巷道顶板离层的地质雷达监测与预警判据研究

本课题通过理论分析、数值模拟、物理模拟等多种手段，以地质雷达电磁波信号为监测手段，开展对巷道顶板离层的非接触式监测与预警判据研究。项目开展的主要研究工作以及取得的创新成果如下： 1．通过研究电磁波信号在顶板岩层中不同介质交界面的传播规律，并分析电磁波信号在顶板岩层中的传播衰减因素，得出所选择的地质雷达电磁波是采集顶板离层的一种最佳信号方式。 2．在研究了时域有限差分法的基本原理后，结合顶板离层的特点，通过改变频率、介电常数、离层厚度、离层深度等参数进行了相应的地质雷达数值模拟。 3．对顶板离层模型进行物理模拟，并对模拟得到的时间剖面图进行图像处理。首先对顶板离层地质雷达图像进行背景移除、FIR滤波、小波去噪等预处理。在对图像进行预处理后，运用一种改进的多尺度多方向自适应阈值算法对顶板离层进行边缘检测。同时改进了传统的灰度阈值分割算法，对顶板离层地质雷达图像进行分割并得到了很好的离层区域分割效果。 4．结合顶板离层值(挠度)提出了以顶板离层面积为预警指标并建立了三级事故预警阈值。通过工程实例分析，验证了事故预警阈值的准确性。 2100433B

顶板离层是巷道冒顶事故的主要前兆信息，对离层进行监测是防治巷道冒顶事故的重要手段。本项目针对目前巷道顶板离层钻孔监测存在的问题与不足，提出采用地质雷达电磁波信号对顶板离层进行非接触式监测的新思路。运用实验模拟、现场试验与理论分析相结合的方法，开展巷道顶板离层的非接触式监测与预警判据研究。首先通过三维实验模拟揭示离层厚度、离层深度、离层与背景介质的介电常数差异等参数与地质雷达系统的天线频率、时窗大小、采样频率等参数之间的耦合影响关系。对现场试验获取的三维地质雷达离层信号，利用图像处理技术改进顶板离层地质雷达信号的解释与分析算法，从而实现三维离层目标信号由定性分析转换成定量分析。对巷道冒顶前的力学平衡方程进行理论分析，同时基于三维离层信号分析结果，推导得出顶板失稳的临界离层面积值，并建立分级的顶板事故预警判据。为实现地质雷达信号对顶板离层进行非接触式监测与预警奠定理论与应用基础。

2017年7月17日，由中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所乔建平研究员团队承担的科技部国际科技合作专项《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》项目，通过科技部组织的验收。降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究经过四年的探索和努力，超额完成了计划任务，取得了良好的研究成果和社会效益。验收组全体专家一致给出成果优秀的评价。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》研究项目2013年启动，2017年正式结题。《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》系统总结了滑坡泥石流监测预警原理和分类、监测预警结构、空间预警和时间预警类型和方法、监测预警技术手段，形成了较完整的降雨型滑坡泥石流监测预警理论和方法体系；在引进日方的滑坡监测仪器设备和实验研究技术的基础上，研发了精度高、成本低廉、安装简易、信号可靠的多点式三级串联可全域覆盖的地表测斜仪网络系统，成为我国地质灾害监测仪器设备中的首创；通过现场试验和室内模拟试验，分析了降雨诱发滑坡泥石流的临界条件及其破坏过程，建立了滑坡和泥石流不同物源体破坏启动的预警模型和临界雨量标准，形成早期预警研究模式；针对缺资料山区降雨资料缺乏的问题，通过分析研究区的降雨条件、水文特征及下垫面条件，根据产汇流原理，提出了资料缺失地区计算泥石流预警雨量阈值的方法。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》还在成都市龙门山区地震扰动区建设了8处滑坡泥石流现场实时监测预警示范点，已提供成都市相关部门地质灾害监测预警系统使用。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究项目合作期间，中-日双方扩大了学术交流合作的范围，与日本东京大学、日本土木研究所、日本中央开发株式会社，台湾国立交通大学、中央研究院、国立中央大学、国立成功大学、国立高雄第一科技大学，斯里兰卡Inst.of Information Technology，印度尼西亚Institute of Technology Bandung，泰国Kasetsart University等国家和地区的高校和研究机构深化了合作交流，推动了部分亚洲国家和地区在滑坡泥石流监测预警方面研究合作，加深了相互之间的了解，增强了我国科研技术在国际学术舞台上的地位和知名度。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》项目验收会专家一致建议，应该采用多渠道的方式将该研究成果延续下去，通过实践检验获取更多、更可靠的监测预警效果。 2100433B

煤矿顶板事故时常发生，导致的死亡人数居各类事故之首。研究矿山支护设备的无损监测及预警的相关理论对于预防和减少顶板事故非常重要与紧迫。本项目通过理论探索、实验研究、现场测试系统研究了矿山支护磁性无损监测及预警的相关基础理论与技术。运用磁畴、随机各向异性等理论，探讨了不同元素对铁基软磁非晶合金物理性能及非晶形成能力的影响；系统研究了化学成分、退火工艺等因素对材料微结构、软磁、力学等性能的影响；结合铁基非晶合金组元复杂的特点，通过测量非晶合金的低温比热、分析计算获得了多组元复杂非晶合金的电子态密度等微观结构信息及其与非晶形成能力的关系，克服了目前软件模拟只能研究低组元非晶合金体系电子结构信息的不足，厘清了合金软磁和力学性能变化的内在机制；研究制备了兼具优异软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)铁基非晶合金；一次成型成功形状相对复杂、软磁性能优异(Fe0.72B0.24Nb0.04)95.5Y4.5U形非晶合金磁芯；设计了应力磁性测试方案及其系统，运用磁路及磁化理论研究了铁磁材料中应力对输出信号的影响，发现检测线圈输出电压的有效值与试件中主应力差的关系，研究了试件剩磁、励磁电流等环境因素及表面处理等对测试结果的影响；系统研究了Q195, Q215, Q235, Q255, Q275及Q345六种常见工程铁磁材料在不同励磁信号（波形、频率、电压）在不同温度、不同应力时的输出信号，得到了不同材质应力分布规律；研究了支护设备不同工况下的信息特征、变化规律和演变机理；建立和丰富了适合不同测试条件下的数据库；通过现场测试，证明了应力磁性监测的可行性，为建立矿山支护的预警提供了有价值的参考。 2100433B