排土場滑移失穩(wěn)次聲信號特征研究

李深海， 何文,c， 林鳳翻， 鄭場松

（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.江西省礦業(yè)工程重點實驗室；c.鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心，江西 贛州341000）

次聲波是頻率為0~20 Hz的聲波。由于次聲波在傳播時衰減小、穿透力強、傳播距離遠[1-2]，因此次聲波廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害、火箭發(fā)射等的監(jiān)測[3-10]以及大氣信號的識別[11]。朱星等分析了單軸加載過程中的巖石破裂發(fā)射出的次聲波信號，發(fā)現(xiàn)巖石在破壞前加載過程中存在明顯的發(fā)射次聲波現(xiàn)象[12]。徐洪等分析了8組砂巖試件變形破壞過程中產(chǎn)生的次聲信號的能量特征，并提出可以根據(jù)信號能量特征對巖石變形破壞進行預(yù)警[13],并對巖石在不同受力狀態(tài)下產(chǎn)生的次聲信號的波形、功率譜和時頻特征等主要參數(shù)進行分析，認為可以根據(jù)這些參數(shù)的特征進行不同受力狀態(tài)下次聲信號的識別以及巖體災(zāi)變預(yù)測[14]。眾多的研究結(jié)果為次聲波應(yīng)用于巖石邊坡的滑移監(jiān)測提供了理論依據(jù)[15-19]。黃永剛等研究發(fā)現(xiàn)，邊坡穩(wěn)定性分析中可將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評判2種方法相結(jié)合來考慮加固、治理方案[20]；謝琳等則是應(yīng)用分級分析法來探究高邊坡的治理著重點[21]；王丹等將數(shù)值模擬與灰色理論相結(jié)合構(gòu)建稀土礦邊坡滑移破壞的監(jiān)測預(yù)警體系[22]。截至目前，關(guān)于排土場這類松散堆積體邊坡滑移失穩(wěn)的次聲監(jiān)測的相關(guān)文獻少有報道。

排土場的穩(wěn)定性對礦山至關(guān)重要，因此十分有必要對排土場邊坡滑移失穩(wěn)進行監(jiān)測。謝振華等基于物元理論和關(guān)聯(lián)函數(shù)，構(gòu)建了露天礦山排土場滑坡災(zāi)害可拓預(yù)警模型[23]。劉善軍、吳立新等提出了時間協(xié)同、空間協(xié)同、參數(shù)協(xié)同和智能分析的天-空-地多平臺多模式監(jiān)測技術(shù)，進一步提升露天礦山邊坡智能監(jiān)測能力[24]。排土場內(nèi)部松散介質(zhì)之間出現(xiàn)相對滑動，產(chǎn)生微小變形逐步積累形成宏觀變形，在此過程中產(chǎn)生了大量的次聲波信號。本文重點研究排土場滑移失穩(wěn)時產(chǎn)生的次聲信號提取以及幅值、能量和b值時變特征，為實現(xiàn)利用次聲波對排土場的滑移失穩(wěn)進行監(jiān)測預(yù)警提供依據(jù)。

1 排土場滑移失穩(wěn)試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

排土場滑移失穩(wěn)模型如圖1所示。 在尺寸為1.5 m×0.7 m×1.0 m的模型框內(nèi)用碎石堆筑排土場模型。模型的邊坡角為44°，模擬底板的傾角也為44°。模型左端的底部為鉸支，另一端可以利用液壓千斤頂自由抬升。為了降低模型框側(cè)壁的邊界約束效應(yīng)，減小模型材料和內(nèi)壁的摩擦，模型框的側(cè)壁為有機鋼化玻璃，并在側(cè)壁涂有潤滑油薄膜。實驗示意圖見圖2。

圖1 排土場滑移失穩(wěn)模型Fig.1 Slide instability model of waste dump

圖2 實驗示意Fig.2 Experimental diagram

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備分為3個部分：CASI-2009次聲傳感器、CASI-MDT-2011網(wǎng)絡(luò)傳輸儀和計算機。CASI-2009型傳感器，用來采集排土場滑移失穩(wěn)過程中產(chǎn)生的次聲波信號。CASI-2009次聲傳感器不需要和試驗材料耦合就能采集到信號，并且不會受到振動的影響，信號接收范圍在1×10-3~100 Hz；CASI-MDT-2011網(wǎng)絡(luò)傳輸儀能將采集的信號運輸?shù)接嬎銠C中，它擁有16路采集通道，最高采樣率可以達到250 kHz，具有輕便、易操作、易攜帶的優(yōu)點。

