一種基于聲音信號波形變化特征的應變型巖爆預警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于聲音信號波形變化特征的應變型巖爆預警方法，具體地說， 涉及將巖爆孕育過程所發(fā)出人耳可識別的聲音信號的波形特征變化作為巖爆發(fā)生的前兆 信息，屬于巖土工程災害預警和防治領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家對水電、能源、交通的需求越來越大，地下工程建 設量越來越多，且逐步向深部拓展，巖爆問題日益突出。巖爆一般是堅硬巖石在高地應力狀 態(tài)下地下工程巖體開挖卸荷引起的圍巖動力破壞現(xiàn)象，其中應變型巖爆是指在高地應力地 區(qū)，由于開挖卸荷形成臨空面，圍巖切向應力逐漸增大，當切向應力超過圍巖承載能力后， 發(fā)生巖體剝離、崩出甚至彈射破裂等現(xiàn)象。巖爆地質(zhì)災害的發(fā)生直接威脅著施工人員和設 備的安全，嚴重影響工程進度，增加工程的投資，給工程帶來災難性后果。當前，由于巖爆發(fā) 生機制高度復雜，巖爆的預警與預測技術(shù)尚不能完全滿足工程實踐要求，巖爆預警與預測 是世界性的難題。
[0003] 在巖爆預警領(lǐng)域中，國內(nèi)外專家、學者做了大量的研究工作，已經(jīng)從強度、剛度、能 量、斷裂、損傷、擴容、突變、分形、微重力和聲發(fā)射等方面對巖爆現(xiàn)象進行了分析，提出了各 種各樣的理論判據(jù)和預警方法。然而，巖爆的發(fā)生機制十分復雜，影響因素眾多，巖爆影響 因素與巖爆發(fā)生之間呈現(xiàn)高度復雜的非線性關(guān)系。因此，在巖爆機理不明朗的條件下，采用 力學分析、數(shù)值計算、物理試驗等方法來預警巖爆遇到了極大的困難，預警效果難以滿足工 程實踐需求。目前，在巖爆預警研究方面，基于聲發(fā)射與微震技術(shù)的巖爆預警中占有重要地 位，受到人們的廣泛關(guān)注。在巖爆預警領(lǐng)域，微震監(jiān)測設備一般多用于監(jiān)測低于10Hz的低頻 聲信號，聲發(fā)射監(jiān)測設備多用于監(jiān)測高于l〇 4Hz的高頻聲信號，而人耳所能聽到的聲音信號 (20Hz~20000Hz)在研究應用中卻被人們所忽略。再者，微震和聲發(fā)射都屬于接觸式的監(jiān)測 手段，信號強度隨聲源距離的增加迅速衰減，為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，其傳感器往往布 置在靠近巖爆區(qū)域的圍巖上，易造成傳感器等設備損壞，在安裝時也存在一定的安全隱患。 此外，用于巖爆預警的微震設備和聲發(fā)射設備還存在價格昂貴、使用人員技術(shù)要求高等問 題。
[0004]工程實踐表明，巖爆破壞過程中總會伴隨著一些聲音信號的出現(xiàn)，人們把聲音作 為巖爆等級劃分的一個重要依據(jù)。我國現(xiàn)行的多個工程地質(zhì)勘察規(guī)范均將人對巖爆聲音的 主觀感受作為巖爆等級判別依據(jù)。實際上，與聲發(fā)射、微震信息一樣，聲音是貫穿于巖爆過 程的客觀存在的物理信息，巖爆的孕育與發(fā)生的過程中伴隨著不同特征的聲音信號，聲音 信號能夠在空氣中遠距離傳播，十分便于接收與采集。鑒于聲音信號是一種能夠間接反映 巖爆過程的有效信息，本發(fā)明提出一種基于聲音信號波形變化特征的應變型巖爆預警方 法:利用聲音信號監(jiān)測系統(tǒng)對巖爆孕育過程中的聲音信號進行全程記錄，將聲音信號的波 形以及幅值時間分形變化特征作為巖爆發(fā)生的前兆信息。本發(fā)明對深部地下工程開挖施工 中巖爆災害的預警具有一定的指導意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，針對巖爆現(xiàn)象的巨大危害性以及現(xiàn)有的基于聲發(fā)射和微震技 術(shù)的預警方法上的缺陷，提出一種基于聲音信號波形變化特征的應變型巖爆預警方法，使 得操作簡便安全，更使巖爆預警方法更完善，巖爆預警更準確。
[0006] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于聲音信號波形變化特征的應變型巖爆預警方法，包括以下步驟：
[0008] (1)利用聲音信號采集設備實時采集應變型巖爆破壞過程中的聲音信號，利用聲 音信號傳輸系統(tǒng)將采集到的聲音信號傳輸給聲音信號處理系統(tǒng)，聲音信號處理系統(tǒng)對采集 到的聲音信號進行實時記錄和分析；
