由多種針對(duì)不同目標(biāo)監(jiān)測(cè)的傳感器組成：加速度光纖光柵錨桿、溫度光纖光柵錨桿、應(yīng)變光纖光柵錨桿、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速儀、應(yīng)力計(jì)、一氧化碳傳感器、粉塵檢測(cè)儀、聲級(jí)儀等等。其中裸光纖光柵被封裝至錨桿內(nèi)組成各類(lèi)光纖光柵錨桿，安裝在巖體內(nèi)部對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)信號(hào)采集子系統(tǒng)[4]。主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、量化、存儲(chǔ)、以及初步分析處理，然后將轉(zhuǎn)換后信號(hào)傳輸至信號(hào)診斷與處理子系統(tǒng)。主要包括信號(hào)解調(diào)儀、讀數(shù)儀、信號(hào)采集軟件等。

本系統(tǒng)主要采用的是光纖光柵傳感技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)震動(dòng)信號(hào)，采用的配套儀器為光纖光柵解調(diào)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀SM130。

光纖光柵解調(diào)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀SM130具有四通道(可擴(kuò)展)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)傳感器，適合于應(yīng)變、溫度、加速度等多種測(cè)量；最大采樣頻率500 Hz，分辨率小于1×10-12m，可重復(fù)性2×10-12m；且內(nèi)置以太網(wǎng)接口便于直接連接電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。光纖光柵錨桿直接監(jiān)測(cè)得到的為波長(zhǎng)信號(hào)，波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入光柵解調(diào)儀中，通過(guò)信號(hào)采集軟件Enlight進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)波長(zhǎng)與溫度、應(yīng)變、加速度等物理量之間的定量關(guān)系轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)輸入。

除此之外，針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)信號(hào)，采用不同的信號(hào)解調(diào)方式，構(gòu)成不同的信號(hào)解調(diào)和讀數(shù)儀，同時(shí)光纖光柵錨桿的監(jiān)測(cè)目標(biāo)及分析結(jié)果，均可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制(采樣頻率、初始值調(diào)零等)，通過(guò)解調(diào)儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的、初步的信號(hào)處理。

(3)信號(hào)傳輸子系統(tǒng)。是指金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系中五大子系統(tǒng)之間的信號(hào)通信、傳輸、聯(lián)接系統(tǒng)。信號(hào)傳輸子系統(tǒng)通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成的礦山以太網(wǎng)和信號(hào)采集軟件組成。信號(hào)采集的網(wǎng)絡(luò)采用常用的TCP/IP準(zhǔn)則，以便于與其他TCP/IP設(shè)備(計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等)進(jìn)行協(xié)調(diào)和通信。信號(hào)傳輸子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)識(shí)別、信號(hào)奇異性識(shí)別、系統(tǒng)功能異常報(bào)警以及自診斷等功能。同時(shí)，信號(hào)傳輸子系統(tǒng)需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性能，且擴(kuò)展升級(jí)過(guò)程中不能中斷系統(tǒng)運(yùn)行；信號(hào)傳輸子系統(tǒng)設(shè)備選擇需考慮使用環(huán)境因素，因?yàn)榻饘俚V山井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，通常面臨高溫度、高濕度以及粉塵濃度大等環(huán)境條件，系統(tǒng)設(shè)備需具有較高的環(huán)境適應(yīng)性。

2 體系的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系的最核心功能是根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)分析出巷道圍巖的安全狀態(tài)，識(shí)別出可能出現(xiàn)的損傷位置和損傷程度，并在此基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的工程措施。

2.1 體系總體設(shè)計(jì)

巷道圍巖安全狀態(tài)的監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警過(guò)程涉及到系統(tǒng)識(shí)別、震動(dòng)理論、震動(dòng)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)采集與分析等多學(xué)科技術(shù)，其中基于震動(dòng)測(cè)試的巷道圍巖損傷識(shí)別方法是針對(duì)巷道圍巖在爆破震動(dòng)荷載作用下穩(wěn)定性判別的一種實(shí)用性較高的方法，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的分析處理，得到包含巷道圍巖響應(yīng)信息的判別指標(biāo)，然后結(jié)合安全判據(jù)與信號(hào)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖安全狀態(tài)的診斷，最終給出預(yù)警信息。如圖2所示。

圖2 金屬礦山頂巷道圍巖監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系總體設(shè)計(jì)

