文摘

在各种生产、时代的变化和科技进步让我们监测数据有更高的要求。为了提高矿山岩石微地震监测的准确性和矿井灾害预警的敏感性和特异性,是非常重要的使用光的变化和材料振动监测环境变化。摘要光学硬件系统的设计,提高了传统系统,使用光波的变化探测的空间变化,并形成纳米数码影像摄影(ndip)系统来收集更详细的数据。三年田间试验的指导下仿真实验表明,该系统具有较高的监测灵敏度、预警敏感性,比激光陀螺仪系统和特异性,但其antidust干扰能力低,所以它不能替代激光陀螺仪系统在短时间内,但它可以补充,实现数据融合分析。

1。介绍

各种矿山,资源开采的煤、铁、锰、或有色金属,露天采矿、地下采矿、或连续的小规模采矿方法,将连续和不规则扰动围岩。(1]这些干扰造成的围岩微震的过程是很难有效地检测到常规地震仪,但它与岩石的自然过程的压力,容易导致崩溃等事故,水喷出,与瓦斯突出。(2]因此,近年来,该研究领域的智能矿山发展迅速,和矿山微震的研究检测仪器也被踢出的新需求。

纳米数码影像摄影(NDIP)技术首次应用于爆炸的研究。一定数量的炸药引爆在平行光传播路径,和空气密度扰动引起的爆炸冲击波将形成一个图像变化对成像元素。(3因为所需的空气干扰能量在这项研究中产生的能量远远大于我的微型空气介质的矿区,一个方法来有效地捕获矿山微震的特征是由使用ndip技术和多波段干扰成像方法,实现准确的学习和分析波的特征在田间试验(4]。

本研究的核心创新是将复杂的岩石冲击波microaction下我的空间关系变化信号通道的内壁,然后使用光学仪器捕捉空间关系的变化过程,介绍了机器学习算法来识别和分析项目没有特征库,并引入机器学习算法来识别和分析项目没有特征库。(5]。

本研究将比较NDIP技术与传统的监测和预警系统,分析各种技术的优缺点,改进NDIP系统,补充传统技术,扩大了使用范围。

2。光学NDIP硬件系统设计

的基础上的传统NDIP系统,光谱仪系统,振动镜像系统,介绍了光学干涉系统,收集到的干涉图像,避免了传统的NDIP成像过程,需要巨大的能量来打扰中密度获得一个有效的图像。的基础振动镜固定在隧道岩墙结构,和岩墙结构的振幅光波波长的1/4的空间,这可能会导致大范围的图像光学干涉仪的变化。上述系统如图1。

在图1,光源系统形成的发光组件,镜头组件,和分束器组件作为系统,这两个反射镜系统作为系统B和系统C,和干涉仪组件和成像组件作为系统d就可以形成相对稳定的光学路径的四个系统通过桁架结构和对象结构,但这四个系统需要安装在隧道很长一段距离,所以这个安装方法可以使每个系统形成一个长,整体支撑结构共同作用下的弹塑性变形。因此,当最终的成像结果的变化,不仅仅是单独的空间干扰的a-b-d路径或a-c-d路径还系统的位移扰动和D体系本身。即虽然改善NDIP系统可以敏感地捕捉1/4波长的空间变形,这是被强烈的振动,和机器学习分析系统需要有效地消除这种干扰。

为了确定提供的监控波长光源,矿山岩体微震的振动振幅计算,和图2是获得。

在图2岩体微弱的震动的振幅概率是0∼1500 nm之间广泛分布(0∼0.0015毫米)。根据干涉原理,当光波的相位位移超过1/4波长,干扰规定将改变最显著;即亮线将会完全变成了暗行。可见光的波长范围是390∼780海里。一般光源的可操作的波长范围和光学探测器基于光敏系统包括可见光、近红外、近紫外;光学干涉图像,可以有效地收集在220∼1350海里的范围。岩层的实际振动振幅也广泛分布在图上方1500海里的范围之内,这不是系统的控制范围内。其他探针可用于帮助获取振动信号。

在实际的波长选择、系统使用235 nm近红外射线红灯(调整后650纳米成像),与520 nm绿激光绿灯,1300海里近紫外和蓝光(调整后425海里显示成像)。如上所述,数码感光的探测范围- 220∼1350海里。太接近数码感光的两级限制负面影响光敏效率。因此,235 nm、520 nm和1300 nm范围内选为光敏单色目标成像,分别。

