巖體失穩(wěn)災(zāi)害人機(jī)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測與災(zāi)害防控
——智能安全人機(jī)工程學(xué)及教學(xué)實(shí)踐

董隴軍教授 鄧思佳 閆藝豪

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著社會(huì)和城市建設(shè)的飛速發(fā)展，人類原有生存生活空間以及開發(fā)利用的資源已經(jīng)無法滿足人們的需求，因此，人類的生產(chǎn)生活范圍在不斷的延伸、擴(kuò)展與加深。比如，礦產(chǎn)資源開發(fā)由露天開采、淺部礦體開采逐漸轉(zhuǎn)為地下深部開采，公路建設(shè)由常規(guī)城市公路向復(fù)雜施工條件和結(jié)構(gòu)的橋梁、公路及隧道公路等發(fā)展。在發(fā)展過程中，伴隨著較大的工程風(fēng)險(xiǎn)，催生諸多安全問題，如巖體失穩(wěn)災(zāi)害就是嚴(yán)重威脅工程建設(shè)和生命財(cái)產(chǎn)安全的重大隱患之一。巖體內(nèi)部積蓄了大量能量，且具有動(dòng)態(tài)變化特征，工程開挖帶來擾動(dòng)與卸載，使得巖體內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致能量釋放，在這種情況下，極易發(fā)生巖體失穩(wěn)災(zāi)害。由2013-2017年的礦山統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不難看出(如圖1)，巖體失穩(wěn)災(zāi)害頻發(fā)，其造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失巨大。鑒于此，巖體失穩(wěn)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測與有效防控對(duì)安全生產(chǎn)具有重要意義。

圖1 2013-2017年礦山事故統(tǒng)計(jì)[4]

目前，對(duì)巖體失穩(wěn)的分析主要利用位移、應(yīng)力、聲發(fā)射監(jiān)測、微震監(jiān)測等。位移監(jiān)測即利用位移計(jì)、位移測量儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、表面位移監(jiān)測儀等設(shè)備，或應(yīng)用鉆孔探測法對(duì)巖體的表面位移和內(nèi)部位移進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)是將應(yīng)力計(jì)、測力計(jì)等儀器埋設(shè)在巖體內(nèi)部，測量巖體內(nèi)部的受力情況。位移和應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)都是靜態(tài)監(jiān)測技術(shù)，即無法全區(qū)域開展數(shù)據(jù)采集，且獲取的數(shù)據(jù)受儀器本身精度影響較大。聲發(fā)射監(jiān)測和微震監(jiān)測是利用聲發(fā)射傳感器和微震傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部情況進(jìn)行監(jiān)測，是動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)，可以在一定范圍內(nèi)探測到結(jié)構(gòu)中因裂紋擴(kuò)展、變形等原因引起能量釋放而產(chǎn)生的彈性波信號(hào)。通過將彈性波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)推斷出產(chǎn)生源信號(hào)的機(jī)制，再利用定位方法判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的潛在失穩(wěn)區(qū)域(聲源/震源區(qū)域)。由此可見，位移、應(yīng)力、聲發(fā)射和微震監(jiān)測技術(shù)是巖體失穩(wěn)災(zāi)害監(jiān)測的重要手段，但想要找準(zhǔn)巖體內(nèi)部的損傷位置，確定潛在失穩(wěn)區(qū)域，需要采用聲發(fā)射和微震技術(shù)監(jiān)測巖體，再對(duì)聲發(fā)射源、微震源進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體失穩(wěn)災(zāi)害及時(shí)有效的、有針對(duì)性的監(jiān)測和防控。

對(duì)于巖體所處的人機(jī)環(huán)系統(tǒng)來說，對(duì)環(huán)境的監(jiān)測相對(duì)較多，而對(duì)于系統(tǒng)中人和機(jī)械的監(jiān)測相對(duì)較少，這也導(dǎo)致人機(jī)環(huán)系統(tǒng)在災(zāi)害的監(jiān)測與防控方面不全面，系統(tǒng)無法有機(jī)統(tǒng)一，尚未完全、高效地發(fā)揮出系統(tǒng)的功能。因此，巖體失穩(wěn)災(zāi)害的人機(jī)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測不僅可以有效、實(shí)時(shí)掌握巖體內(nèi)部情況，更有利于巖體人機(jī)環(huán)系統(tǒng)功能的發(fā)揮，在監(jiān)測的基礎(chǔ)之上，對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行精細(xì)定位，確定巖體的潛在失穩(wěn)區(qū)域，并從人機(jī)環(huán)系統(tǒng)角度全面、有針對(duì)性地采取防控措施，可大幅度提升巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控能力和水平。