在試驗過程中，首先將次聲傳感器與網(wǎng)絡(luò)傳輸儀連接，由網(wǎng)絡(luò)傳輸儀將傳感器電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳輸給電腦控制系統(tǒng)。次聲數(shù)據(jù)采集采用非接觸方式，次聲傳感器與模型相距約1.5 m。次聲波采集分析系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 次聲波采集分析系統(tǒng)Fig.3 Infrasound acquisition and analysis system

1.3 試驗方法

1）設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)：采集頻率為512 Hz，首通道為0、通道數(shù)為1、增益為1。試驗過程中，做到數(shù)據(jù)采集和試驗同時開始，同時停止。每次試驗數(shù)據(jù)都需要及時轉(zhuǎn)換和保存。

2）通過勻速地壓千斤頂，使得模型的自由端不斷抬升，進而導(dǎo)致模型的滑移失穩(wěn)。

3）試驗過程中，需要對試驗?zāi)Ｐ瓦M行拍攝、記錄排土場發(fā)生滑移失穩(wěn)的時間點，以便為后期數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

1.4 排土場滑移失穩(wěn)過程

從試驗視頻可以發(fā)現(xiàn)，排土場發(fā)生滑移失穩(wěn)不是一個突兀的過程，它是一個逐步遞進的過程。根據(jù)模型試驗過程中排土場的形態(tài)變化可以將排土場滑移失穩(wěn)過程分為4個階段。初始階段：如圖4(a)所示，在該階段，排土場的形態(tài)未發(fā)生肉眼可觀的變化，碎石沒有出現(xiàn)明顯的位移；局部滑移階段：該階段，由于模型自由端的抬升，少量碎石受到的致滑力大于抗滑力，開始脫離坡體向坡腳滾動，形成局部滑移，如圖4（b）所示；整體滑移階段：模型自由端繼續(xù)抬升，碎石受到的致滑力逐漸增大，在致滑力超過臨界值之后，碎石脫離坡體沿坡面滾動，并帶動周圍的碎石形成大規(guī)模的滑移，造成排土場的整體滑移，如圖4（c）所示；再穩(wěn)定階段：能量耗盡的碎石堆積在坡腳，不再繼續(xù)移動，整個排土場再次達到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4（d）所示。

圖4 排土場滑移失穩(wěn)過程Fig.4 Sliding instability process of waste dump

2 信號處理方法

采 用 EEMD （Ensemble Empirical Mode Decomposition）對信號做濾波處理，濾掉信號的高頻部分和趨勢項，獲得更純凈的信號。EEMD方法是在EMD方法（Empirical Mode Decomposition）的基礎(chǔ)上提出的，該方法的步驟如下[25]：

1）將不同的高斯白噪聲ni（t）加入原始信號x（t）中，得到信號xi（t）。

2）對xi（t）做EMD分解，得到對應(yīng)的分量其中k為分解尺度。

3）將每次經(jīng)EMD分解得到的IMF分量相加取平均值得到最終的結(jié)果。

信號經(jīng)EEMD方法處理之后，得到若干個IMF分量，可以根據(jù)需求自由選擇需要保留的IMF分量。本文中，信號經(jīng)EEMD方法處理之后，得到16個IMF分量，選擇IMF5~IMF15一共11個IMF分量，相當于對原信號進行了一次帶通濾波，得到0~20 Hz頻率范圍內(nèi)的信號。由于IMF10分量及后續(xù)分量的頻率范圍處于0~1 Hz之間，繼續(xù)細分下去的意義不大。因此將IMF10分量及后續(xù)分量合并，與其他分量的信號共同形成6個分量的信號集。

試驗取得16組信號數(shù)據(jù)，以第1組信號為例，繪制該信號的6個分量的時域波形圖。如圖5所示。

圖5 第1組信號IMF分量時域波形Fig.5 Time-domain waveform diagram of IMF component of the 1st group

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，IMF1，IMF2，IMF3和IMF4分量的幅值在整個試驗過程中幅值都保持相對穩(wěn)定；IMF6分量的幅值在整個試驗過程中多次出現(xiàn)快速增大（減?。┈F(xiàn)象；IMF5分量的幅值變化表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，隨時間的推移幅值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在89 s快速增長并在91 s達到幅值峰值，之后幅值恢復(fù)正常水平。從第1組試驗的視頻發(fā)現(xiàn)，在89~91 s排土場出現(xiàn)了大面積的滑移現(xiàn)象，由于IMF5分量幅值發(fā)生突變的時間點與排土場滑移失穩(wěn)的時間點高度一致，因此有理由認為，IMF5分量是排土場滑移失穩(wěn)時產(chǎn)生的特征信號。

限于篇幅，如圖6展示了2組試驗信號的IMF5分量的時域波形圖。

圖6 2組信號的IMF 5分量時域波形Fig.6 Time-domain waveform diagram of IMF 5 component of 2 signals

