[发明专利]同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法

说明书

本发明属于矿山开采监测技术领域，公开了一种同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法，传感器装置包括声发射探头、放大器、应力传感器、倾角传感器以及线路板；声发射探头包括：压电陶瓷晶体、导向头；压电陶瓷晶体前端面与导向头后端面采用平面接触，且压电陶瓷晶体与后端的放大器一体化；应力传感器包括：液压缸体、弹性体和承压片；液压缸体通过活塞、连接装置连接弹性体，承压片安装在弹性体一侧；线路板通过供电线路连接放大器。本发明摒除单一传感器预警随意性大、准确性差的技术难题，提出集成传感器的思路，将力学和声学监测方法集成于统一的传感器，实现多源信息的耦合监测，提高预警的准确性。

技术领域

本发明属于矿山开采监测技术领域，尤其涉及一种同源监测的应力和声发射集成传感器、监测方法、安装方法。

背景技术

目前，对于地下开采而言，在原生应力、开采扰动应力和岩体结构的综合影响下，超过矿体或围岩自身强度后，矿岩体发生失稳破坏，引起不同程度的地压活动，直接威胁矿山回采的安全性。目前矿山开采围岩稳定性监测的主要方法包括应力监测、位移监测、声发射监测和微震监测，对于硬岩矿山常采用应力、声发射、微震等监测方法。

应力监测：

通过利用钻孔应力计、表面应力计和包体应力计(应变式)等主要方法对开采过程中施加于矿岩之上的应力(包含原生应力和扰动应力)进行测试，随着应力变化，监测设备显示不同的测量值。当测量值超过先前设定于传感器上的阈值之后，传感器开始报警，从而实现地压活动的超前预警。但从岩体受压破裂的机理分析，矿岩破坏与自身强度、外载荷、岩体结构及所处环境均有较大的关联性，不同矿岩体强度不同，不同矿山岩性及岩体结构千差万别，统一设定的应力极限阈值并不是其真正的破坏临界应力。所以利用极限应力阈值预警地压并无明确的理论依据，具有较大的不确定性，往往造成预警失败。

声发射监测：

声发射监测的原理是岩体破裂产生的弹性波被传感器接受，通过对声发射次数、能量以及波形进行分析，对比实验室得到的岩石破裂声发射指标变化规律，从而实现岩体破坏声发射信息预警。现场多依靠声发射次数、频度以及能量的大小等综合判断结果实施预警。但从岩石受压破坏的过程可知，在岩石初期受力压密阶段、弹性变形阶段、起裂破坏直至峰值等主要承载过程中，声发射信息多次出现频度激增、回落和平静阶段，同时声发射信号受岩体结构和现场环境噪声的影响极大。单纯利用声发射监测结果实施预警具有较大的随意性，预警准确性较差。

微震监测：

微震监测主要依靠对岩石破裂过程产生的中低频声信号实施监测，利用中低频声信息衰减速度慢，传输距离远的特点，利用微震检波器实现远距离监测，并利用多个传感器对声信号进行空间定位，从而判断灾害危险源，实现危险源定位和超前预警。其监测原理和声发射探头类似。从现场的应用来看，由于地下开采形成了大量的空区、破碎介质岩体、松散充填体等多种非连续介质，危险源发出的声信号在传输过程中经过不同介质和岩体结构，散失和衰减非常严重，到达微震检波器后信号的真实性大为降低。同时也严重影响定位的准确性。因此，单纯微震监测预警矿岩体失稳破坏准确性不高。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术地压活动监测预警中，单一传感器预警随意性大、准确性差。

(2)现有技术对地压的误判率比较高。在同一监测点，不能实现力学和声学信息同时采集和反馈。

(3)现有技术监测安装成本和钻孔施工成本高。

解决以上问题及缺陷的难度为：如何使同一监测源的围岩在承载过程中所释放的多种伴生信息被同时捕捉并接收，将直接影响到围岩破坏前兆的准确预判。因此，利用一种监测传感器同时采集并存储岩石破坏的多种伴生信息是解决问题的关键环节，但由于每种伴生信息的产生原理不同，所以分类采集方法集成是解决上述问题的难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：