一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统及方法与流程

本发明属于工程现场组合煤岩体材料性质监测与区别技术领域，具体涉及一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统及方法。

背景技术

煤岩体属于脆性材料，在加载破坏过程中由于裂隙的演化，会有部分能量以弹性波的形式释放出来，产生声发射现象。不同岩性煤岩体材料的声发射特征参数不同，在工程现场如何确定某一区域的组合岩体材料的性质一直是个难题。

目前在现场施工时，通常采取岩性观测对比法、测试化验法等，但以往采用的这些方法具有工程量大、费用高、准确率低等特点。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的判别工程现场不同层位岩性的声发射系统及方法，以便更有效的探索工程现场确认不同层位不同区域岩性，对该区域的安全性进行评估和监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统及方法以至少解决目前在施工现场对岩体岩性判别时，采取岩性观测对比法、测试化法工程量大、所需的费用高、准确率低、浪费人力和物力的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，优选，所述声发射系统包括，

加载系统，用于对组合岩体产生轴向压力，使组合岩体内部的能量以声波形式传出所述组合岩体；所述加载系统包括伺服压力机，所述伺服压力机设有活塞杆和承载台，所述活塞杆位于所述组合岩体上方；

组合岩体，所述组合岩体呈长方体状，所述组合岩体沿高度方向均匀分为三层；所述组合岩体设在所述承载台上；

监测系统，用于监测所述组合岩体内发射的声波，根据声波特性分析岩体特性；所述监测系统包括声发射宽频探头，多个所述声发射宽频探头设在所述组合岩体的外表面。

如上所述的一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，优选，所述组合岩体包含的三层岩体从上至下依次为第一层岩体、第二层岩体和第三层岩体；所述第一层岩体为砂岩；所述第二层岩体为灰岩；所述第三层岩体为岩浆岩。

如上所述的一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，优选，所述声发射宽频探头有6个及6个以上；

优选地，所述声发射宽频探头有6个，分别为第一声发射宽频探头、第二声发射宽频探头、第三声发射宽频探头、第四声发射宽频探头、第五声发射宽频探头、第六声发射宽频探头；所述第一声发射宽频探头连接在所述第一层岩体的后侧面；所述第二声发射宽频探头连接在所述第一层岩体的左侧面；所述第三声发射宽频探头连接在所述第一层岩体的右侧面；所述第四声发射宽频探头连接在所述第三层岩体的前侧面；所述第五声发射宽频探头连接在所述第三层岩体的左侧面；所述第六声发射宽频探头连接在所述第三层岩体的右侧面；

再优选地，所述声发射宽频探头与所述组合岩体的外壁之间设有声发射耦合剂。

如上所述的一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，优选，所述监测系统还包括，

前置放大器，用于将声音信号转换成电信号；所述前置放大器的输入端通过信号线与所述声发射宽频探头连接；所述前置放大器的输出端通过信号线与系统主机相连；

系统主机，用于接收、记录、显示以及储存电信号；所述系统主机包括声发射采集模块、信号处理模块和数据显示模块；所述声发射采集模块输出端与信号处理模块连接；所述信号处理模块将电信号处理后通过信号线传递给数据显示模块。

如上所述的一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，优选，所述监测系统还包括模拟源；所述模拟源用于检测声发射各个通道的电信号是否接收正常；

优选地，所述模拟源为硬度为2h的铅笔芯折断产生的信号。

如上所述的一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，优选，所述组合岩体的上表面和下表面的不平行度小于0.02，以便减弱所述组合岩体声发射过程中产生的噪音。

如上所述的一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，优选，所述加载系统还包括加载控制系统，所述加载控制系统与所述伺服压力机相连，用于控制伺服压力机的加载速率和时间；

优选地，所述伺服压力机为单轴伺服压力机。

一种如上任一项所述的判别工程现场不同层位岩性的声发射方法，优选，所述方法包括如下步骤，

步骤1，制备组合岩体，安装好声发射宽频探头，并检测声发射各个通道是否接收正常；

步骤2，进行单轴加载，并同步进行声发射监测，获得声发射数据；

步骤3，分析并处理声发射数据，根据自主编程程序获得频谱图。

如上所述的判别工程现场不同层位岩性的声发射方法，优选，所述步骤1具体包括如下步骤，

步骤11，以岩性分别为a、b、c的三种岩体制备成组合岩体材料试件，组合岩体的尺寸为100mm×50mm×50mm；并将组合岩体材料上下两面磨平，使组合岩体的上表面和下表面有低于0.02的不平行度；

