曹 野

(中國黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司)

金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測診斷預(yù)警體系

曹 野

(中國黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司)

針對礦山巷道監(jiān)測系統(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、圍巖類別判定指標(biāo)、爆破震動(dòng)效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)集成，形成可實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)監(jiān)測的金屬礦山巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測、診斷、預(yù)警體系。金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測診斷預(yù)警體系包括監(jiān)測點(diǎn)布點(diǎn)優(yōu)化、監(jiān)測信號去噪、信號頻域能量分析、巷道圍巖類別確定、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)測到的信號進(jìn)行診斷分析，并依據(jù)所積累的數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行比對，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)測診斷預(yù)警體系

近年來，國內(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)測系統(tǒng)[1-2]。然而，目前的監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)僅對目標(biāo)物理量進(jìn)行采集與存儲，缺乏有效的損傷診斷與安全評估能力[3]，尤其針對礦山巷道安全的安全監(jiān)測診斷預(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，國家相關(guān)部門對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、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)測診斷預(yù)警體系，并對各個(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)測診斷預(yù)警體系由目標(biāo)監(jiān)測、信號處理與診斷、損傷預(yù)警、信號樣本數(shù)據(jù)庫、用戶使用等5個(gè)子系統(tǒng)組成，體系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

該體系通過在礦山的重點(diǎn)監(jiān)測部位布置各類傳感器，將目標(biāo)的應(yīng)力、變形、速度、加速度、環(huán)境參數(shù)等信號采集至信號解調(diào)儀，進(jìn)行解調(diào)、放大；然后通過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處理與診斷子系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中將各測點(diǎn)的監(jiān)測信號進(jìn)行數(shù)學(xué)分析；進(jìn)而將分析結(jié)果與信號樣本子系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)計(jì)的安全判據(jù)以及樣本庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，再根據(jù)比對結(jié)果自動(dòng)給出預(yù)警信號和相應(yīng)的工程處理措施；最后送至用戶使用子系統(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)測診斷預(yù)警體系網(wǎng)絡(luò)

1.2 巷道圍巖目標(biāo)監(jiān)測子系統(tǒng)

巷道圍巖目標(biāo)監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括傳感器、信號采集和信號傳輸?shù)茸酉到y(tǒng)。目標(biāo)監(jiān)測子系統(tǒng)主要對金屬礦山主要區(qū)域，例如：巷道、泵房、休息區(qū)域、會(huì)議辦公、井下炸藥庫、變電所、卷揚(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，主要監(jiān)測內(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)測內(nèi)容見表1所示。

表1 目標(biāo)監(jiān)測子系統(tǒng)

(1)傳感器子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)需綜合考慮監(jiān)測目標(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)針對不同監(jiān)測目標(biāo)設(shè)計(jì)為多目標(biāo)分級監(jiān)測方案，如表2所示。

表2 多目標(biāo)分級監(jiān)測方案

針對不同的監(jiān)測目標(biāo)采用等級不同的監(jiān)測周期。監(jiān)測等級A主要針對巷道圍巖的靜、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，采取最高級別的實(shí)時(shí)在線不間斷監(jiān)測，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)測信號；監(jiān)測等級B主要針對重點(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)測信號處理精度的目標(biāo)(噪聲強(qiáng)度)，采取常規(guī)監(jiān)測，每小時(shí)監(jiān)測1次；監(jiān)測等級C主要針對一般環(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。

傳感器子系統(tǒng)由多種針對不同目標(biāo)監(jiān)測的傳感器組成：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、粉塵檢測儀、聲級儀等等。其中裸光纖光柵被封裝至錨桿內(nèi)組成各類光纖光柵錨桿，安裝在巖體內(nèi)部對各目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。

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

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

光纖光柵解調(diào)動(dòng)態(tài)信號采集儀SM130具有四通道(可擴(kuò)展)，可同時(shí)監(jiān)測多個(gè)傳感器，適合于應(yīng)變、溫度、加速度等多種測量；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)測得到的為波長信號，波長信號進(jìn)入光柵解調(diào)儀中，通過信號采集軟件Enlight進(jìn)行解調(diào)，通過波長與溫度、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)的信號輸入。

除此之外，針對不同的監(jiān)測信號，采用不同的信號解調(diào)方式，構(gòu)成不同的信號解調(diào)和讀數(shù)儀，同時(shí)光纖光柵錨桿的監(jiān)測目標(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)，通過解調(diào)儀進(jìn)行簡單的、初步的信號處理。