1 巖體失穩(wěn)人機(jī)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

人機(jī)環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)是巖體失穩(wěn)災(zāi)害監(jiān)測的關(guān)鍵內(nèi)容，其對(duì)了解巖體周邊所有情況提供了重要支撐，是開展巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控的基礎(chǔ)。人機(jī)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測主要是針對(duì)巖體人機(jī)環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的情況、有可能發(fā)生的故障或?yàn)檠芯肯到y(tǒng)的各參數(shù)特性，利用一定的儀器和技術(shù)手段對(duì)系統(tǒng)中的人、機(jī)械、環(huán)境相關(guān)參數(shù)或指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，把獲得的結(jié)果進(jìn)行分析、處理、比較，從而對(duì)系統(tǒng)中各元素做出危險(xiǎn)或者不危險(xiǎn)判斷的活動(dòng)，如圖2。通過人機(jī)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測，相關(guān)負(fù)責(zé)人員把監(jiān)測信息及時(shí)向管理人員報(bào)告，為研究解決人機(jī)環(huán)系統(tǒng)功能問題或管理決策提供依據(jù)，降低巖體失穩(wěn)災(zāi)害的可能性，從而不斷改進(jìn)和提高巖體環(huán)境中人機(jī)環(huán)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和安全性。

圖2 巖體失穩(wěn)人機(jī)環(huán)從數(shù)據(jù)到預(yù)警示意圖

1.1 人的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

在巖體環(huán)境中對(duì)人的監(jiān)測，主要是為獲取人的健康狀態(tài)、行為活動(dòng)、語言活動(dòng)、存在狀態(tài)、心理狀態(tài)、工作情況、位置信息等。對(duì)于系統(tǒng)中大多數(shù)人的信息獲取可采用傳感技術(shù)。傳感技術(shù)通過各類傳感器監(jiān)測巖體周圍人體的各種情況，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再傳遞給中央處理器處理，最終將結(jié)果以定量數(shù)據(jù)或圖像等方式顯示至PC端。主要包括熱紅外人體傳感技術(shù)，即通過感知人體體溫發(fā)現(xiàn)人的存在、人的異常體溫和人的行為活動(dòng)；人體接近傳感技術(shù)是一種用于監(jiān)測人體接近的技術(shù)，可準(zhǔn)確探知附近人物的靠近，若在危險(xiǎn)區(qū)域使用該技術(shù)，可以對(duì)人的接近實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒人不要靠近；語音識(shí)別傳感技術(shù)即通過人的語音來監(jiān)測人的存在，同時(shí)可以將人的語音傳遞給另一端，保證溝通的及時(shí)性。如在資源開發(fā)的巖體系統(tǒng)中，可采用熱紅外人體傳感技術(shù)、呼吸頻率傳感技術(shù)來感知人健康狀態(tài)的好壞，狀態(tài)不好的就避免下井，可以減少因人的失誤而導(dǎo)致的巖體失穩(wěn)災(zāi)害，對(duì)于已經(jīng)在井下的，若發(fā)現(xiàn)身體情況不佳，應(yīng)及時(shí)救援，這種對(duì)人的監(jiān)測可以提高人與人之間的交互，能夠有效避免人因失誤造成的巖體失穩(wěn)災(zāi)害。

1.2 機(jī)械監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

在巖體環(huán)境中對(duì)機(jī)械的監(jiān)測，主要是為獲取機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)、溫度、工作完成情況、存在狀態(tài)、位置信息、故障信息等。對(duì)于系統(tǒng)中機(jī)械的監(jiān)測可以采用傳感技術(shù)、特性檢測，常用的特性檢測有超聲檢測、X射線檢測、渦流檢測、聲發(fā)射檢測等。

