一種利用壓電加速度傳感器的隧道巖爆監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用壓電加速度傳感器的隧道巖爆監(jiān)測(cè)方法，它包括以下步驟：步驟1、布設(shè)壓電加速度傳感器；步驟2、依據(jù)測(cè)得的壓電加速度傳感器的電荷Q，計(jì)算巖體變形的瞬時(shí)能量；步驟3、計(jì)算巖體累積后的能量值，由巖體累積后的能量值預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的時(shí)間、區(qū)域、規(guī)模及等級(jí)。本發(fā)明的技術(shù)效果是：通過監(jiān)測(cè)巖體變形的加速度確定了巖爆發(fā)生的趨勢(shì)、巖爆發(fā)生的區(qū)域、巖爆發(fā)生的規(guī)模，且監(jiān)測(cè)的成本低、電磁干擾小。
【專利說明】
-種利用壓電加速度傳感器的隧道巖爆監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害防控技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種隧道巖爆監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程開挖過程中或開挖后發(fā)生的一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi) 害，它不僅對(duì)施工人員及設(shè)備的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，還會(huì)影響施工進(jìn)度，造成超挖、初期支 護(hù)失效、嚴(yán)重時(shí)還會(huì)誘發(fā)地震，已經(jīng)成為地下工程世界性難題之一，受到世界各國(guó)相關(guān)學(xué)者 的廣泛關(guān)注。高地應(yīng)力條件下巖體由于受地應(yīng)力作用，產(chǎn)生彈性變形，積聚了大量彈性應(yīng)變 能。隧道開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，巖石被擠壓到彈性限度時(shí)，其內(nèi)部積聚的能量迅 速釋放，從而引發(fā)巖爆。在運(yùn)一過程中，能量的積累與消耗貫穿始終，對(duì)巖爆的發(fā)生有著重 要影響。
[0003] 近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面做了大量的研究工作，但是由于巖爆預(yù) 測(cè)問題極為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外還沒有成熟的理論和方法。目前，國(guó)內(nèi)外用于測(cè)量巖層活動(dòng)的方法 常有測(cè)量巖層變形、位移、應(yīng)力和壓力的一般礦壓法，地球物理方法(地震法和電磁波法等） 和鉆削法等?，F(xiàn)在常用的巖爆監(jiān)測(cè)技術(shù)有微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、短周期地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電磁波法、 電阻率法和施工觀察法。但是現(xiàn)有的技術(shù)存在W下問題：1、監(jiān)測(cè)范圍小，若要監(jiān)測(cè)范圍大， 成本過大;2、不能精確測(cè)定出巖爆區(qū)域位置，確定出的區(qū)域位置誤差大;3、電磁干擾大，受 裂隙控制大;4、無(wú)法確定巖爆規(guī)模及能量等級(jí)。
[0004] 中國(guó)專利文獻(xiàn)201410057802.6于2014年5月7日公開了一種基于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的 深部巖體巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警方法，它包含如下步驟:(1)設(shè)置爆破振動(dòng)傳感器;間采集信號(hào)并轉(zhuǎn)換 成電信號(hào)記錄;間電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大，繼而經(jīng)無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端信號(hào)分 析處理系統(tǒng)；(4)將接收到的信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)的振動(dòng)信號(hào)識(shí)別過濾系統(tǒng)，對(duì)振動(dòng)波形進(jìn)行 頻譜分析識(shí)別分離;間對(duì)分離出的波形信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)的提取，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)或評(píng)價(jià)。但 是該方法存在W下不足：1、波的振動(dòng)信號(hào)受干擾影響大;2、對(duì)可能發(fā)生巖爆規(guī)模不能準(zhǔn)確 判斷;3、不能精確定位巖爆可能發(fā)生的區(qū)域位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有巖爆監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是提供一種利用 壓電加速度傳感器的隧道巖爆監(jiān)測(cè)方法，它能通過監(jiān)測(cè)巖體變形的加速度而確定巖爆發(fā)生 的趨勢(shì)、巖爆發(fā)生的區(qū)域、巖爆發(fā)生的規(guī)模，且監(jiān)測(cè)的成本低、電磁干擾小。
