巷道頂板離層的地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)與預(yù)警判據(jù)研究結(jié)題摘要

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(hào)為監(jiān)測(cè)手段，開展對(duì)巷道頂板離層的非接觸式監(jiān)測(cè)與預(yù)警判據(jù)研究。項(xiàng)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(hào)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(hào)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(hào)方式。 2．在研究了時(shí)域有限差分法的基本原理后，結(jié)合頂板離層的特點(diǎn)，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(duì)頂板離層模型進(jìn)行物理模擬，并對(duì)模擬得到的時(shí)間剖面圖進(jìn)行圖像處理。首先對(duì)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(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理后，運(yùn)用一種改進(jìn)的多尺度多方向自適應(yīng)閾值算法對(duì)頂板離層進(jìn)行邊緣檢測(cè)。同時(shí)改進(jìn)了傳統(tǒng)的灰度閾值分割算法，對(duì)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(jí)事故預(yù)警閾值。通過工程實(shí)例分析，驗(yàn)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(duì)離層進(jìn)行監(jiān)測(cè)是防治巷道冒頂事故的重要手段。本項(xiàng)目針對(duì)目前巷道頂板離層鉆孔監(jiān)測(cè)存在的問題與不足，提出采用地質(zhì)雷達(dá)電磁波信號(hào)對(duì)頂板離層進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)的新思路。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)?zāi)M、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(cè)與預(yù)警判據(jù)研究。首先通過三維實(shí)驗(yàn)?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(shí)窗大小、采樣頻率等參數(shù)之間的耦合影響關(guān)系。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取的三維地質(zhì)雷達(dá)離層信號(hào)，利用圖像處理技術(shù)改進(jìn)頂板離層地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的解釋與分析算法，從而實(shí)現(xiàn)三維離層目標(biāo)信號(hào)由定性分析轉(zhuǎn)換成定量分析。對(duì)巷道冒頂前的力學(xué)平衡方程進(jìn)行理論分析，同時(shí)基于三維離層信號(hào)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(jí)的頂板事故預(yù)警判據(jù)。為實(shí)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)對(duì)頂板離層進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)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(duì)承擔(dān)的科技部國際科技合作專項(xiàng)《降雨型滑坡泥石流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與示范研究》項(xiàng)目，通過科技部組織的驗(yàn)收。降雨型滑坡泥石流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)劃任務(wù)，取得了良好的研究成果和社會(huì)效益。驗(yàn)收組全體專家一致給出成果優(yōu)秀的評(píng)價(jià)。

《降雨型滑坡泥石流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與示范研究》研究項(xiàng)目2013年啟動(dòng)，2017年正式結(jié)題?！督涤晷突履嗍鲗?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與示范研究》系統(tǒng)總結(jié)了滑坡泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警原理和分類、監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)、空間預(yù)警和時(shí)間預(yù)警類型和方法、監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警理論和方法體系；在引進(jìn)日方的滑坡監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了精度高、成本低廉、安裝簡(jiǎn)易、信號(hào)可靠的多點(diǎn)式三級(jí)串聯(lián)可全域覆蓋的地表測(cè)斜儀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，成為我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備中的首創(chuàng)；通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)，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(dòng)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(duì)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(jì)算泥石流預(yù)警雨量閾值的方法。

《降雨型滑坡泥石流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與示范研究》還在成都市龍門山區(qū)地震擾動(dòng)區(qū)建設(shè)了8處滑坡泥石流現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警示范點(diǎn)，已提供成都市相關(guān)部門地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)使用。

《降雨型滑坡泥石流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與示范研究項(xiàng)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(huì)社，臺(tái)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(jī)構(gòu)深化了合作交流，推動(dòng)了部分亞洲國家和地區(qū)在滑坡泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警方面研究合作，加深了相互之間的了解，增強(qiáng)了我國科研技術(shù)在國際學(xué)術(shù)舞臺(tái)上的地位和知名度。

《降雨型滑坡泥石流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與示范研究》項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)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(shí)踐檢驗(yàn)獲取更多、更可靠的監(jiān)測(cè)預(yù)警效果。 2100433B

煤礦頂板事故時(shí)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(cè)及預(yù)警的相關(guān)理論對(duì)于預(yù)防和減少頂板事故非常重要與緊迫。本項(xiàng)目通過理論探索、實(shí)驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)研究了礦山支護(hù)磁性無損監(jiān)測(cè)及預(yù)警的相關(guān)基礎(chǔ)理論與技術(shù)。運(yùn)用磁疇、隨機(jī)各向異性等理論，探討了不同元素對(duì)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(duì)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(diǎn)，通過測(cè)量非晶合金的低溫比熱、分析計(jì)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(jī)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(duì)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(jì)了應(yīng)力磁性測(cè)試方案及其系統(tǒng)，運(yùn)用磁路及磁化理論研究了鐵磁材料中應(yīng)力對(duì)輸出信號(hào)的影響，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)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(lì)磁電流等環(huán)境因素及表面處理等對(duì)測(cè)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(lì)磁信號(hào)（波形、頻率、電壓）在不同溫度、不同應(yīng)力時(shí)的輸出信號(hào)，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(jī)理；建立和豐富了適合不同測(cè)試條件下的數(shù)據(jù)庫；通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明了應(yīng)力磁性監(jiān)測(cè)的可行性，為建立礦山支護(hù)的預(yù)警提供了有價(jià)值的參考。 2100433B