傳感技術(shù)有接近傳感技術(shù)，即通過感知附近的“接近物”來執(zhí)行機(jī)械的開關(guān)操作，防止機(jī)械與其他巖體或人的碰撞，避免災(zāi)害發(fā)生。轉(zhuǎn)速傳感技術(shù)、壓力傳感技術(shù)，即對(duì)機(jī)械內(nèi)部構(gòu)件的轉(zhuǎn)速、機(jī)械所施加的壓力的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常轉(zhuǎn)速和異常壓力，有針對(duì)性地排除隱患。溫度傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)械的運(yùn)行溫度，對(duì)于異常溫度可以實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)。如在資源開發(fā)的巖體系統(tǒng)中，可以通過傳感系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將車輛在井下的運(yùn)行情況上傳到云計(jì)算平臺(tái)，并通過處理分析獲取定位車輛位置信息，判斷其周圍環(huán)境及巖體條件，并在此基礎(chǔ)上，規(guī)劃車輛的下一個(gè)行動(dòng)和路線，利用這樣的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)機(jī)械的正常運(yùn)行，保證安全。

超聲檢測即利用超聲波對(duì)機(jī)械的內(nèi)部缺陷和性能進(jìn)行精確判定，超聲波具有指向性好、穿透能力強(qiáng)、能量高、靈敏度高等特點(diǎn)。超聲監(jiān)測是利用超聲波監(jiān)測儀產(chǎn)生電振蕩并加之于超聲波探頭上，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大處理后以一定方式顯示出來，從而判斷被監(jiān)測的機(jī)械內(nèi)部有無缺陷，并獲取缺陷的位置和大小等信息。

X射線檢測是利用X射線通過物質(zhì)衰減程度與被透過部位的材質(zhì)、厚度和與缺陷性質(zhì)有關(guān)的特性，使膠片感光成黑度不同的圖像來實(shí)現(xiàn)。膠片曝光后經(jīng)暗室處理，就會(huì)顯示出機(jī)械的結(jié)構(gòu)圖像，根據(jù)膠片上影像的形狀及其黑度的不均勻程度，可以評(píng)定被監(jiān)測機(jī)械的內(nèi)部情況。

渦流檢測指當(dāng)載有交變電流的檢測線圈靠近導(dǎo)電機(jī)械時(shí)，由于激勵(lì)線圈磁場的作用，機(jī)械試件中會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到試件導(dǎo)電性能的影響。渦流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，這個(gè)磁場反過來又使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，可以判斷出被測試機(jī)械的性能及有無缺陷等。

聲發(fā)射可以對(duì)機(jī)械內(nèi)部的損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，聲發(fā)射是機(jī)械在受到力的作用時(shí)產(chǎn)生的變形或破壞，會(huì)以彈性波的形式釋放出能量的現(xiàn)象，通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的追蹤和研究實(shí)現(xiàn)機(jī)械內(nèi)部損傷的監(jiān)測與定位。

1.3 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

在巖體系統(tǒng)中，環(huán)境尤為重要，也是具有巨大隱患的要素，對(duì)于巖體環(huán)境的監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)巖體人機(jī)環(huán)系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié)，主要包括環(huán)境溫度、氣體、損傷的監(jiān)測。環(huán)境溫度主要依靠溫度傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)時(shí)將巖體內(nèi)部的溫度傳遞至管理人員處，方便管理人員做出工作決策。巖體環(huán)境中氣體的監(jiān)測依靠氣敏傳感技術(shù)，通過監(jiān)測一氧化碳或其他有毒有害氣體的成分和含量，并把信息傳遞給PC端，使人機(jī)環(huán)信息交互，工人就能在進(jìn)入環(huán)境前得知空氣情況，采取必要措施。

巖體的損傷監(jiān)測相對(duì)復(fù)雜。巖體損傷具有復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性、被動(dòng)性等特征，這些特征決定了巖體損傷監(jiān)測的重要與不易。巖體損傷監(jiān)測設(shè)備的精準(zhǔn)度和靈敏度決定監(jiān)測信息的準(zhǔn)確性，也影響巖體失穩(wěn)災(zāi)害的有效防治。目前對(duì)于巖體損傷的監(jiān)測主要是利用聲發(fā)射和微震技術(shù)。要對(duì)巖體損傷進(jìn)行監(jiān)測，首先需要進(jìn)行現(xiàn)場勘察，由于大部分巖體體量龐大，往往無法覆蓋全體，在考慮成本的情況下，可以采用循環(huán)監(jiān)測的方法，通過循環(huán)監(jiān)測，可以了解整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)的情況，這對(duì)于災(zāi)害的預(yù)防預(yù)警有重要意義；其次，需要在對(duì)巖體的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測，這些位置往往具有一定的失穩(wěn)條件或前兆；另外，在對(duì)巖體進(jìn)行損傷監(jiān)測時(shí)，需要注意巖體本身的特殊性，應(yīng)采用適應(yīng)巖體環(huán)境的微震和聲發(fā)射傳感器進(jìn)行損傷監(jiān)測。