(1)信號(hào)解調(diào)。巷道圍巖的爆破震動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖光柵錨桿，以波長(zhǎng)信號(hào)的形式進(jìn)入光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀，然后在Enlight信號(hào)采集軟件中進(jìn)行解調(diào)轉(zhuǎn)換為爆破震動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)。

(2)信號(hào)預(yù)處理。經(jīng)過(guò)解調(diào)的加速度響應(yīng)信號(hào)中存在較多的噪聲成分，包括環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲等，噪聲的存在對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理效果有較大影響，因此在信號(hào)分析之前結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)噪聲級(jí)別進(jìn)行去噪處理，去噪后的加速度響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)積分變換及基線(xiàn)校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)。

(3)信號(hào)診斷分析。利用小波分解方法將去噪后的速度信號(hào)進(jìn)行分解，并結(jié)合基本參數(shù)得到爆破震動(dòng)信號(hào)的主頻范圍；然后基于小波能量理論得到爆破震動(dòng)信號(hào)的頻域能量分布，進(jìn)而計(jì)算巷道安全判別指標(biāo)和巷道圍巖類(lèi)別判定指標(biāo)；最后通過(guò)安全判據(jù)進(jìn)行診斷。

(4)信號(hào)預(yù)警。將通過(guò)診斷分析得到的結(jié)果與信號(hào)樣本數(shù)據(jù)中的記錄以及通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如果無(wú)明顯差異，則輸出診斷結(jié)果，并給出相應(yīng)的工程措施，并將本次分析結(jié)果備份。如與樣本數(shù)據(jù)中的記錄和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果有明顯差異，說(shuō)明兩者存在錯(cuò)誤診斷信息，則循環(huán)至信號(hào)分解環(huán)節(jié)，調(diào)整參數(shù)再次進(jìn)行信號(hào)分析診斷。

以上4個(gè)步驟中，第1步信號(hào)解調(diào)在目標(biāo)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的Enlight信號(hào)采集軟件中完成，第2、3、4步在擁有小波分解和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模塊，且具有開(kāi)放編程功能的Matlab軟件中完成，其中第2、3步為整個(gè)金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系的核心部分。

2.2 體系程序框架設(shè)計(jì)

如前所述，金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系的診斷和預(yù)警兩架構(gòu)分別設(shè)置于信號(hào)處理與分析子系統(tǒng)和損傷預(yù)警子系統(tǒng)內(nèi)，為了協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，均采用Matlab[5]語(yǔ)言進(jìn)行程序化設(shè)計(jì)。

(1)基于小波變換的信號(hào)預(yù)處理程序框架設(shè)計(jì)?；谛〔ㄗ儞Q的信號(hào)去噪方法基本步驟包括[6]：選擇小波基函數(shù)和小波分解層次、選擇閾值量化估計(jì)準(zhǔn)則、重構(gòu)信號(hào)，其主要程序框架如圖3所示。

圖3 基于小波變換的信號(hào)去噪程序框架

基于小波變換的信號(hào)去噪程序中核心部分為閾值估計(jì)規(guī)則的選擇，主要根據(jù)聲級(jí)儀監(jiān)測(cè)到的環(huán)境噪聲級(jí)別以及樣本數(shù)據(jù)中同一區(qū)域以往的噪聲水平確定。另外，針對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)建議使用db4～db7進(jìn)行小波包分解。

(2)基于小波能量理論的信號(hào)分析與處理程序框架設(shè)計(jì)。基于小波能量理論的信號(hào)分析與處理程序[6-7]主要通過(guò)對(duì)預(yù)處理后的巷道圍巖響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行小波分解，得到信號(hào)頻域內(nèi)能量分布規(guī)律，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算小波能量譜確定巷道圍巖類(lèi)別，同時(shí)根據(jù)時(shí)間能量密度函數(shù)計(jì)算巷道圍巖安全判別指標(biāo)TEDI值，最終與安全判據(jù)進(jìn)行比對(duì)確定巷道圍巖的安全狀態(tài)，主要程序框架設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 基于小波能量理論的信號(hào)分析與處理程序框架

基于小波能量理論的信號(hào)分析與處理程序的核心是計(jì)算小波能量譜ERVD值以及計(jì)算TEDI值，通過(guò)ERVD值可以確定巷道圍巖類(lèi)別，結(jié)合TEDI值可評(píng)估巷道圍巖的安全狀態(tài)。