(3)信號傳輸子系統(tǒng)。是指金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測診斷預(yù)警體系中五大子系統(tǒng)之間的信號通信、傳輸、聯(lián)接系統(tǒng)。信號傳輸子系統(tǒng)通過光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成的礦山以太網(wǎng)和信號采集軟件組成。信號采集的網(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。信號傳輸子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)識別、信號奇異性識別、系統(tǒng)功能異常報(bào)警以及自診斷等功能。同時(shí)，信號傳輸子系統(tǒng)需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性能，且擴(kuò)展升級過程中不能中斷系統(tǒng)運(yùn)行；信號傳輸子系統(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)測診斷預(yù)警體系的最核心功能是根據(jù)監(jiān)測得到的信號分析出巷道圍巖的安全狀態(tài)，識別出可能出現(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)測診斷預(yù)警過程涉及到系統(tǒng)識別、震動(dòng)理論、震動(dòng)測試技術(shù)、信號采集與分析等多學(xué)科技術(shù)，其中基于震動(dòng)測試的巷道圍巖損傷識別方法是針對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，通過對監(jiān)測信號的分析處理，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)與信號樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖安全狀態(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)測診斷預(yù)警體系總體設(shè)計(jì)

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

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

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

(4)信號預(yù)警。將通過診斷分析得到的結(jié)果與信號樣本數(shù)據(jù)中的記錄以及通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的結(jié)果進(jìn)行比對，如果無明顯差異，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)測結(jié)果有明顯差異，說明兩者存在錯(cuò)誤診斷信息，則循環(huán)至信號分解環(huán)節(jié)，調(diào)整參數(shù)再次進(jìn)行信號分析診斷。

以上4個(gè)步驟中，第1步信號解調(diào)在目標(biāo)監(jiān)測子系統(tǒng)的Enlight信號采集軟件中完成，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]語言進(jìn)行程序化設(shè)計(jì)。

(1)基于小波變換的信號預(yù)處理程序框架設(shè)計(jì)?；谛〔ㄗ儞Q的信號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，其主要程序框架如圖3所示。

圖3 基于小波變換的信號去噪程序框架

基于小波變換的信號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)聲級儀監(jiān)測到的環(huán)境噪聲級別以及樣本數(shù)據(jù)中同一區(qū)域以往的噪聲水平確定。另外，針對爆破震動(dòng)信號建議使用db4～db7進(jìn)行小波包分解。

(2)基于小波能量理論的信號分析與處理程序框架設(shè)計(jì)。基于小波能量理論的信號分析與處理程序[6-7]主要通過對預(yù)處理后的巷道圍巖響應(yīng)信號進(jìn)行小波分解，得到信號頻域內(nèi)能量分布規(guī)律，進(jìn)而通過計(jì)算小波能量譜確定巷道圍巖類別，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分析與處理程序框架

基于小波能量理論的信號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ERVD值可以確定巷道圍巖類別，結(jié)合TEDI值可評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)測程序框架設(shè)計(jì)?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測程序主要功能是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)儲存的數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)信號分析與處理子系統(tǒng)中信號的基本信息(震速峰值、震動(dòng)主頻、震動(dòng)持時(shí)、巷道圍巖類別等)進(jìn)行預(yù)測，得到巷道圍巖安全判別指標(biāo)TEDI值，進(jìn)而與信號分析與處理子系統(tǒng)計(jì)算所得TEDI進(jìn)行比對，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)測程序框架

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測程序在框架上比基于小波能量理論的信號分析與處理程序簡單，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，僅需要輸入簡單的預(yù)測樣本向量(信號的主要信息)即可進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算時(shí)間短。但是其預(yù)測精度不可控，主要依賴于訓(xùn)練樣本的規(guī)律性。因此,在信號樣本數(shù)據(jù)量較小時(shí)，其預(yù)測精度較低，隨著樣本數(shù)據(jù)中信號數(shù)據(jù)增多，其預(yù)測精度逐漸增高。

2.3 信號樣本數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測診斷預(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、豐富的信號樣本數(shù)據(jù)庫，以保證監(jiān)測診斷預(yù)警信號數(shù)據(jù)的高效存儲與處理，并便于數(shù)據(jù)的提取、分析和再存儲，同時(shí)應(yīng)對監(jiān)測信號的采樣規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化。目前國內(nèi)外通行的震動(dòng)監(jiān)測信號樣本數(shù)據(jù)庫規(guī)范為MIMOSA[8-9](Machinery Information Management Open System Alliance)，其具有較強(qiáng)的信號樣本數(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)測診斷預(yù)警體系的信號樣本數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本數(shù)據(jù)如表3所示。

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

表3 信號樣本數(shù)據(jù)庫的基本數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)庫中Orig_Signal、De-noising_Signal、Processing_Data、BPNN_Data、Criterion_Data、Alarm_Data、History_Data為核心儲存數(shù)據(jù)，其包含了信號從監(jiān)測到分析處理再到發(fā)出預(yù)警指令的所有過程數(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，對數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行優(yōu)化可減小數(shù)據(jù)存儲量，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，即采樣頻率500 Hz，單個(gè)監(jiān)測信號時(shí)長1 s，監(jiān)測間隔為0 s(1 h監(jiān)測3 600個(gè)信號)；而其余時(shí)段采樣頻率降低為300 Hz，監(jiān)測間隔增大為5 s。這樣，單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)1 d時(shí)間內(nèi)從監(jiān)測到預(yù)警全過程的數(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)庫存儲服務(wù)器應(yīng)選擇存儲容量在5 PB左右的存儲系統(tǒng)，例如HP StorageWorks ESLE系列磁帶庫，其最大存儲容量為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)測目標(biāo)信號通過信號分析與處理子系統(tǒng)的計(jì)算分析后得到巷道圍巖類別的判別值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)測區(qū)域的燈光預(yù)警、聲音預(yù)警，其主要目的是向在場工程人員發(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、指揮在場人員撤離、了解現(xiàn)場具體情況等。