步骤12，将试件放置至单轴伺服压力机的承载台上；

步骤13，将至少6个声发射宽频探头通过声发射耦合剂黏贴至组合岩体的外表面的不同位置；声发射宽频探头布置时要注意将至少6个头布置在组合岩体的前后左右四个面，以满足对整个组合岩体立体定位；

步骤14，将探头按照步骤13所述的方式布置完成后，在组合岩体上进行断铅试验，观察声发射各个通道信号是否接收正常；然后通过矩阵测试获得该组合岩体的波速，并将该波速输入监测系统。

如上所述判别工程现场不同层位岩性的声发射方法，优选，所述步骤3具体包括如下步骤，

步骤31，分析声发射定位数据，对不同层位的声发射定位数据进行区分；

步骤32，将步骤31所述的不同层位的声发射定位数据变换成波形数据；

步骤33，基于自主编程程序，利用matalab软件分别对组合岩体不同层位的声发射数据进行变换，获得其频谱信息，由频谱图上的最大值确定不同层位其主频值；

步骤34，对步骤33中所述的不同层位主频值采用归一化的方法进行处理。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明利用岩体在加载过程中裂隙演化产生声发射的现象，采用监测系统对声发射波的波形进行分析，根据波形信号反映出不同位置岩体的岩性；同时，本发明采用自主编程软件，并将自己设计的程序写入软件，对声发射原始时域数据变换成二维功率谱图，从而更直观的观测出声发射的主频值；本发明提供的判断岩性的方法所需设备简单、工程量小、节省费用、准确率高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的声发射宽频探头立体定位模型图；

图2为本发明实施例的声发射原始时域数据变换成二维功率谱图；

图3为本发明实施例的归一化处理后的声发射主频数据图。

图中：1、组合岩体；11、第一层岩体；12、第二层岩体；13、第三层岩体；2、活塞杆；3、承载台；41、第一声发射宽频探头；42、第二声发射宽频探头；43、第三声发射宽频探头；44、第四声发射宽频探头；45、第五声发射宽频探头；46、第六声发射宽频探头；5、前置放大器；6、系统主机；7、信号线。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本发明的具体实施例，如图1所示，组合岩体1放置在单轴伺服压力机的承载台3上，保证承载台3的平整性。开机启动加载控制系统，活塞杆2在液压油的推动作用下做攻进运动，对组合岩体1施加压力。随着活塞杆2向下轴向运动，组合岩体1内部会产生裂痕直至压溃变形。组合岩体1四周设有不少于六个的声发射宽频探头，用来收集声波信号。声发射宽频探头应立体布置，以满足组合岩体1不同立体位置需求。声发射宽频探头连接前置放大器5，前置放大器5将声波信号转换为电信号，比对电信号做放大处理。然后前置放大器5将处理后的电信号传递给系统主机6。系统主机6对信息处理，软件基于用户提供自主编程，将声发射原始时域数据转换成二维功率谱图。转换前后的对比如图2所示。从图中可以看出，功率谱值最高处即为其主频，第二高出为次主频。将主频做归一化处理，处理后的结果如图3所示。图三显示了频率与幅值的关系。本发明提供的系统主机6具有记忆功能，可以多种岩性的岩体进行加载破坏，然后对其声发射特征进行储存。在施工现场实际判断不同岩体的岩性时，可以通过声发射产生的声波的特性，来进行判断岩体的特性，同时可以根据声发射宽频探头的定位位置，来判断出不同位置的岩体的岩性。

根据本发明的具体实施例，本发明提供一种判别工程现场不同层位岩性的声发射系统，声发射系统包括，

加载系统，用于对组合岩体1产生轴向压力，使组合岩体1内部的能量以声波形式传出组合岩体1。加载系统包括伺服压力机，伺服压力机设有活塞杆2和承载台3，活塞杆2位于组合岩体1上方。活塞杆2上端设有液压腔，液压伺服系统受加载系统控制系统控制，控制系统通过控制活塞杆2的攻进速度来控制对组合岩体1的加载时间。优选地，伺服压力机为单轴伺服压力机。需要说明的是，本发明采用的单轴伺服压力机的活塞杆2的下端还连接有压盘，压盘的横截面的面积大于组合岩体1上表面的面积，以保证能压住组合岩体的整个端面，产生向下的轴向力。承载台3为圆饼状，其横截面的面积也应当大于组合岩体1的端面面积。

