一种钻爆法高地应力岩爆智能预警防控系统的制作方法

本发明涉及隧道工程灾害监测防控，具体为一种钻爆法高地应力岩爆智能预警防控系统。

背景技术：

1、现有深部隧道钻爆法施工监测系统分别独立采集凿岩机械参数与微震波形信号。现有系统缺乏多模态传感数据融合机制，无法根据机械参数与隧道环境噪声数据自动识别隧道施工阶段，导致系统底层的运算处理逻辑无法同步切换。现有系统在处理微震波形信号时依赖固定的弹性波传播速度矩阵，未结合钻进比能关联的单轴抗压强度进行波速矩阵节点数据的动态更新，同时未考虑爆破施工造成的损伤波速折减情况。静态波速模型使得微震事件的三维空间定位偏离真实坐标，降低微震事件聚集区域三维空间坐标的判定准确度。

2、现有预警防控手段缺乏对注水卸压操作结果的空间量化评估环节。进行高压注水操作后，现有系统无法建立实际卸压波及体积与危险聚集体积的空间交集计算模型，无法量化输出危险区域覆盖率。现有系统缺少利用实际发生钻进比能与初始预估钻进比能的残差对注水压力进行反向调整的机制，无法调用底层惩罚因子对空间插值算法执行迭代修正，导致现场防控参数处于单向输出状态，遗留岩爆危险盲区。

3、因此，本发明提出一种钻爆法高地应力岩爆智能预警防控系统，来解决现有技术的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种钻爆法高地应力岩爆智能预警防控系统，解决了现有监测系统无法融合多模态传感数据识别施工阶段导致底层运算逻辑无法自动切换、依赖静态波速矩阵导致微震事件三维空间定位偏离物理坐标，以及缺乏卸压空间量化评估和比能残差反馈机制导致防控参数无法闭环自修正的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种钻爆法高地应力岩爆智能预警防控系统，包括预警系统、凿岩台车、微震系统和高压注水设备；预警系统分别与凿岩台车、微震系统和高压注水设备建立双向数据通信链路；凿岩台车设置有数据总线和空间定位单元，凿岩台车通过数据总线把作业机械参数传输至预警系统，凿岩台车利用空间定位单元获取钻具三维空间坐标并将钻具三维空间坐标发送至预警系统。微震系统设置有检波器阵列，微震系统利用检波器阵列采集隧道环境噪声数据和微震事件波形信号，微震系统把隧道环境噪声数据和微震事件波形信号传输至预警系统。高压注水设备内部设置有变频控制器和压力流量传感模块，高压注水设备通过变频控制器接收预警系统下发的补孔注水三维坐标建议指令和二次补注水控制指令，高压注水设备利用压力流量传感模块实时监测管路压力跌落斜率和累积注水量并将管路压力跌落斜率和累积注水量反馈至预警系统。

4、预警系统内部设置有计算模块和存储模块，存储模块预先存有隐马尔可夫模型、岩体力学映射表和弹性波传播速度三维矩阵。预警系统利用计算模块读取凿岩台车发送的作业机械参数、微震系统传输的隧道环境噪声数据和微震事件波形信号以及高压注水设备反馈的数据；预警系统把作业机械参数和隧道环境噪声数据输入隐马尔可夫模型，隐马尔可夫模型输出隧道施工实时阶段。

5、当隧道施工实时阶段处于钻孔阶段时预警系统提取作业机械参数并计算生成钻进比能，预警系统把钻进比能输入岩体力学映射表，岩体力学映射表输出单轴抗压强度分布序列，预警系统利用单轴抗压强度分布序列更新弹性波传播速度三维矩阵。当隧道施工实时阶段处于爆破后重分布阶段时预警系统调用更新后的弹性波传播速度三维矩阵对微震事件波形信号执行三维空间定位运算，预警系统生成高地应力岩爆预警信号，预警系统在三维空间模型内标记微震事件聚集区域并把微震事件聚集区域定义为危险聚集体积。预警系统监测高压注水设备反馈的数据并捕捉伴随注水操作产生的高频水力压裂声发射事件，预警系统计算高频水力压裂声发射事件构成的包络三维空间并把包络三维空间定义为实际卸压波及体积，预警系统调用危险聚集体积和实际卸压波及体积计算输出危险区域覆盖率，预警系统根据危险区域覆盖率向高压注水设备下发指令并提取生成交集区域。预警系统持续监听隧道施工实时阶段转变情况，当凿岩台车钻具三维空间坐标落入交集区域内部时预警系统重新采集作业机械参数并生成实际发生钻进比能，预警系统提取初始预估钻进比能并计算钻进比能残差，预警系统根据钻进比能残差触发底层联动控制操作，预警系统反向调整岩体力学映射表并更新弹性波传播速度三维矩阵完成底层逻辑闭环自修正。