[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過運(yùn)樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括W下步驟：
[0007] 步驟1、在待測(cè)隧道圍巖體的徑向面上布置壓電檢測(cè)單元，壓電檢測(cè)單元具有多個(gè) 福射方向的壓電加速度傳感器，每一個(gè)福射方向上間隔一定距離布設(shè)多個(gè)壓電加速度傳感 器;然后沿隧道圍巖體的軸向按間距布置多個(gè)壓電檢測(cè)單元，形成一個(gè)分層式福射網(wǎng)絡(luò)，將 所有壓電加速度傳感器的輸出線全部引出；
[000引步驟2、依據(jù)測(cè)得的壓電加速度傳感器的電荷Q，計(jì)算巖體變形的瞬時(shí)能量El:
[0009]
[0010] 式中，ti為某一時(shí)刻，s為巖爆觀測(cè)區(qū)域的巖體面積，L為巖爆觀測(cè)區(qū)域離巖體表面 的深度，P為巖體密度，d33是壓電常數(shù)，Μ是壓電加速度傳感器的質(zhì)量；
[0011] 步驟3、計(jì)算巖體累積后的能量值Ε，計(jì)算式為:Ε = Σ ^1，式中i是0到η，指某一時(shí) 刻，η是求和累積能量值時(shí)的那個(gè)時(shí)刻；
[0012] 由巖體累積后的能量值Ε預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的時(shí)間、區(qū)域、規(guī)模及等級(jí)。
[0013] 由上述技術(shù)方案，本發(fā)明的技術(shù)效果是:通過監(jiān)測(cè)巖體變形的加速度確定了巖爆 發(fā)生的趨勢(shì)、巖爆發(fā)生的區(qū)域、巖爆發(fā)生的規(guī)模，且監(jiān)測(cè)的成本低、電磁干擾小。
【附圖說明】
[0014] 本發(fā)明的【附圖說明】如下：
[0015] 圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壓電單元正視圖；
[0016] 圖2為圖1的實(shí)施例中的多個(gè)壓電單元的側(cè)視圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明的壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖4為巖爆觀測(cè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)注圖。
[0019] 圖中：1.壓電加速度傳感器;2.壓電單元;3.鋼板基座;4.壓電加速度感應(yīng)元件;5. 貫通槽;6.輸出線。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0021] 本發(fā)明包括W下步驟：
[0022] 步驟1、在待測(cè)隧道圍巖體的徑向面上布置壓電檢測(cè)單元，如圖1所示，壓電檢測(cè)單 元2具有多個(gè)福射方向的壓電加速度傳感器1，每一個(gè)福射方向上的多個(gè)壓電加速度傳感器 依間隔距離布設(shè);如圖2所示，沿隧道圍巖體的軸向按間距布置多個(gè)壓電檢測(cè)單元2,形成一 個(gè)分層式福射網(wǎng)絡(luò)，將所有壓電加速度傳感器的輸出線全部引出；
[0023] 圖1中所示的實(shí)施例中，壓電檢測(cè)單元2具有Ξ個(gè)福射方向的壓電加速度傳感器1， 每一個(gè)福射方向上的5個(gè)壓電加速度傳感器1按每間隔3米布設(shè)；圖2中，沿隧道軸向每間隔 20米布置一個(gè)壓電檢測(cè)單元，共布設(shè)10個(gè)壓電檢測(cè)單元，形成一個(gè)分層式福射網(wǎng)絡(luò)。
[0024] 步驟2、獲得巖體變形的瞬時(shí)能量Ei:
[0025] 如圖3所示，壓電加速度傳感器1包括鋼板基座3和壓電加速度感應(yīng)元件4,多個(gè)壓 電加速度感應(yīng)元件4固定在鋼板基座3上，鋼板基座3的縱向側(cè)邊有貫通槽5,壓電加速度感 應(yīng)元件4的輸出線6從貫通槽5引出。
[0026] 假定壓電加速度傳感器的鋼板基座質(zhì)量為M，壓電加速度感應(yīng)元件的質(zhì)量為m，則 根據(jù)牛頓第二定律，壓電加速度傳感器的受力F可W由下式求得：
[0027] F= (M+m)a
[0028] 其中a是檢測(cè)巖體的加速度。
[0029] 根據(jù)上式，可W知道壓電加速度感應(yīng)元件厚度方向（Z方向）任一截面上的力為
[0030] F=Ma+ma(l-z/d)
[0031] 其中z為任一截面的厚度，d為壓電加速度感應(yīng)元件的厚度。所w平均力為
[0032]
[0033] 因?yàn)閴弘娂铀俣雀袘?yīng)元件的極化方向在厚度方向（Z方向），作用力沿著Z方向，所 W此時(shí)壓電加速度感應(yīng)元件的外加應(yīng)力的平均值為