3所示。微震的图像的数字处理策略

在这项研究中,三个波长是用来检测量表形式,235 nm、520 nm和1300 nm。每个光波产生重要的测量分在1/4波长,和滑动测量可以实现;即检测尺度的三列58.75 nm, 130 nm和325 nm,分别。尺度的三列是重叠后,最小公倍数是3770海里,最小公约数是1.25海里;即最大经济范围的复合测量尺度是3770海里(0.00377毫米),最大测量误差为±1.25海里。信号超过3770海里(0.00377毫米)需要测量反复使用计数器因为它穿过公倍数范围。测量的长度,这个场景在这里不讨论。

在图3光栅图像获得的三个波长探测器集成在一起形成一个彩色图像分辨率为1024×768照片。空间卷积后的峰值检测卷积核心和边缘检测卷积核心,peak-enhanced形象和edge-enhanced形象形成分辨率1024×768照片;即两个增强图像包含786432年的数据部分。在卷积过程中,每一点经验高峰时,会触发一个反动形成counterimage相同的分辨率为1024×768照片。三组增强图像和计数器786432的图像数据节点是输入数据的三栏多列模糊神经网络模糊卷积形成评价3[0,1]区间值。三栏多列模糊神经网络的结构是一致的。进行机器学习培训是根据不同的培养目标,直到其输出结果收敛到[0,1]区间。单列的数据逻辑模糊神经网络图所示4。

在图4,使用深度模糊卷积算法,给出的786432个数据节点在每个图像输入模块是复杂的一层一层地形成一个双精度变量,和三个双精度变量输出的三个深度模糊卷积模块形成一个深度卷积信号携带上述三个图像的所有信息输入模块后对数迭代卷积。机器学习和培训后,上面的值范围的控制标志值压缩为[0,1]区间。值越接近于1.000,相应的风险就越大。越接近0.000,相应的风险越小。

在模糊卷积模块,多项式卷积迭代函数用于节点设计,及其基函数所示以下公式: 在哪里是jth权力的价值我th输入值;n是前面的数据节点总数神经网络架构;一个_j系数是退化的jth阶多项式;y节点的输出值。

对数迭代卷积模块,对数迭代卷积函数用于节点设计,及其基础函数如下公式所示: 在哪里一个,B系数是退化;x_我是我th输入值;其他数学符号有相同的意思同公式(1)。

4所示。NDIP改善的仿真试验系统

仿真软件控制是我加载到CAE系统建立仿真环境的压力。随机数模拟器是用来配合我的压力事件生成器生成我的压力问题,如天然气、水涌出,瞬间高底的压力。(6系统的仿真系统是部署在隧道模型进行以下两个实验。

首先,的影响两个振动镜模块之间的距离测量精度比较,如图5。

在图5,不同的镜间距对测量精度有很大的影响,和有一些差异在高精度测量距离不同的测量需求。在部署系统时,必须考虑一定的妥协距离范围,并考虑到狭小的空间隧道,需要一个光学测量模块之间通畅的视野,在给定的精度范围内距离越小,越难部署和管理。如图所示,当镜间距是25∼44米,它是经济的安装距离。

其次,安装的影响抵消光源之间的距离和光栅测量精度进行了分析。根据马吕斯定律分析的光学原理,当光束传播的各向同性的均匀介质,它总是保持表面波的正交性,和对应点之间的光路入射波和即将离任的表面波表面是一个固定值,因此光源、光栅位于中间的两个镜子但受到电气和机械部件的大小的影响,并考虑防爆外壳和其他机械结构的影响,光源、光栅之间的距离至少550毫米。为了确保他们的振动干扰效果是一致的,他们必须与同一组完全固定僵化的桁架。通过分析监测精度在不同的距离,图6是获得。

在图6,如果测量精度在550毫米的间距被定义为100%,三个预警监测的准确性将会达到一定距离后急剧下降沿。因此,为了提高监测精度、光源、光栅之间的间距应最大程度缩短。在目前的技术条件下,550毫米间距是最好的选择。随着技术的进一步发展在未来,间距应该进一步压缩。

从系统的角度数据来源和数据组成,上面的距离因素对测量精度的影响进行了分析。它不是来自光波的波长或振动振幅的岩体,但是从声波的波长。的力量强度不同的声音源岩层也不同。因此,声波的波长在岩层主要分布在非常不同的波长80∼150 m,但所有可能的声波有广泛的波长,这可能发生在最低的8∼10 m(超声波)和2000∼4000(次声波)。本研究的重点是控制声波波长的80∼150米。