(3)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)程序框架設(shè)計(jì)?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)程序主要功能是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)信號(hào)分析與處理子系統(tǒng)中信號(hào)的基本信息(震速峰值、震動(dòng)主頻、震動(dòng)持時(shí)、巷道圍巖類(lèi)別等)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到巷道圍巖安全判別指標(biāo)TEDI值，進(jìn)而與信號(hào)分析與處理子系統(tǒng)計(jì)算所得TEDI進(jìn)行比對(duì)，為巷道圍巖安全狀態(tài)判別提供輔助。如圖5所示。

圖5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)程序框架

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)程序在框架上比基于小波能量理論的信號(hào)分析與處理程序簡(jiǎn)單，因?yàn)槠渲饕鶕?jù)訓(xùn)練樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，一旦網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成，僅需要輸入簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)樣本向量(信號(hào)的主要信息)即可進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算時(shí)間短。但是其預(yù)測(cè)精度不可控，主要依賴(lài)于訓(xùn)練樣本的規(guī)律性。因此,在信號(hào)樣本數(shù)據(jù)量較小時(shí)，其預(yù)測(cè)精度較低，隨著樣本數(shù)據(jù)中信號(hào)數(shù)據(jù)增多，其預(yù)測(cè)精度逐漸增高。

2.3 信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系的實(shí)時(shí)性要求較高，分析數(shù)據(jù)量十分龐大，因此需要設(shè)計(jì)高效、豐富的信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，以保證監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警信號(hào)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與處理，并便于數(shù)據(jù)的提取、分析和再存儲(chǔ)，同時(shí)應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的采樣規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化。目前國(guó)內(nèi)外通行的震動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范為MIMOSA[8-9](Machinery Information Management Open System Alliance)，其具有較強(qiáng)的信號(hào)樣本數(shù)據(jù)輸入、輸出的能力。因此，基于MIMOSA中的VIBCORE標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行金屬礦山巷道圍巖監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系的信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本數(shù)據(jù)如表3所示。

考慮到用戶(hù)操作系統(tǒng)(Windows)的便利及實(shí)用性，選定Microsoft SQL Server 2000作為信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)格式。整個(gè)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)的信號(hào)數(shù)據(jù)輸出方式包括：表格輸出、圖形輸出、曲線(xiàn)輸出等，便于不同工程人員的使用。

表3 信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)的基本數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)庫(kù)中Orig_Signal、De-noising_Signal、Processing_Data、BPNN_Data、Criterion_Data、Alarm_Data、History_Data為核心儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，其包含了信號(hào)從監(jiān)測(cè)到分析處理再到發(fā)出預(yù)警指令的所有過(guò)程數(shù)據(jù)。在實(shí)際工程中某一特定掘進(jìn)面每天的爆破次數(shù)一般為3次，并不需要在24 h內(nèi)采取同樣的數(shù)據(jù)采集方案，對(duì)數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行優(yōu)化可減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，提高數(shù)據(jù)分析效率。爆破作業(yè)一般在每一班掘進(jìn)作業(yè)臨近結(jié)束時(shí)進(jìn)行，爆破作業(yè)前后為巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)時(shí)段。因此，放炮前0.5 h至放炮后1 h采取最密集監(jiān)測(cè)，即采樣頻率500 Hz，單個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)1 s，監(jiān)測(cè)間隔為0 s(1 h監(jiān)測(cè)3 600個(gè)信號(hào))；而其余時(shí)段采樣頻率降低為300 Hz，監(jiān)測(cè)間隔增大為5 s。這樣，單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 d時(shí)間內(nèi)從監(jiān)測(cè)到預(yù)警全過(guò)程的數(shù)據(jù)量大約為224 MB;而如果采用相同數(shù)據(jù)采集方案，數(shù)據(jù)量為588 MB，優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案后數(shù)據(jù)量減小61.9%。優(yōu)化后巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警功能每年所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約250 TB，而整個(gè)體系產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約0.8 PB，因此數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)服務(wù)器應(yīng)選擇存儲(chǔ)容量在5 PB左右的存儲(chǔ)系統(tǒng)，例如HP StorageWorks ESLE系列磁帶庫(kù)，其最大存儲(chǔ)容量為5.67 PB，最大數(shù)據(jù)傳輸率為38 TB/h。

3 預(yù)警方案設(shè)計(jì)

當(dāng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)信號(hào)通過(guò)信號(hào)分析與處理子系統(tǒng)的計(jì)算分析后得到巷道圍巖類(lèi)別的判別值ERVD和巷道圍巖安全判別指標(biāo)TEDI，兩者結(jié)合可判別巷道圍巖的安全狀態(tài)，診斷結(jié)果進(jìn)入損傷預(yù)警子系統(tǒng)，損傷預(yù)警子系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警指令，分為3階段預(yù)警方案，預(yù)警方案程序框架如圖6所示。