在獲取各種數(shù)據(jù)資源的過程中，需要深入分析處理環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析可能會(huì)對(duì)巖體環(huán)境造成影響、威脅的自然因素，如降雨、地震。由此可見，如果想要重點(diǎn)展現(xiàn)出環(huán)境監(jiān)測的意義，就有必要做好監(jiān)測后的數(shù)據(jù)分析管理工作，全面提升對(duì)巖體環(huán)境監(jiān)測的認(rèn)識(shí)，保證多部門相互交流配合，強(qiáng)化對(duì)巖體具體環(huán)境的監(jiān)測管理。此外，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)還具有連續(xù)性，由于巖體處于自然界中，而自然界是實(shí)時(shí)變化的，因此，巖體環(huán)境的情況也會(huì)伴隨其產(chǎn)生相應(yīng)的變化，若想精準(zhǔn)地掌控巖體環(huán)境的變化規(guī)律，那么做好長期監(jiān)測管理是極為重要的，能夠有效預(yù)測未來巖體環(huán)境的發(fā)展趨勢。

2 巖體失穩(wěn)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)及精細(xì)定位技術(shù)

巖體環(huán)境的監(jiān)測結(jié)果受監(jiān)測設(shè)備的影響極大，設(shè)備能否適應(yīng)動(dòng)態(tài)的環(huán)境，是否具有高靈敏度等都是重要的影響因素。另外，利用監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行災(zāi)害源的精細(xì)定位是巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控的重要步驟，該步驟是監(jiān)測結(jié)果的直觀體現(xiàn)，能夠直接地反映出巖體的潛在失穩(wěn)區(qū)域，使災(zāi)害防控具有針對(duì)性和有效性。

2.1 巖體失穩(wěn)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)

在災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備研發(fā)制造方面，目前使用廣泛的幾種監(jiān)測系統(tǒng)大部分由國外制造，如澳大利亞IMS系統(tǒng)、加拿大ESG系統(tǒng)、波蘭SOS系統(tǒng)等，但這些系統(tǒng)的成本較高。而國內(nèi)自主研發(fā)的監(jiān)測設(shè)備在數(shù)據(jù)獲取與處理等方面還存在一定差距。因此，針對(duì)現(xiàn)有微震監(jiān)測設(shè)備難以捕捉小事件的缺陷、數(shù)據(jù)處理滯后的問題，筆者及其團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)了靈敏度高、頻響范圍廣、環(huán)境自適應(yīng)能力強(qiáng)的智能感知傳感器，開發(fā)了具有我國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)高精度多維微震監(jiān)測系統(tǒng)，融入了建立的“P波初至的多指標(biāo)加權(quán)自動(dòng)拾取方法”“異常到時(shí)剔除方法”“無需預(yù)先測定波速的微震震源解析迭代協(xié)同定位方法”“微震與爆破震源實(shí)時(shí)辨識(shí)方法”等核心關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到了“信號(hào)智能感知”“數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)處理”“災(zāi)害精細(xì)預(yù)警”的效果，實(shí)現(xiàn)從微震監(jiān)測數(shù)據(jù)到微震事件信息、從微震事件信息到災(zāi)害預(yù)警指令的全過程實(shí)時(shí)協(xié)同監(jiān)測，提升巖體災(zāi)害的防控技術(shù)水平。