6、预警系统利用空间定位单元输出的洞室基准坐标点、航位推算数据以及绝对值编码器角度数据，跟踪并解算基于隧道绝对大地的全局坐标系与凿岩台车局部坐标系之间的动态空间姿态。预警系统按照预设时间滑窗尺度对隧道环境噪声数据进行分帧处理并提取频域能量谱特征向量；预警系统对作业机械参数执行基于时间戳的时间轴对齐运算，预警系统把降维后的频域特征与作业机械参数进行加权拼接构成联合特征矩阵。预警系统基于离散化有限状态字典数据生成多模态传感数据序列，并把多模态传感数据序列输入隐马尔可夫模型。预警系统计算隐马尔可夫模型在当前时间节点生成多模态传感数据序列对应隐含状态集合内各个状态的最大联合概率值。预警系统提取数值最大的最大联合概率值关联的状态并定义为隧道施工实时阶段。

7、预警系统把钻进比能和钻具三维空间坐标组合生成空间比能数据节点，并输入岩体力学映射表输出单轴抗压强度分布序列。预警系统利用单轴抗压强度分布序列内部记录的三维空间坐标和单轴抗压强度数值，动态输出弹性波在岩体介质中的传播基准速度并定义为弹性波传播速度数值，同步替换矩阵节点内部存储的原始速度数据完成更新过程。

8、预警系统调用爆破损伤波速折减系数对弹性波传播速度三维矩阵执行降速修正生成爆破损伤衰减波速矩阵。预警系统利用爆破损伤衰减波速矩阵对微震事件波形信号执行三维空间定位运算计算输出微震事件发生的三维空间坐标，并根据三维空间坐标和微震释放能量计算微震空间能量密度。预警系统调用空间密度聚类算法对微震事件三维空间坐标执行空间点云聚合运算生成危险聚集体积。

9、高压注水设备根据高地应力岩爆预警信号执行注水操作并在岩体内部引发裂隙扩展，预警系统利用水压致裂瞬态波速矩阵对高频水力压裂声发射波形序列执行三维空间定位运算计算生成声发射空间坐标点云，预警系统计算闭合多面体结构内部的空间体积参数并定义为实际卸压波及体积。预警系统计算实际卸压波及体积和危险聚集体积重叠部分生成空间交集体积，预警系统对空间交集体积和危险聚集体积对应的原始空间体积执行除法运算得到危险区域覆盖率。预警系统在隧道三维空间模型内部利用三维空间边界坐标减去三维交集边界坐标得到未覆盖危险区域。预警系统调用聚类算法对未覆盖危险点云进行区域簇分割并计算靶点坐标生成补孔空间轨迹参数，把补孔空间轨迹参数发送至凿岩台车执行定位补孔作业。预警系统读取新一轮钻具三维空间坐标并提取初始预估钻进比能，预警系统对实际发生钻进比能和初始预估钻进比能执行减法运算得到钻进比能残差。预警系统利用钻进比能残差计算注水压力增量并调整注水压力输出数值，预警系统调用惩罚因子对三维空间插值算法执行迭代修正操作完成逻辑闭环自修正。

10、本发明提供了一种钻爆法高地应力岩爆智能预警防控系统。具备以下有益效果：

11、1、本发明通过将凿岩台车的作业机械参数和微震系统的隧道环境噪声数据组合构成多模态传感数据序列，并输入隐马尔可夫模型进行联合概率计算。系统识别隧道施工实时阶段，根据钻孔阶段和爆破后重分布阶段的转变结果，自动触发对应的钻进比能计算逻辑和微震信号分析逻辑，完成预警防控底层运算分支的自动切换。

12、2、本发明通过计算钻进比能并利用岩体力学映射表输出单轴抗压强度分布序列，更新弹性波传播速度三维矩阵内部的节点速度数据。系统结合爆破损伤波速折减系数生成爆破损伤衰减波速矩阵，利用爆破损伤衰减波速矩阵对微震事件波形信号执行三维空间定位运算，提升微震事件聚集区域三维空间坐标与现场空间状态的吻合度。

13、3、本发明通过计算危险聚集体积和实际卸压波及体积的重叠部分得到空间交集体积，并利用空间交集体积和危险聚集体积计算危险区域覆盖率。系统根据危险区域覆盖率判定结果下发二次卸压或补孔钻进指令，同时利用实际发生钻进比能与初始预估钻进比能的残差计算注水压力增量，调用惩罚因子对空间插值算法执行迭代修正操作，完成防控参数的底层逻辑闭环自修正。