[0034]
[0035] 其中A為壓電加速度感應(yīng)元件電極面面積。
[0036] 根據(jù)壓電矩陣，可W知道電荷Q為
[0037]
[003引式中，d33是壓電常數(shù)。
[0039] 而壓電加速度感應(yīng)元件一般是很薄的一個(gè)晶片，鋼板基座一般采用質(zhì)量大的金屬 審IJ成，所遠(yuǎn)大于m，所隊(duì)柯W忽略，即
[0040] Q = d33Ma
[0041] 由上式可知壓電加速度傳感器產(chǎn)生的電荷Q與加速度a之間的關(guān)系成正比，根據(jù)測(cè) 量的電荷就能得到加速度。
[0042] 如圖4所示，S為巖爆觀測(cè)區(qū)域的巖體面積，L為巖爆觀測(cè)區(qū)域離巖體表面的深度，P 為巖體密度；
[0043] 巖體變形時(shí)的任一時(shí)刻產(chǎn)生的瞬時(shí)能量El與瞬時(shí)加速度ai間的關(guān)系為
[0044]
[0045] 壓電加速度傳感器產(chǎn)生的瞬時(shí)電荷化與巖體變形的瞬時(shí)能量El間的關(guān)系為
[0046]
[0047] 上式中，El為某瞬時(shí)能量，m為判定的巖爆區(qū)域巖體質(zhì)量，VI為巖體變形的瞬時(shí)速 度，a功巖體瞬時(shí)加速度，t功某一時(shí)刻，d33是壓電常數(shù)，Μ是壓電加速度傳感器的質(zhì)量。
[0048] 步驟3、根據(jù)各瞬時(shí)能量累積后的能量值可W預(yù)測(cè)出巖爆發(fā)生的時(shí)間、區(qū)域、規(guī)模 及等級(jí)，累積后的能量值Ε可W通過公式￡= Σ 獲得，式中i是0到η，指某一時(shí)刻，η是求和 .!= 0 累積能量值時(shí)的那個(gè)時(shí)刻。
[0049] 本發(fā)明可將壓電加速度傳感器的輸出線連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將壓電加速度傳感 器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)轉(zhuǎn)換器后通過GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控中屯、。監(jiān)控中屯、再連 接至Internet;在電腦終端軟件從Internet獲得數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立及更新監(jiān)測(cè) 的加速度數(shù)據(jù)庫(kù)。通過加速度的值來(lái)判斷巖爆可能發(fā)生的區(qū)域位置，通過加速度值計(jì)算得 到巖體變形時(shí)的瞬時(shí)能量，同時(shí)由瞬時(shí)能量得到累積能量并由此判定巖爆的規(guī)模及等級(jí)， 當(dāng)能量值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，表明巖體將出現(xiàn)危險(xiǎn)并報(bào)警。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用壓電加速度傳感器的隧道巖爆監(jiān)測(cè)方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟1、在待測(cè)隧道圍巖體的徑向面上布置壓電檢測(cè)單元，壓電檢測(cè)單元具有多個(gè)輻射 方向的壓電加速度傳感器，每一個(gè)輻射方向上間隔一定距離布設(shè)多個(gè)壓電加速度傳感器； 然后沿隧道圍巖體的軸向按間距布置多個(gè)壓電檢測(cè)單元，形成一個(gè)分層式輻射網(wǎng)絡(luò)，將所 有壓電加速度傳感器的輸出線全部引出； 步驟2、依據(jù)測(cè)得的壓電加速度傳感器的電荷Q，計(jì)算巖體變形的瞬時(shí)能量E1:式中，U為某一時(shí)刻，S為巖爆觀測(cè)區(qū)域的巖體面積，L為巖爆觀測(cè)區(qū)域離巖體表面的深 度，p為巖體密度，d33是壓電常數(shù)，Μ是壓電加速度傳感器的質(zhì)量； 步驟3、計(jì)算巖體累積后的能量值Ε，計(jì)算式為.，式中i是0到η，指某一時(shí)刻，η是 求和累積能量值時(shí)的那個(gè)時(shí)刻； 由巖體累積后的能量值Ε預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的時(shí)間、區(qū)域、規(guī)模及等級(jí)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道巖爆監(jiān)測(cè)方法，其特征是:所述壓電加速度傳感器（1)包 括鋼板基座(3)和壓電加速度感應(yīng)元件(4)，多個(gè)壓電加速度感應(yīng)元件(4)固定在鋼板基座 (3)上，鋼板基座(3)的縱向側(cè)邊有貫通槽(5)，壓電加速度感應(yīng)元件(4)的輸出線(6)從貫通 槽(5)引出。
【文檔編號(hào)】G01V9/00GK105824059SQ201610154238
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】周小平, 肖睿胤, 程浩, 畢靖, 壽云東
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)