2.1.1 硬件設(shè)備

硬件設(shè)備主要包括加速度/速度傳感器、動(dòng)態(tài)采集儀、時(shí)鐘同步、通訊設(shè)備等。

加速度傳感器通過將巖體運(yùn)動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換成一個(gè)可衡量的電子信號(hào)來衡量巖體破裂、變形等微震活動(dòng)，具有耐腐蝕、防沖擊的優(yōu)點(diǎn)。通過設(shè)置微震加速度傳感器信號(hào)輸出頻率，經(jīng)反復(fù)反饋優(yōu)化信號(hào)輸出頻率，可調(diào)整傳感器靈敏度，并達(dá)到30V/g以上，進(jìn)而提高設(shè)備感知能力；利用傳感實(shí)驗(yàn)研究，搭建發(fā)射頻率可靈活調(diào)節(jié)的射頻收發(fā)電路，利用不同地質(zhì)條件下聲發(fā)射事件頻率信號(hào)，智能判別得到頻率區(qū)間，以適應(yīng)不同巖體環(huán)境；通過設(shè)置智能感知監(jiān)測設(shè)備的檢波器個(gè)數(shù)閾值進(jìn)行干擾事件的篩選處理，研發(fā)具有噪音濾波功能的高性能感知設(shè)備，增強(qiáng)智能感知設(shè)備對(duì)外部噪音信號(hào)的抗干擾能力。

動(dòng)態(tài)采集儀適用于測點(diǎn)較為集中且被測物理量快速變化的環(huán)境中，主要用于監(jiān)測參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，其可接入不同類型的傳感器，兼容性好，可完成應(yīng)力、應(yīng)變、震動(dòng)加速度、速度、位移、沖擊、溫度、壓力等多個(gè)物理量的測量，其具有通道數(shù)可修改、抗混濾波強(qiáng)、采集精度高、穩(wěn)定性佳等優(yōu)點(diǎn)，既可以用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測量，也可以用于長期現(xiàn)場監(jiān)控。

此外，研發(fā)了授時(shí)服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測模塊之間的時(shí)間同步，時(shí)間同步信號(hào)的傳輸方式可根據(jù)監(jiān)測范圍的大小及監(jiān)測模塊之間的距離進(jìn)行調(diào)整。

2.1.2 智能監(jiān)測可視化軟件

智能監(jiān)測可視化軟件借助上述傳感器實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，以直觀的數(shù)字或圖形的方式將監(jiān)測結(jié)果展現(xiàn)出來，軟件內(nèi)嵌入了包括文件、編輯、處理、事件等選項(xiàng)的菜單及三維視圖、微震事件列表、傳感器坐標(biāo)、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)模塊，通過加速度傳感器、多功能動(dòng)態(tài)采集儀對(duì)震動(dòng)、視應(yīng)力等多個(gè)參數(shù)的采集。軟件中的數(shù)據(jù)處理模塊嵌入了微震監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)處理方法，包括震源信號(hào)的自動(dòng)化辨識(shí)方法和P波初至多指標(biāo)加權(quán)自動(dòng)拾取方法。方法中充分利用解析解的高精解優(yōu)勢，以概率分析與相對(duì)距離為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了異常到時(shí)的準(zhǔn)確剔除；借助頻譜分析和移動(dòng)時(shí)窗分析法，克服刺突和尾部震蕩的影響，聯(lián)合多信息權(quán)重綜合確定首波初至，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜噪聲環(huán)境中P波初至?xí)r刻的自動(dòng)拾取。另外，在可視化軟件中，可以實(shí)時(shí)查看已監(jiān)測到的和剛監(jiān)測到的微震事件，實(shí)現(xiàn)了震源自動(dòng)化識(shí)別和震源拾取的功能。

該監(jiān)測系統(tǒng)硬件及可視化界面，如圖3。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件及可視化界面圖

2.2 未知波速的聲源/震源三維定位方法

目前針對(duì)微震源和聲發(fā)射源的定位有很多，如Geiger定位法、雙重殘差法、時(shí)差定位法等，這些傳統(tǒng)定位方法的定位精度嚴(yán)重依賴于迭代算法和預(yù)先測量的波速值，且已有的解析定位方法因含有平方根而存在解不唯一的問題，尤其是預(yù)先測量波速這一問題。由于巖體是各向異性材料，不同區(qū)域的巖體波速是完全不同且動(dòng)態(tài)變化的，采取確定的唯一平均波速值作為巖體的波速不妥，其準(zhǔn)確性與定位的精細(xì)度要求不平衡。為解決這些定位難題，避免巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控措施失效，筆者提出未知波速系統(tǒng)中聲源/震源三維解析綜合定位方法和含空區(qū)的三維定位法。

