[发明专利]一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，具体地说，涉及对岩爆孕育过程所发出人耳可识别的声音信号进行频谱分析，并将其作为判别是否存在发生岩爆的可能以及岩爆即将发生的前兆信息，属于岩石力学与工程技术领域。

背景技术

当前，随着地下工程向深部拓展，岩爆问题日益突出。岩爆是坚硬岩石在高地应力状态下，由开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象，与一般静态脆性破坏现象不同，岩爆的显著特征在于弹射破裂现象的发生。而应变型岩爆特指在高地应力地区，由于开挖卸荷形成临空面，围岩切向应力逐渐增大，当切向应力超过围岩承载能力后，发生岩体剥离、崩出乃至弹射破裂等现象。由于岩爆灾害的突发性，可能导致人员的伤亡、施工设备的损毁、工期的拖延等灾难性后果。因此，如何对岩爆进行科学有效、且能够应用与工程实际的预警，是世界性的难题。

在岩爆预警领域中，国内外专家、学者采用理论分析、数值计算、物理试验等方法做了大量的研究工作，虽然取得了一定进展，但是由于岩爆发生机制高度复杂，所提出的岩爆预警方法缺乏普适性、且预警效果不佳，尚不能完全满足工程实践要求。目前，在岩爆预警研究方面，基于声发射与微震技术的预警技术最受人们关注，应用最为广泛，且取得了一定的效果。其原理都是通过探头监测岩石开裂引起的震动，进而对岩爆的发生进行预警。因此，微震和声发射都属于接触式的监测手段，即信号监测探头必须与岩体有良好的接触，且现场施工引起的震动对监测结果也存在较大影响。同时，由于信号强度随声源距离的增加迅速衰减，为了保证监测数据的准确性，其传感器往往布置在临近岩爆区域的围岩上，因此，对人员、设备存在一定安全隐患。此外，用于岩爆预警的微震设备和声发射设备还存在价格昂贵、使用人员技术要求高等问题。

工程实践表明，岩爆破坏过程中不仅伴随着高频的声发射信号(≥10000Hz)和低频的微震信号(≤100Hz)，往往还存在人耳能够听到的声音信号(20Hz～20000Hz)。以往的研究成果、我国现行的多个工程地质勘察规范，仅笼统的将人对岩爆过程中的声音大小作为岩爆等级的判别依据，忽略了声音信号在岩爆预警中的作用。实际上，岩爆从最初的孕育到最终的发生，会依次发生多种破坏，不同的破坏伴随着不同特征的声音信号，不同的声音信号存在着不同的频谱特征，声音信号能够在空气中远距离传播，十分便于接收与采集。鉴于声音信号是一种能够间接反映岩爆过程的有效信息，本发明提出一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法：利用声音信号预警系统对岩爆孕育过程中的声音信号进行实时监测、记录、降噪、频谱分析、预警。本发明对深部地下工程开挖施工中预警应变型岩爆灾害具有一定的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对岩爆现象的巨大危害性以及现有的基于声发射和微震技术的预警方法上的缺陷，提出一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，使得操作简便安全，更使岩爆预警方法更完善，岩爆预警更准确。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，包括以下步骤：

(1)利用声音信号采集设备实时采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号，利用声音信号传输系统将采集到的声音信号传输到声音信号处理系统，声音信号处理系统对采集到的声音信号进行实时记录和分析；

(2)声音信号处理系统先对采集到的声音信号进行降噪处理去除环境噪声的影响，再实时对降噪后的声音信号进行频谱分析，获得声音信号的幅值谱图；

(3)通过分析声音信号的频谱特征判断是否存在应变型岩爆的发展趋势，

若随时间发展，声音信号的幅值谱图出现“主频值呈高频向低频迁移、频谱形状呈多峰到单峰的交替变换”的整体变化规律，则预示岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势，否则，预示岩体存在静态脆性破坏的发展趋势；

(4)当声音信号处理系统判定岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势后，继续对声音信号进行实时监测分析，若监测到声音信号的幅值谱图随后出现“宽频、低幅和多峰形态”的声音信号，则预示着有极大可能会发生应变型岩爆灾害，声音信号处理系统将会在服务器终端以发出高分贝声音或变化屏幕图形的形式进行报警。

所述声音信号为人耳能听到的声音信号，其频率范围为20～20000Hz。

步骤(1)中，声音信号采集设备为传声器、数字录音笔或其他具有实时声音信号采集功能的设备。

步骤(1)中，声音信号传输系统包括有线或无线传输设备。

步骤(2)中，对降噪后的声音信号的频谱分析具体为：