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](見表4)，進(jìn)行宏觀指揮。

4 結(jié) 論

(1)金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測診斷預(yù)警體系由目標(biāo)監(jiān)測、信號處理與診斷、損傷預(yù)警、信號樣本數(shù)據(jù)、用戶使用等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)從信號監(jiān)測，到信號分析與處理，最終得到預(yù)警信息的全過程。

(2)基于MIMOSA中的VIBCORE標(biāo)準(zhǔn)對信號樣本數(shù)據(jù)庫進(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)測所得原始信號、分析處理的過程信號、環(huán)境狀態(tài)信息以及預(yù)警信息等全過程所有數(shù)據(jù)信號；同時(shí)對數(shù)據(jù)庫海量數(shù)據(jù)的采集、存儲方案進(jìn)行了優(yōu)化，有效地降低了存儲設(shè)備的成本,并提高了數(shù)據(jù)庫運(yùn)行的速度，為保障金屬礦山巷道圍巖安全監(jiān)測診斷預(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)信號分析與處理結(jié)果分別對井下工程人員、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)對應(yīng)工程支護(hù)措施

[1] 李愛群，繆長青，李兆霞．潤揚(yáng)長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003，33(5):544-548． Li Aiqun，Liao Changqing，Li Zhaoxia.Health monitoring system for the Runyang Yangtze River Bridge[J].Journal of Southeast University：Natural Science,2003，33(5):544-548．

[2] 繆長青，李愛群，韓曉琳．潤揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測策略[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，35(5)：780-785． Liao Changqing，Li Aiqun，Han Xiaolin.Monitor strategy for the structural health monitoring system of Runyang Bridge[J].Journal of Southeast University:Natural Science,2005，35(5)：780-785．

[3] 劉 濤，李愛群，丁幼亮．基于小波包能量譜的大跨斜拉橋拉索損傷預(yù)警方法[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，37(2)：270-274． Liu Tao，Li Aiqun，Ding Youliang.Alarming method for cable damage of long-span cable-stayed bridges based on wavelet packet energy spectrum[J].Journal of Southeast University:Natural Science，2007，37(2)：270-274.

[4] 曹 野，宋 波，王培福，爆破效應(yīng)下基于小波分析的圍巖頂板損傷診斷試驗(yàn)研究[C]∥第2屆全國工程安全與防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.南京:中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)，2010:617-623. Cao Ye，Song Bo，Wang Peifu.Study on stability diagnosis of rock roof based on wavelet transformation analysis under blasting effect[C]∥The proceeding of 2nd session of the national engineering academic conference on security and protection.Nanjing：Chinese Society of Rock Mechanics and Engineering，2010:617-623.

[5] 葛哲學(xué)，孫志強(qiáng)．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與MATLAB R2007實(shí)現(xiàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007． Ge Zhexue，Sun Zhiqiang.Neural Network Theory and MATLAB R2007 Implementation[M].Beijing:Electronic Industry Press，2007.

[6] Song Bo，Cao Ye.Wavelet energy Analysis on Blasting Vibration Signal of Surrounding Rock Roof Considering Confining Pressure Strength and Fracture Strength[J].Rock Mechanics:Achievements and Ambitions，2011(S):825-830.

[7] 曹 野，宋 波，潘建仕，等.基于數(shù)值模擬的頂板圍巖損傷過程動(dòng)力響應(yīng)信號的能量分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(S1):3137-3145. Cao Ye，Song Bo，Pan Jianshi，et al.Energy analysis of dynamic response signals during damage process of roof surrounding rock based on numerical simulation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S1):3137-3145.

[8] Mitchell J S.MIMOSA-one year later[J].Sound and Vibration，1996，30(9):14-20.

[9] Mitchell J S.History of condition monitoring and condition based maintenance[J].Sound and Vibration，1999，33(11):21-28.

[10] 中華人民共和國建設(shè)部．GB 50218—94 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994． Ministry of Construction of the People′s Republic of China.GB50218-94 Standard for Engineering Classification of Rock Masses[S].Beijing:Chinese Standard Press,1994.

[11] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，中華人民共和國建設(shè)部．GB 50086—2001 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001． The General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China ,Ministry of Construction of the People's Republic of China.GB50086-2001 Specification for Bolt-shotcrete Support[S].Beijing:Chinese Standard Press,2001.

[12] 曹 野，陳宏偉.基于時(shí)能密度的圍巖爆破安全判據(jù)實(shí)驗(yàn)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014,15(3):264-269. Cao Ye，Chen Hongwei.Experiment of surrounding rock blasting vibration safety criterion based on time-energy density[J].Journal of PLA University of Science and Technology:Natural Science，2014,15(3):264-269.

(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