巷道頂板離層的地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測與預(yù)警判據(jù)研究

本課題通過理論分析、數(shù)值模擬、物理模擬等多種手段，以地質(zhì)雷達(dá)電磁波信號為監(jiān)測手段，開展對巷道頂板離層的非接觸式監(jiān)測與預(yù)警判據(jù)研究。項目開展的主要研究工作以及取得的創(chuàng)新成果如下： 1．通過研究電磁波信號在頂板巖層中不同介質(zhì)交界面的傳播規(guī)律，并分析電磁波信號在頂板巖層中的傳播衰減因素，得出所選擇的地質(zhì)雷達(dá)電磁波是采集頂板離層的一種最佳信號方式。 2．在研究了時域有限差分法的基本原理后，結(jié)合頂板離層的特點，通過改變頻率、介電常數(shù)、離層厚度、離層深度等參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)值模擬。 3．對頂板離層模型進(jìn)行物理模擬，并對模擬得到的時間剖面圖進(jìn)行圖像處理。首先對頂板離層地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行背景移除、FIR濾波、小波去噪等預(yù)處理。在對圖像進(jìn)行預(yù)處理后，運用一種改進(jìn)的多尺度多方向自適應(yīng)閾值算法對頂板離層進(jìn)行邊緣檢測。同時改進(jìn)了傳統(tǒng)的灰度閾值分割算法，對頂板離層地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行分割并得到了很好的離層區(qū)域分割效果。 4．結(jié)合頂板離層值(撓度)提出了以頂板離層面積為預(yù)警指標(biāo)并建立了三級事故預(yù)警閾值。通過工程實例分析，驗證了事故預(yù)警閾值的準(zhǔn)確性。 2100433B

頂板離層是巷道冒頂事故的主要前兆信息，對離層進(jìn)行監(jiān)測是防治巷道冒頂事故的重要手段。本項目針對目前巷道頂板離層鉆孔監(jiān)測存在的問題與不足，提出采用地質(zhì)雷達(dá)電磁波信號對頂板離層進(jìn)行非接觸式監(jiān)測的新思路。運用實驗?zāi)M、現(xiàn)場試驗與理論分析相結(jié)合的方法，開展巷道頂板離層的非接觸式監(jiān)測與預(yù)警判據(jù)研究。首先通過三維實驗?zāi)M揭示離層厚度、離層深度、離層與背景介質(zhì)的介電常數(shù)差異等參數(shù)與地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)的天線頻率、時窗大小、采樣頻率等參數(shù)之間的耦合影響關(guān)系。對現(xiàn)場試驗獲取的三維地質(zhì)雷達(dá)離層信號，利用圖像處理技術(shù)改進(jìn)頂板離層地質(zhì)雷達(dá)信號的解釋與分析算法，從而實現(xiàn)三維離層目標(biāo)信號由定性分析轉(zhuǎn)換成定量分析。對巷道冒頂前的力學(xué)平衡方程進(jìn)行理論分析，同時基于三維離層信號分析結(jié)果，推導(dǎo)得出頂板失穩(wěn)的臨界離層面積值，并建立分級的頂板事故預(yù)警判據(jù)。為實現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)信號對頂板離層進(jìn)行非接觸式監(jiān)測與預(yù)警奠定理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。

2017年7月17日，由中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所喬建平研究員團(tuán)隊承擔(dān)的科技部國際科技合作專項《降雨型滑坡泥石流實時監(jiān)測預(yù)警與示范研究》項目，通過科技部組織的驗收。降雨型滑坡泥石流實時監(jiān)測預(yù)警與示范研究經(jīng)過四年的探索和努力，超額完成了計劃任務(wù)，取得了良好的研究成果和社會效益。驗收組全體專家一致給出成果優(yōu)秀的評價。

《降雨型滑坡泥石流實時監(jiān)測預(yù)警與示范研究》研究項目2013年啟動，2017年正式結(jié)題?！督涤晷突履嗍鲗崟r監(jiān)測預(yù)警與示范研究》系統(tǒng)總結(jié)了滑坡泥石流監(jiān)測預(yù)警原理和分類、監(jiān)測預(yù)警結(jié)構(gòu)、空間預(yù)警和時間預(yù)警類型和方法、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)手段，形成了較完整的降雨型滑坡泥石流監(jiān)測預(yù)警理論和方法體系；在引進(jìn)日方的滑坡監(jiān)測儀器設(shè)備和實驗研究技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了精度高、成本低廉、安裝簡易、信號可靠的多點式三級串聯(lián)可全域覆蓋的地表測斜儀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，成為我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測儀器設(shè)備中的首創(chuàng)；通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模擬試驗，分析了降雨誘發(fā)滑坡泥石流的臨界條件及其破壞過程，建立了滑坡和泥石流不同物源體破壞啟動的預(yù)警模型和臨界雨量標(biāo)準(zhǔn)，形成早期預(yù)警研究模式；針對缺資料山區(qū)降雨資料缺乏的問題，通過分析研究區(qū)的降雨條件、水文特征及下墊面條件，根據(jù)產(chǎn)匯流原理，提出了資料缺失地區(qū)計算泥石流預(yù)警雨量閾值的方法。