繪制圖6中信號的IMF5分量的頻譜圖，如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)IMF5分量的頻率范圍是0~3 Hz，因此排土場滑移失穩(wěn)時產(chǎn)生的特征信號頻率范圍是0~3 Hz。

圖7 2組信號的IMF 5分量頻譜Fig.7 IMF 5 component spectrogram of 2 signals

3 次聲信號特征分析

IMF5分量是排土場滑移失穩(wěn)時產(chǎn)生的特征信號，因此在進行次聲信號特征分析時只采用每組信號的IMF5分量。此外，對信號的幅值進行了歸一化處理，以便于后續(xù)的分析。

3.1 幅值時變特征

排土場是由碎石堆積形成的，當碎石發(fā)生相對滑動時，碎石之間必然存在著相互擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象，每個現(xiàn)象都是一個次聲波信號源，會激發(fā)出強度不等的次聲波信號，信號幅值的大小與信號源的強度息息相關(guān)，幅值是信號源強度的外在表征。以每一秒內(nèi)所有次聲信號幅值的均值作為該時刻信號的幅值，并以此為基礎(chǔ)繪圖，如圖8所示。

圖8 幅值時變特征Fig.8 Time-varying amplitude

結(jié)合排土場的滑移失穩(wěn)過程和圖8可以發(fā)現(xiàn)，排土場滑移失穩(wěn)過程的不同的階段信號幅值具有不同的特征。以圖8（b）為例進行說明：在初期階段，幅值在一個相對恒定的范圍內(nèi)波動，大小為0~0.2之間的低幅值占大多數(shù)，原因是此時排土場處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，碎石之間的相互擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的強度低，次數(shù)少，釋放的能量較小；隨著時間的推移，信號的幅值逐漸變大，處于0.2~0.4的中幅值的數(shù)量明顯增加，原因是這個時候排土場已經(jīng)進入局部滑移階段，碎石之間相互擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象強度增大，次數(shù)增加；到了整體滑移階段，信號的幅值出現(xiàn)跳躍式增長，信號幅值的峰值開始出現(xiàn)，原因是該階段排土場出現(xiàn)整體滑移，使碎石之間產(chǎn)生大量高強度的相互擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象，激發(fā)出大幅值的信號；在再穩(wěn)定階段，信號的幅值迅速降低，原因是碎石的運動狀態(tài)由移動向停滯轉(zhuǎn)變，碎石之間的相互擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的強度降低，次數(shù)減少，產(chǎn)生信號幅值減小。

3.2 能量時變特征

信號能量的大小間接反映了碎石之間發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的頻率和強度，而這些現(xiàn)象恰恰是碎石相對滑動導(dǎo)致排土場出現(xiàn)變形的結(jié)果。信號的能量越大，說明此時排土場的變形程度越大，碎石之間發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的次數(shù)越多、強度越大；而當信號的能量較小時，排土場處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，排土場介質(zhì)之間發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的次數(shù)少、強度低。

在聲發(fā)射中能量的定義為信號檢波包絡(luò)線下的面積，可分為總計數(shù)和計數(shù)率，反映了聲發(fā)射事件的相對能量或強度。計算信號能量的總計數(shù)和計數(shù)率，根據(jù)計算結(jié)果繪圖，如圖9所示。

圖9 能量時變特征Fig.9 Energy time-varying characteristic

從圖9可以發(fā)現(xiàn)：雖然圖9中2圖之間存在局部差異，但是他們具有相同的時變特征。在初始階段，排土場的形態(tài)沒有發(fā)生明顯的變化，該階段能量計數(shù)率較小，缺少中等和大數(shù)值的能量計數(shù)率且能量總計數(shù)曲線的斜率無明顯變化，主要是因為此時碎石之間發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的次數(shù)少，強度低；隨著時間的推移，能量計數(shù)率增加，中等和大數(shù)值的能量計數(shù)率的個數(shù)開始增加，能量總計數(shù)曲線的斜率在個別時刻發(fā)生跳躍，此時碎石之間相互擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的次數(shù)開始增加，強度變大，少量或個別碎石可能開始運動，形成坡體局部滑移；當排土場出現(xiàn)整體滑移時，不但能量計數(shù)率表現(xiàn)出驟然增加并達到峰值的特征而且能量總計數(shù)曲線的斜率明顯變大，這是排土場發(fā)生了整體滑移使得碎石之間頻繁發(fā)生高強度的擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的結(jié)果。

