一种矿山井巷围岩变形实时监测与预警系统的制作方法

本发明涉及矿山安全监测，尤其涉及一种矿山井巷围岩变形实时监测与预警系统。

背景技术：

1、目前，对矿山井巷围岩监测多采用机械/电测法、电子传感器、分布式光纤传感和预警模型等，但依然存在一定的缺陷；

2、机械/电测法依赖人工读数，无法连续监测，且机械传动部件在井下潮湿、粉尘环境下极易卡死；

3、电子传感器抗干扰能力极差，井下爆破产生的强烈冲击波和电磁辐射会导致采集数据出现“尖峰”或“零点漂移”，现有技术通常采用滑动平均滤波，但这种做法会平滑掉真实的突发形变信号，导致漏报；

4、分布式光纤传感成本高昂，且光纤对剪切变形极为敏感易断裂，只能监测线性应变，无法解算围岩深部与浅部的相对离层量；

5、现有的预警模型普遍采用“变形速率阈值法”，其无法区分匀速蠕变与加速蠕变，常在垮塌前几分钟才报警，留不下应急时间，或经常误报，因此，本发明提出一种矿山井巷围岩变形实时监测与预警系统以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提出一种矿山井巷围岩变形实时监测与预警系统，该矿山井巷围岩变形实时监测与预警系统通过物理抗冲和时频分离的双重抗爆机制，显著提升了井下恶劣环境下的数据连续性和可靠性，同时直接输出离层分布云图，能使围岩塑性区扩展范围的判识更加直观精准，且能够在垮塌发生前有效识别出突变信号，实现对加速蠕变阶段的准确判断，使预警逻辑更加精准。

2、为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种矿山井巷围岩变形实时监测与预警系统，包括井下感知模块、中继解算模块和地面预警模块，所述井下感知模块基于同轴双锚头位移传感单元的双锚点实时采集围岩变形过程中的混合响应信号，所述中继解算模块用于接收混合响应信号并从中分离出爆破震动噪声分量和围岩形变分量，所述地面预警模块基于岩石流变本构模型用于根据围岩形变分量反演岩体力学参数的实时劣化趋势，并根据岩体力学参数的劣化趋势而非围岩绝对位移量生成分级预警信号和井巷围岩全断面的离层分布云图。

3、进一步改进在于：所述同轴双锚头位移传感单元设置有多个，双锚点分别为锚固于围岩浅部与深部的两个锚固点，并内置用于抑制爆破震动冲击的物理抗冲击结构，其中物理抗冲击结构为套设于所述同轴双锚头位移传感单元的连接杆外周的磁流变液剪切增稠阻尼器，磁流变液剪切增稠阻尼器在爆破震动产生的高频冲击作用下发生剪切增稠效应而瞬间固化，阻断高频冲击波能量向传感单元内部应变敏感元件的传递，并在爆破震动衰减后恢复为低粘度流体状态。

4、进一步改进在于：所述同轴双锚头位移传感单元的连接杆由镍钛记忆合金丝制成，所述浅部锚固点与深部锚固点之间通过镍钛记忆合金丝串联连接，所述镍钛记忆合金丝用于在围岩发生离层变形时产生线性拉伸变形，并利用其超弹性特性在冲击载荷下吸收部分冲击能量。

5、进一步改进在于：所述同轴双锚头位移传感单元还内置有mems惯性测量单元和温度补偿应变片，mems惯性测量单元用于同步采集围岩变形过程中的三轴冲击加速度信号，由中继解算模块将三轴冲击加速度信号作为时频分解处理中的噪声特征标识参量，用于辅助辨识爆破震动噪声分量；温度补偿应变片用于根据电阻变化量以计算实时环境温度漂移值，并根据实时环境温度漂移值对围岩形变分量进行温度漂移误差修正。

6、进一步改进在于：所述中继解算模块在接收混合响应信号后，对混合响应信号执行时频分解与噪声分量辨识处理来获取爆破震动噪声分量和围岩形变分量；其中混合响应信号执行时频分解与噪声分量辨识处理的具体方法为：