《降雨型滑坡泥石流實時監(jiān)測預(yù)警與示范研究》還在成都市龍門山區(qū)地震擾動區(qū)建設(shè)了8處滑坡泥石流現(xiàn)場實時監(jiān)測預(yù)警示范點，已提供成都市相關(guān)部門地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)使用。

《降雨型滑坡泥石流實時監(jiān)測預(yù)警與示范研究項目合作期間，中-日雙方擴(kuò)大了學(xué)術(shù)交流合作的范圍，與日本東京大學(xué)、日本土木研究所、日本中央開發(fā)株式會社，臺灣國立交通大學(xué)、中央研究院、國立中央大學(xué)、國立成功大學(xué)、國立高雄第一科技大學(xué)，斯里蘭卡Inst.of Information Technology，印度尼西亞Institute of Technology Bandung，泰國Kasetsart University等國家和地區(qū)的高校和研究機構(gòu)深化了合作交流，推動了部分亞洲國家和地區(qū)在滑坡泥石流監(jiān)測預(yù)警方面研究合作，加深了相互之間的了解，增強了我國科研技術(shù)在國際學(xué)術(shù)舞臺上的地位和知名度。

《降雨型滑坡泥石流實時監(jiān)測預(yù)警與示范研究》項目驗收會專家一致建議，應(yīng)該采用多渠道的方式將該研究成果延續(xù)下去，通過實踐檢驗獲取更多、更可靠的監(jiān)測預(yù)警效果。 2100433B

煤礦頂板事故時常發(fā)生，導(dǎo)致的死亡人數(shù)居各類事故之首。研究礦山支護(hù)設(shè)備的無損監(jiān)測及預(yù)警的相關(guān)理論對于預(yù)防和減少頂板事故非常重要與緊迫。本項目通過理論探索、實驗研究、現(xiàn)場測試系統(tǒng)研究了礦山支護(hù)磁性無損監(jiān)測及預(yù)警的相關(guān)基礎(chǔ)理論與技術(shù)。運用磁疇、隨機各向異性等理論，探討了不同元素對鐵基軟磁非晶合金物理性能及非晶形成能力的影響；系統(tǒng)研究了化學(xué)成分、退火工藝等因素對材料微結(jié)構(gòu)、軟磁、力學(xué)等性能的影響；結(jié)合鐵基非晶合金組元復(fù)雜的特點，通過測量非晶合金的低溫比熱、分析計算獲得了多組元復(fù)雜非晶合金的電子態(tài)密度等微觀結(jié)構(gòu)信息及其與非晶形成能力的關(guān)系，克服了目前軟件模擬只能研究低組元非晶合金體系電子結(jié)構(gòu)信息的不足，厘清了合金軟磁和力學(xué)性能變化的內(nèi)在機制；研究制備了兼具優(yōu)異軟磁性能和非晶形成能力的(Fe1-xNix)72B20Si4Nb4(x = 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4和0.5) 、 Fe72-xCuxB20Si4Nb4 (x=0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8和1.0)、(Fe1-xCox)71.4Cu0.6B20Si4Nb4 (x=0, 0.1, 0.3, 0.5和0.7)鐵基非晶合金；一次成型成功形狀相對復(fù)雜、軟磁性能優(yōu)異(Fe0.72B0.24Nb0.04)95.5Y4.5U形非晶合金磁芯；設(shè)計了應(yīng)力磁性測試方案及其系統(tǒng)，運用磁路及磁化理論研究了鐵磁材料中應(yīng)力對輸出信號的影響，發(fā)現(xiàn)檢測線圈輸出電壓的有效值與試件中主應(yīng)力差的關(guān)系，研究了試件剩磁、勵磁電流等環(huán)境因素及表面處理等對測試結(jié)果的影響；系統(tǒng)研究了Q195, Q215, Q235, Q255, Q275及Q345六種常見工程鐵磁材料在不同勵磁信號（波形、頻率、電壓）在不同溫度、不同應(yīng)力時的輸出信號，得到了不同材質(zhì)應(yīng)力分布規(guī)律；研究了支護(hù)設(shè)備不同工況下的信息特征、變化規(guī)律和演變機理；建立和豐富了適合不同測試條件下的數(shù)據(jù)庫；通過現(xiàn)場測試，證明了應(yīng)力磁性監(jiān)測的可行性，為建立礦山支護(hù)的預(yù)警提供了有價值的參考。 2100433B