3.3 b值時變特征

b值最早是地震研究領(lǐng)域中用于表征震級與頻度關(guān)系的參數(shù)[26]，如今b值已不再局限于地震研究領(lǐng)域，在材料特性、礦山和邊坡研究領(lǐng)域都有所應(yīng)用[27-29]。b值的變化特征體現(xiàn)了材料內(nèi)部裂紋發(fā)展的演化特征，b值增大說明材料內(nèi)部裂紋發(fā)展主要以微裂紋的產(chǎn)生、擴展為主；b值減小說明材料內(nèi)部裂紋發(fā)展主要以微裂紋匯集、貫穿形成宏觀裂紋為主；b值在小范圍內(nèi)波動說明材料內(nèi)部裂紋發(fā)展狀態(tài)較為穩(wěn)定；b值緩慢增大（減?。┱f明材料內(nèi)部裂紋發(fā)展緩慢進行，處于漸進發(fā)展狀態(tài)；b值跳躍性增大（減?。┱f明材料內(nèi)部裂紋發(fā)展狀態(tài)發(fā)生突變，處于突變發(fā)展狀態(tài)。排土場是由碎石堆積形成的散體結(jié)構(gòu)，與巖石材料由于微裂紋的產(chǎn)生、擴展而導(dǎo)致的破壞不同，碎石相對滑動導(dǎo)致排土場不斷產(chǎn)生微小變形、積累形成宏觀變形是排土場滑移失穩(wěn)的根本原因。當排土場內(nèi)部活動以微小變形的產(chǎn)生為主時，b值較小；而當排土場出現(xiàn)宏觀變形時，b值較大；排土場的狀態(tài)較為穩(wěn)定，b值在小范圍內(nèi)波動；排土場的變形逐漸累積，形態(tài)漸進發(fā)展，b值緩慢增大（減小）；排土場形態(tài)突變發(fā)展，b值跳躍式增大（減?。?/p>

本文采用最大似然估計法計算排土場模型試驗次聲信號幅值的b值，得到b值隨時間的變化曲線，如圖10所示。

圖10 b值時變特征Fig.10 b value time-varying feature

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，b值與幅值顯著負相關(guān)。幅值較小的時刻，b值較大，幅值較大的時刻，b值較小，在幅值最大的時刻，b值最小。在初始階段，小b值的個數(shù)較少，大b值的數(shù)量較多，說明該階段排土場的內(nèi)部活動主要以微小變形為主，碎石之間發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的強度低，激發(fā)出的信號以小幅值信號為主；在局部滑移階段，小b值的數(shù)量顯著增加，說明該階段碎石之間發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的強度增大，產(chǎn)生的大幅值信號的比例上升；排土場變形量不斷累積在整體滑移階段超過臨界值，使得排土場發(fā)生滑移破壞，該階段的b值最小，說明該階段碎石之間發(fā)生擠壓、碰撞和摩擦等現(xiàn)象的強度最大，激發(fā)出的信號以大幅值信號為主。

用最小二乘法對b值做直線擬合，研究b值在整個過程中的變化趨勢。從圖10可以發(fā)現(xiàn)從試驗開始到排土場出現(xiàn)整體滑移，b值的總體趨勢是在不斷地下降并在滑移失穩(wěn)時刻達到最小值，說明排土場由微小變形產(chǎn)生階段不斷向宏觀變形階段發(fā)展。當坡體變形超過臨界值時使得排土場出現(xiàn)宏觀大變形進而發(fā)生整體滑移。觀察排土場整體滑移時b值的變化，發(fā)現(xiàn)在該時刻b值的變化形式可以分成2種：第1種是“陡降”，b值在短時間內(nèi)降低至最小值，說明此時微小變形迅速累積形成宏觀變形，排土場的滑移失穩(wěn)突變式發(fā)展；另一種是“緩降”，b值波動式下降至最小值，說明此時微小變形緩慢增加形成宏觀變形，排土場的滑移失穩(wěn)漸進式發(fā)展。

4 結(jié) 論

根據(jù)前述的計算結(jié)果和分析，可以得到以下幾個結(jié)論：

1）EEMD將原始信號分解之后，能夠?qū)⑴磐翀龌剖Х€(wěn)過程中產(chǎn)生的次聲波信號與噪聲分離，通過合理選擇IMF分量重構(gòu)信號，獲得較為純凈的次聲波信號。

2）IMF5是排土場滑移失穩(wěn)過程產(chǎn)生的特征信號，其頻率為0~3 Hz。

3）在排土場滑移失穩(wěn)的不同階段，次聲波信號的幅值、能量和b值具備不同的特征，其中又以整體滑移階段的變化特征最為明顯。排土場發(fā)生整體滑移時，信號的幅值最大，信號能量出現(xiàn)跳躍式增加的時刻恰恰是排土場發(fā)生整體滑移的時刻，b值的總體趨勢是在不斷地下降并在排土場發(fā)生整體滑移時達到最小值。次聲波信號的上述特征可以用于排土場滑移失穩(wěn)的監(jiān)測預(yù)警。