消光比和探测器噪声是两个重要的参数,确定(7极化纳米线栅偏振成像的准确性。两个参数的数学模型和两个参数之间的关系,建立了偏振噪声解决两个参数的值问题在系统优化。仿真分析比较了两个参数对极化噪声的影响当入射光的偏振状态的变化。然后,偏振成像系统的精密实验平台可调消光比和曝光时间是建立以验证数学模型和仿真结果。仿真和实验结果表明,通过增加数量的光电子接收的图像元组抑制探测器噪声,消光比的系统可以大于20,以提高系统的偏振精度(8]。

5。NDIP系统的应用场景和现场实验结果

如果系统安装在采矿或标题的脸上,因为它是一种光学仪器,测量精度可能会影响到灰尘。(9]因此,屋顶系统通常安装在稳定的岩石隧道的新鲜空气。因为这个方法是远离采矿或标题的脸上,和相关的振动衰减的很长一段距离后传输到安装位置,它有一个很大的影响对系统精度和系统灵敏度提出了更高的要求10]。

2018年7月,清新空气系统安装在隧道的矿区的煤矿现场试验的实验。调试和安装以来,矿区开采1∼2和3∼5脸。采空区发展从2018年的990000平方米到147万平方米在刚出版的时候。设备的最大半径控制测量是2400米。

在试用期期间,一组岩石地层振动捕获系统基于激光惯性陀螺仪是保留在系统中。岩石地层振动系统用作比较数据提供的信息来分析12435年人工爆炸(包括71大当量手册前屈服爆炸),276工作面周期性压力,45支持减压事故,65年洪水峰值在实验期间,和92年气体排放峰值。表1统计后得到的相关数据。

在表1,早期系统的监测灵敏度84.78%∼97.18%,基于激光惯性陀螺仪的监测灵敏度监测系统基于纳米微地震成像技术在这项研究中是97.78%∼100%设计,和系统的最小灵敏度设计在这项研究仍高于早期的激光惯性陀螺仪系统。与惯性系统相比,纳米成像系统设计在这个研究是11.10%,2.90%,7.91%,7.32%,10.34%,和15.38%高于惯性系统。

基于相同的实验环境和数据源上面的实验环境中,45矿压事故,12水涌出的自然灾害与泄漏量超过1200³自然灾害/ h, 18气体泄漏的气体的体积超过800米³/ h进行了分析。三个系统的敏感性和特异性进行比较,如表所示2。

在表2新系统的特异性和灵敏度,基于纳米微震的系统改进与早期相比系统使用激光惯性陀螺仪。灵敏度是指真阳性的比例数据在所有积极的数据,和特异性是指真正的负面数据的比例在所有负面数据。

通过综合比较表的统计数据1和2,研究仿真实验和系统工作原理,可以得到以下三个试验结果。(1)激光陀螺系统的测量原理和纳米图像系统在这项研究中的应用是利用光波的相位变化来测量和监视空间尺度的微小变化。然而,激光陀螺仪的测量目标是测量锚点的加速度,也就是测量在振动惯性力的锚点。系统直接测量距离空间尺度上的变化。因此,测量目标的基于纳米成像的矿山微震的系统设计在这项研究更直接,和数据验证链接加速度成比例的减少。一个更简单的算法提高了算法的可靠性。(2)纳米成像探测器的设计在这项研究中测量精度为±1.25 nm,远高于惯性力的激光陀螺仪的测量精度;即系统的系统误差小于最小激光陀螺仪的系统误差,这也会导致系统的实测效果优于激光陀螺仪系统。(3)nano micromeasurement系统设计在这项研究中也有固有的缺陷。受制于有限的空间隧道,系统不能提供足够的反射镜之间的距离;也就是说,它不能控制镜子距离最小公倍数长度的所有常见的机械波长,导致未能实现的总体精度最高共同机械波在其实际运行状态。然而,实验表明,即使安装条件,系统仍具有较高的适应性的需求下,聪明的我比激光陀螺仪系统监控。

6。总结

爆炸波测量ndip系统引入光栅干涉光学系统形成一种改进纳米成像系统。(11]ndip系统设计在这个研究可以用来捕捉岩矿山微震的信号,实现实时监控和预警的岩石压力、岩石气体,并限制地下水,实现矿井监控数据系统的创新。(12)在任何情况下,技术创新和出现可以大大提高数据的准确性,有效地减少矿井地震对人们造成的伤害。(13),或许在不久的将来,这项技术可以应用于建筑,确保生命安全。

数据可用性

数据基础的研究结果中可用的手稿。

的利益冲突

作者宣称他们没有潜在的利益冲突在我们的纸上。

确认

这项工作是支持的青年苗圃工程辽宁省教育部门(没有。LJ2020QNL010)。