圖6 預(yù)警方案程序框架

第1階段預(yù)警包括在目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的燈光預(yù)警、聲音預(yù)警，其主要目的是向在場(chǎng)工程人員發(fā)出安全預(yù)警提示。當(dāng)TEDI值處于安全范圍時(shí)，井下巷道中分布的預(yù)警燈顯示為綠色，表示巷道圍巖安全；當(dāng)TEDI值增大達(dá)到局部破壞范圍時(shí)，預(yù)警燈顯示為黃色，表示巷道圍巖局部發(fā)生失穩(wěn)破壞，同時(shí)有短促有間斷的聲音預(yù)警，提示工程人員注意；當(dāng)TEDI值達(dá)到破壞范圍時(shí)，預(yù)警燈顯示為紅色，表示巷道圍巖發(fā)生整體破壞，同時(shí)伴有尖銳無(wú)間斷的聲音預(yù)警，提示工程人員及時(shí)撤離。

第2階段預(yù)警為井下相應(yīng)中段監(jiān)控室預(yù)警，主要目的是提示中段管理人員發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)急指令、指揮在場(chǎng)人員撤離、了解現(xiàn)場(chǎng)具體情況等。

第3階段預(yù)警為向井上綜合監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警信息，以便礦區(qū)管理人員及時(shí)了解情況，制定相關(guān)工程措施[10-11](見(jiàn)表4)，進(jìn)行宏觀(guān)指揮。

4 結(jié) 論

(1)金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系由目標(biāo)監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理與診斷、損傷預(yù)警、信號(hào)樣本數(shù)據(jù)、用戶(hù)使用等5個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)相互獨(dú)立又相互連接，可實(shí)現(xiàn)從信號(hào)監(jiān)測(cè)，到信號(hào)分析與處理，最終得到預(yù)警信息的全過(guò)程。

(2)基于MIMOSA中的VIBCORE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信號(hào)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包含了從巷道圍巖基本信息、傳感器信息、監(jiān)測(cè)所得原始信號(hào)、分析處理的過(guò)程信號(hào)、環(huán)境狀態(tài)信息以及預(yù)警信息等全過(guò)程所有數(shù)據(jù)信號(hào)；同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)海量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)方案進(jìn)行了優(yōu)化，有效地降低了存儲(chǔ)設(shè)備的成本,并提高了數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行的速度，為保障金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測(cè)診斷預(yù)警體系的高效、準(zhǔn)確運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

(3)結(jié)合巷道圍巖自穩(wěn)能力及安全判據(jù)設(shè)計(jì)制定3階段預(yù)警方案，根據(jù)信號(hào)分析與處理結(jié)果分別對(duì)井下工程人員、中段監(jiān)控室管理人員以及井上監(jiān)控中心管理人員發(fā)出預(yù)警信息，便于相關(guān)人員根據(jù)預(yù)警信息采取相應(yīng)的工程措施。

表4 巷道圍巖不同安全狀態(tài)對(duì)應(yīng)工程支護(hù)措施

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Safety Monitoring，Diagnosis and Early Warning System of Surrounding Rocks of Metal Mine

Cao Ye

(ChinaNationalGoldEngineeringCorporation，Beijing100083，China)

Aiming at the problem of the mine laneway monitoring system diagnosis and early warning function is weak,inperfect system,the de-noising method of blasting vibration，the determination of surrounding rock categories，and the evaluation index of blasting vibration effect based on the wavelet energy theory are integrated to form a long-term real-time monitoring，diagnosis and early warning system to supervise the safety of surrounding rocks for metal mine.The system consists of such modules as optimization of monitoring points，de-noising of monitoring signal，analysis of signal frequency-domain energy，determination of surrounding rocks categories，safety discrimination of surrounding rocks，and safety pre-warning of surrounding rocks.The largest function of this system is that it can make the diagnostic analysis on the real-time signals and contract with the accumulated database files to draw the final diagnosis conclusion and then the related engineering measures are given.The system provides a foundation for improving the technical level of safety supervision for metal mines.

Metal mine，Surrounding rock，Safety，Wavelet theory，Monitoring，diagnosis and early warning system

2014-05-22

曹 野(1988—)，男，工程師，博士。

TU457

A

1001-1250(2014)-09-126-06