2.2.1 聲源/震源三維解析綜合定位方法

為消除異常到時(shí)和預(yù)先測定波速的影響，筆者開發(fā)了聲源/震源三維解析綜合分析定位方法。具體步驟為：

(3)通過對(duì)

F

，

F

和

F

設(shè)置一個(gè)區(qū)間(

a

,1-

a

)，選擇

a

和1-

a

作為

F

，

F

和

F

的控制值，可以計(jì)算出解集

S

，

S

和

S

。用

S

，

S

和

S

來表征與正確定位結(jié)果有偏差的異常定位結(jié)果。

(6)對(duì)異常到達(dá)進(jìn)行過濾后，再采用迭代解析定位方法對(duì)

n

-1個(gè)清除后的源進(jìn)行定位，獲得定位結(jié)果，見式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

v

—聲發(fā)射源到觸發(fā)傳感器的P波平均速度值,m/s；

t

0—第一個(gè)事件的起始時(shí)間,s；

Δ—表示一個(gè)參數(shù)的擾動(dòng)；

e

—表示擾動(dòng)和數(shù)據(jù)誤差的高階項(xiàng)。通過求解，可求得準(zhǔn)確的源坐標(biāo)

x

,

y

,

z

，該解析綜合定位方法也可稱為時(shí)差法(Trigger Difference，TD)，與目前廣泛使用的預(yù)先測速的定位方法(Location Method of Pre-measured Velocity，LM-PV)相比，TD法消除了預(yù)測波速引起的定位誤差，具有精度高的顯著優(yōu)勢。

2.2.2 含空區(qū)的三維定位方法

(3)

式中：

每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)得到相對(duì)應(yīng)的

D

值。隨著

D

值的增加，

P

與未知源

P

的偏差越大。因此，最小

D

值所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為震源坐標(biāo)。該方法在計(jì)算時(shí)將彈性波的波速視為未知，以減少監(jiān)測過程中波速變化引起的定位誤差，能有效地適應(yīng)不規(guī)則的三維巖體結(jié)構(gòu)。

上述2種定位方法均有效提高了結(jié)構(gòu)內(nèi)震源定位的精度，對(duì)于巖體失穩(wěn)災(zāi)害的危險(xiǎn)區(qū)域確定具有重要意義。

3 基于智能安全人機(jī)工程學(xué)的巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控技術(shù)

災(zāi)害防控是人機(jī)環(huán)系統(tǒng)安全防控問題。可將智能安全人機(jī)工程的相關(guān)知識(shí)應(yīng)用到巖體災(zāi)害防控中。筆者認(rèn)為智能安全人機(jī)工程學(xué)是指以新一代信息技術(shù)為工具，以生理學(xué)、心理學(xué)、環(huán)境學(xué)等學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ)，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的美好生活與工作的需求為出發(fā)點(diǎn)，以將安全理念徹底融入到人機(jī)環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行、維護(hù)全生命周期為側(cè)重點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本質(zhì)安全為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)“人—機(jī)—環(huán)—信”系統(tǒng)自適應(yīng)、自訓(xùn)練、自維護(hù)、自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化為最終目的一門新興交叉綜合學(xué)科。對(duì)于具體巖體災(zāi)害防控的人機(jī)環(huán)問題，主要包括災(zāi)害預(yù)警與控制。

安全預(yù)警是巖體災(zāi)害防控的一項(xiàng)重要內(nèi)容，一套完整的、科學(xué)的、系統(tǒng)的、全方位的巖體安全智能預(yù)警系統(tǒng)，可以充分挖掘數(shù)據(jù)特征，并從信息的動(dòng)態(tài)變化中提取關(guān)鍵指標(biāo)，通過預(yù)警等手段更加有效地保障巖體人機(jī)環(huán)系統(tǒng)安全，適應(yīng)巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控的需求。在巖體環(huán)境的人機(jī)環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，可融入智能安全人機(jī)工程概念，在系統(tǒng)的本質(zhì)設(shè)計(jì)上注重自適應(yīng)、自訓(xùn)練、自維護(hù)，可達(dá)到本質(zhì)安全的目標(biāo)，從根源上實(shí)現(xiàn)巖體災(zāi)害的有效防控。同時(shí)，在上述的巖體人機(jī)環(huán)系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取與分析處理基礎(chǔ)之上，可通過建立巖體災(zāi)害智能預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體致災(zāi)因子的實(shí)時(shí)診斷和評(píng)價(jià)，進(jìn)行系統(tǒng)自維護(hù)、自優(yōu)化，并做出預(yù)警行為，達(dá)到對(duì)巖體災(zāi)害有效防控的目的。在接收系統(tǒng)預(yù)警之后，需要及時(shí)對(duì)維護(hù)情況進(jìn)行檢查，對(duì)必要潛在失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行更有力的控制，采取相應(yīng)控制管理措施，降低巖體失穩(wěn)災(zāi)害發(fā)生可能性，減少人員的傷亡與損失。