7、s1、采用改进型集合经验模态分解算法将混合响应信号分解为多个本征模态函数分量；

8、s2、计算每个本征模态函数分量的中心频率和样本熵；

9、s3、根据中心频率和样本熵对每个本征模态函数分量进行分类，将满足中心频率高于预设频率阈值且样本熵高于预设熵阈值的本征模态函数分量标记为爆破震动噪声分量，其余本征模态函数分量标记为有效变形分量；

10、s4、将所有有效变形分量进行线性重构，得到围岩形变分量。

11、进一步改进在于：所述s1中本征模态函数分量分解之前还进行预处理，具体是根据mems惯性测量单元采集的三轴冲击加速度信号的幅值判断当前采样时刻是否处于爆破震动持续时段内；若处于爆破震动持续时段内，则对混合响应信号施加汉宁窗进行截断处理，并在分解完成后对截断段的分解结果进行重叠保留拼接。

12、进一步改进在于：所述岩石流变本构模型为由胡克弹性体、开尔文粘弹性体和理想粘塑性体串联构成的西原蠕变模型，其根据围岩形变分量在线反演黏滞系数、弹性模量和长期强度参数。

13、进一步改进在于：所述反演岩体力学参数的实时劣化趋势具体方法为：

14、s1、以当前时刻之前的预设时间窗口内的围岩形变分量序列作为输入，采用粒子群-最小二乘混合优化算法对岩石流变本构模型的模型参数进行在线拟合，输出当前时刻的黏滞系数估计值和弹性模量估计值；

15、s2、将当前时刻的黏滞系数估计值与上一时刻的黏滞系数估计值进行比较，计算黏滞系数的实时衰减速率；

16、s3、计算围岩形变分量对时间的一阶导数得到变形速率、对时间的二阶导数得到变形加速度以及对时间的三阶导数得到变形加加速度。

17、进一步改进在于：所述分级预警信号包括黄色预警和红色预警，具体划分包括：

18、当黏滞系数的实时衰减速率在连续三个采样周期内均超过预设速率阈值时，生成并输出黄色预警信号；

19、当黏滞系数的实时衰减速率超过预设速率阈值，并且黏滞系数的当前估计值下降至初始黏滞系数值的预设百分比阈值以下时，生成并输出红色预警信号；

20、当黏滞系数的当前估计值下降至初始黏滞系数值的预设百分比阈值以下，并且变形加速度出现非零正值突变时，生成并输出红色预警信号，用于指示围岩已进入失稳加速蠕变阶段并触发紧急撤离指令。

21、进一步改进在于：所述井巷围岩全断面的离层分布云图的生成具体是根据同轴双锚头位移传感单元的双锚点位移值的差值，计算每个测点处的围岩离层量，并根据全部测点的围岩离层量生成井巷围岩全断面的离层分布云图以辅助判别围岩塑性区的扩展范围。

22、本发明的有益效果为：本发明通过物理抗冲和时频分离的双重抗爆机制，能够从根本上解决爆破震动导致监测数据跳变、断链的问题，显著提升了井下恶劣环境下的数据连续性和可靠性；

23、同时能够直接输出井巷围岩全断面的离层分布云图，突破了传统点式监测的空间盲区局限，使围岩塑性区扩展范围的判识更加直观精准；

24、基于岩石流变本构模型在线反演黏滞系数等力学本构参数的实时劣化趋势，从物理本质上捕捉围岩由匀速蠕变向加速蠕变转化的失稳前兆特征，能够在垮塌发生前有效识别出突变信号，实现对加速蠕变阶段的准确判断，使预警逻辑具备明确的物理意义，有效克服了传统阈值法易误报、漏报且有效预警时间不足的技术缺陷，为矿山井巷围岩失稳风险的主动感知和人员安全撤离提供了可靠的技术支撑。