[0009] (2)聲音信號處理系統(tǒng)先對采集到的聲音信號進行降噪處理去除環(huán)境噪聲的影 響，再實時繪制降噪后的聲音信號波形圖；
[0010] (3)分析降噪后的聲音信號波形圖，將降噪后的聲音信號波形圖中出現(xiàn)的如下特 征作為巖爆發(fā)生的主要前兆信息：聲音信號幅值在一段較長時間的小幅值波動后，突然出 現(xiàn)一小段時間的高幅值聲音信號，且隨后出現(xiàn)持續(xù)的低幅值聲音信號的"相對平靜期"；
[0011] (4)對降噪后的聲音信號進行等效化處理，繪制等效化幅值隨時間變化曲線圖，再 進行聲音信號波形的幅值的時間分形，繪制時間分形維數(shù)馬,值隨時間變化曲線，將時間分 形維數(shù)貧，值隨時間變化曲線出現(xiàn)的如下特征作為巖爆發(fā)生的又一前兆信息："時間分形維 數(shù)值持續(xù)增加到較大值后，一段時間內(nèi)持續(xù)下降并逼近歷史最低值"；
[0012] (5)當聲音信號出現(xiàn)明顯的如(3)與（5)所述的巖爆前兆信息時，則預示著該處有 極大可能會發(fā)生應變型巖爆災害，聲音信號處理系統(tǒng)將會在服務器終端以發(fā)出高分貝聲音 或變化屏幕圖形的形式進行報警。
[0013] 所述聲音信號為人耳能聽到的聲音信號，其頻率范圍為20~20000Hz。
[0014] 步驟(1)中，聲音信號采集設備為傳聲器、數(shù)字錄音筆或其他具有實時聲音信號采 集功能的設備。
[0015] 步驟(1)中，聲音信號傳輸系統(tǒng)包括有線或無線傳輸設備。
[0016] 步驟(3)中，降噪后的聲音信號波形圖的繪制方法如下：
[0017] 將降噪處理后的聲音信號轉(zhuǎn)存為"Windows PCM(* .wav)"的音頻文件，隨后運行服 務器安裝的數(shù)學軟件Matlab，通過調(diào)用命令[y，fs,nbits]=wavread( 'file name'）讀取降 噪后的聲音信號，并利用Matlab的M文件繪制出降噪后的聲音信號波形圖。
[0018] 步驟(3)中，等效化幅值隨時間變化曲線圖的繪制方法如下：
[0019] 將聲音信號波形圖轉(zhuǎn)成聲音信號數(shù)字采樣點數(shù)據(jù)，當聲音信號處理系統(tǒng)第一次識 別到幅值大于〇. 5的采樣點時，依次讀取采樣點中幅值大于0的點，隨后每100個采樣點為一 組，取每組的幅值平均值，并將幅值平均值視為每組采樣點所在的時間段內(nèi)的等效化幅值， 繪制等效化幅值隨時間變化曲線圖。
[0020] 時間分形維數(shù)Α直隨時間變化曲線的繪制方法如下：
[0021] 根據(jù)幅值的變化相似性，將等效化幅值隨時間變化曲線劃分為m個大時間段，1\為 第i個大時間段的時長，i = l，2, ···，!!!，再將各個大時間段分別平均劃分為η個小時間段， 為第i個大時間段下前j個小時間段的時長之和，j = l，2，···，n，根據(jù)幾何分形學原理和相關(guān) 聲發(fā)射的分形計算理論，按式（1)分別求出第i個大時間段下的前j個小時間段對應的聲音 信號幅值隨時間分布的相關(guān)積分C(tij)，
[0022]
(1)
[0023] 式中:M(tu)為第i個大時間段下的前j個小時間段內(nèi)的幅值之和，j = l + 為第i個大時間段內(nèi)的幅值總和，i = l，2,…，m，
[0024] 為確保聲音信號幅值對時間存在明確的分形結(jié)構(gòu)，聲音信號幅值隨時間分布的相 關(guān)積分C(t^)的對數(shù)值lgC(t^)和小時間段時長的對數(shù)值lgt孺要保持良好的線性關(guān)系， 否則重新選取時間段，通過調(diào)整大時間段的劃分，確保所有的聲音信號幅值隨時間分布的 相關(guān)積分C(tij)的對數(shù)值lgC(tij)和小時間段時長的對數(shù)值lgti存在線性關(guān)系后，由式(2) 分別求出第i個大時間段的時間分形維數(shù)值A(chǔ)，?=/二…，W，并繪制時間分形維數(shù)A,.值隨 時間變化曲線，
[0025]
(2)。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備的有益效果：
[0027] 1、本發(fā)明屬于非接觸式監(jiān)測手段，具有安裝操作安全、信號可靠穩(wěn)定的優(yōu)點。常用 的基于聲發(fā)射或微震設備的巖爆信號采集屬于接觸式信號監(jiān)測手段，信號采集探頭必須