3.1 巖體失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)警

以巖體的人機(jī)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合巖體失穩(wěn)監(jiān)測系統(tǒng)及其各個(gè)模塊建立巖體失穩(wěn)災(zāi)害智能預(yù)警系統(tǒng)，如圖4。該系統(tǒng)在接收到異常的人、機(jī)械、環(huán)境數(shù)據(jù)或信息時(shí)，可以發(fā)出警報(bào)，或以亮燈形式實(shí)時(shí)提醒管理人員，管理人員可依據(jù)可視化窗口查看系統(tǒng)的自維護(hù)、自優(yōu)化情況，并根據(jù)實(shí)際制定管理方案。

圖4 巖體失穩(wěn)災(zāi)害人機(jī)環(huán)預(yù)警系統(tǒng)

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)人的預(yù)警，主要針對(duì)人的健康狀態(tài)和行為活動(dòng)。人在巖體環(huán)境中，通過傳感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測其相關(guān)狀態(tài)，并將狀態(tài)傳輸?shù)搅硪欢恕Ｈ嗽谧鳂I(yè)過程中，若出現(xiàn)體溫過高、呼吸急促等問題，傳感技術(shù)能及時(shí)接收，并通過預(yù)警系統(tǒng)將這一信息傳遞給作業(yè)人員本人和另一端的管理人員，通過智能安全人機(jī)的人人交互與人機(jī)交互，可以實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)時(shí)的人的異常狀態(tài)預(yù)警。此外，人的行為活動(dòng)也可以通過傳感技術(shù)傳遞，管理人員在PC端接收到異常行為活動(dòng)警報(bào)后，可以通過語音技術(shù)，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行提醒和警告，防止人失誤造成的巖體災(zāi)害。

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)機(jī)械的預(yù)警，主要針對(duì)機(jī)械的異常狀態(tài)和工作情況。機(jī)械在巖體環(huán)境中，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是管理人員關(guān)注的重點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷、異常的溫度、轉(zhuǎn)速、壓力等都可能導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)行超出巖體的承受能力，進(jìn)而出現(xiàn)失穩(wěn)災(zāi)害。預(yù)警系統(tǒng)可以通過傳感技術(shù)或損傷檢測等對(duì)異常信息進(jìn)行預(yù)警，相關(guān)人員可以及時(shí)針對(duì)問題采取措施。此外，在智能安全人機(jī)工程系統(tǒng)中，還可利用系統(tǒng)自適應(yīng)、自維護(hù)等特點(diǎn)對(duì)異常情況進(jìn)行修復(fù)。

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境的預(yù)警，主要針對(duì)物理環(huán)境和巖體損傷。通過傳感技術(shù)可獲取環(huán)境溫度及氣體異常信息，并由預(yù)警系統(tǒng)將異常情況進(jìn)行警報(bào)。在進(jìn)入環(huán)境前，應(yīng)做好應(yīng)對(duì)措施，或采取一定手段，排除異常情況后，再進(jìn)入環(huán)境。對(duì)于巖體損傷，將微震或聲發(fā)射設(shè)備采集拾取到的事件數(shù)，采用監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出主動(dòng)震源的實(shí)時(shí)波速，并繪制出固定時(shí)間長度的微震事件個(gè)數(shù)和波速值的變化趨勢圖，同時(shí)，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行未知波速的震源定位，分析微震事件個(gè)數(shù)、波速值的變化趨勢以及聲源/震源的定位結(jié)果，綜合三者結(jié)果，獲得巖體失穩(wěn)災(zāi)害前兆信息，以此對(duì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。

3.2 巖體失穩(wěn)災(zāi)害的控制

對(duì)巖體失穩(wěn)災(zāi)害的控制是巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控過程中最為重要的一環(huán)，在前期工作基礎(chǔ)之上，需要采取一定的控制措施，對(duì)潛在失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行約束。在災(zāi)害控制上，可以采取的手段主要有巖體支護(hù)和人機(jī)環(huán)功能的協(xié)調(diào)。

巖體支護(hù)主要有錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨索支護(hù)等方式，但這些支護(hù)方式無法反映自身和巖體的承載能力和承載情況，容易造成支護(hù)的失效，進(jìn)而導(dǎo)致巖體失穩(wěn)災(zāi)害的發(fā)生，因此筆者研發(fā)了一種基于多信息感知的災(zāi)害預(yù)警錨桿。災(zāi)害預(yù)警錨桿上設(shè)置有多種信號(hào)傳感器以及光電預(yù)警器，可以實(shí)時(shí)反映錨桿安裝位置巖體的各種信息，并通過預(yù)警器對(duì)多種信號(hào)傳感器感知到的信息進(jìn)行預(yù)警。安裝的多種傳感器包括振動(dòng)傳感器、位移傳感器、壓力傳感器采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，可獲得能夠反映巖體情況的參數(shù)，通過搭建云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，再通過信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警，對(duì)有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的巖體及時(shí)采取控制措施，這種支護(hù)方式能夠準(zhǔn)確、快速、有效的在局部范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警與控制。

人機(jī)環(huán)功能的協(xié)調(diào)指在不同的巖體環(huán)境中，采取不同的控制手段進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)環(huán)的協(xié)調(diào)，達(dá)到效能和安全性較高的狀態(tài)。在巖體失穩(wěn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大的環(huán)境中，或者在人體暴露面積較大的巖體環(huán)境中，人所受到的巖體失穩(wěn)威脅較大，因此，在巖體人機(jī)環(huán)系統(tǒng)中，可引入智能安全人機(jī)工程，利用系統(tǒng)自適應(yīng)、自訓(xùn)練、自維護(hù)、自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化的優(yōu)勢和技術(shù)的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的有效控制，針對(duì)巖體的作業(yè)，也應(yīng)當(dāng)采用智能化機(jī)械，用機(jī)械代替人工作，主要包括無人駕駛車輛(其應(yīng)用流程如圖5)、無人機(jī)等，人只需進(jìn)行遠(yuǎn)程的設(shè)備管理和維護(hù)，不進(jìn)入巖體環(huán)境，不會(huì)有暴露于巖體失穩(wěn)環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而降低巖體災(zāi)害損失。對(duì)于危險(xiǎn)性較小或人體暴露面積較小的巖體環(huán)境，人可以進(jìn)入環(huán)境作業(yè)，但也要配備必要的安全設(shè)備或工具。

圖5 無人駕駛汽車作業(yè)應(yīng)用流程圖

4 結(jié)論

巖體失穩(wěn)災(zāi)害的防控需重點(diǎn)關(guān)注靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的巖體環(huán)境外，還應(yīng)對(duì)巖體環(huán)境內(nèi)的人和機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、系統(tǒng)的監(jiān)測。本文闡述了人機(jī)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)，對(duì)于人利用傳感和紅外技術(shù)，對(duì)于設(shè)備利用傳感技術(shù)和特性檢測，對(duì)于環(huán)境利用傳感和聲學(xué)技術(shù)。針對(duì)環(huán)境的監(jiān)測主要包括2個(gè)方面，一是物理環(huán)境監(jiān)測，二是巖體損傷檢測。其次，介紹了自主研發(fā)的巖體失穩(wěn)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)及系統(tǒng)涉及的聲源/震源三維解析綜合定位方法與含空區(qū)的三維定位方法。最后，以巖體失穩(wěn)災(zāi)害防控為目的，建立了災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含人、機(jī)械和環(huán)境3個(gè)方面，是涵蓋“監(jiān)測數(shù)據(jù)→預(yù)警信息→防控方法”全過程的綜合系統(tǒng)，有望為巖體工程的全生命周期安全提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。