组合岩体1，组合岩体1呈长方体状，组合岩体1沿高度方向均匀分为三层。组合岩体1设在承载台3上。承载体对组合岩体1在受载过程中提供支撑力，作为本发明的优选方案，承载台3中心设有矩形凹槽，矩形凹槽用于盛放组合岩体1。一定程度的避免组合岩体1在受载过程中产生侧移。作为本发明的优选方案，组合岩体1的上表面和下表面的不平行度小于0.02。以便减弱所述组合岩体1声发射过程中产生的噪音。

监测系统，用于监测组合岩体1内发射的声波，根据声波特性分析岩体特性。监测系统包括声发射宽频探头，多个声发射宽频探头设在组合岩体1的外表面。声发射宽频探头用于采集声发射信号。作为本发明的优选方案，声发射宽频探头和组合岩体1之间通过声发射耦合剂黏贴相连。声发射耦合剂可以是凡士林、黄油等可以与声发射耦合的材料。

根据本发明的具体实施例，组合岩体1包含的三层岩体从上至下依次为第一层岩体11、第二层岩体12和第三层岩体13。第一层岩体11为砂岩，第一层岩体11的岩性为a。其结构稳定，通常呈淡褐色或红色，主要含硅、钙、黏土和氧化铁。岩石由碎屑和填隙物两部分构成。第二层岩体12为灰岩，第二层岩体12的岩性为b。灰岩具有良好的加工性、磨光性和很好的胶结性能，不溶于水，易溶于饱和硫酸，能和各种强酸发生反应并形成相应的钙盐，同时放出co2。灰岩煅烧至900℃以上(一般为1000～1300℃)时分解转化为石灰，放出co2。生石灰遇水潮解，立即形成熟石灰，熟石灰溶于水后可调浆，在空气中易硬化。第三层岩体13为岩浆岩，第三层岩体13的岩性为c。岩浆岩是由岩浆喷出地表或侵入地壳冷却凝固所形成的岩石，有明显的矿物晶体颗粒或气孔，约占地壳总体积的65％，总质量的95％。岩浆是在地壳深处或上地幔产生的高温炽热、粘稠、含有挥发分的硅酸盐熔融体，是形成各种岩浆岩和岩浆矿床的母体。

根据本发明的具体实施例，声发射宽频探头有六个以上，作为优选方案，本发明的具体实施例中，声发射宽频探头有六个，分别为第一声发射宽频探头41、第二声发射宽频探头42、第三声发射宽频探头43、第四声发射宽频探头44、第五声发射宽频探头45、第六声发射宽频探头46。第一声发射宽频探头41连接在第一层岩体11的后侧面。第二声发射宽频探头42连接在第一层岩体11的左侧面。第三声发射宽频探头43连接在第一层岩体11的右侧面。第四声发射宽频探头44连接在第三层岩体13的前侧面。第五声发射宽频探头45连接在第三层岩体13的左侧面。第六声发射宽频探头46连接在第三层岩体13的右侧面。

作为优选方案，声发射宽频探头与组合岩体1的外壁之间设有声发射耦合剂。

根据本发明的具体实施例监测系统还包括，

前置放大器5，用于将声音信号转换成电信号。前置放大器5的输入端通过信号线7与声发射宽频探头连接。前置放大器5的输出端通过信号线7与系统主机6相连。

系统主机6，用于接收、记录、显示以及储存电信号。系统主机6包括声发射采集模块、信号处理模块和数据显示模块。声发射采集模块输出端与信号处理模块连接。信号处理模块将电信号处理后通过信号线7传递给数据显示模块。

模拟源。模拟源用于检测声发射各个通道信号是否接收正常。

优选地，模拟源为硬度为2h的铅笔芯折断产生的信号(即断铅试验)。

本发明还提供了一种判别工程现场不同层位岩性的声发射的方法，该方法包括如下步骤，

步骤1，制备组合岩体1，安装好声发射宽频探头，并检测声发射各个通道是否接收正常。

步骤2，进行单轴加载，并同步进行声发射监测，获得声发射数据。

步骤3，分析并处理声发射数据，根据自主编程程序获得频谱图。

根据本发明的具体实施例，步骤1具体包括如下步骤，

步骤11，以岩性分别为a、b、c的三种岩体制备成组合岩体1材料试件，组合岩体1的尺寸为100mm×50mm×50mm。并将组合岩体1材料上下两面磨平，使组合岩体1的上表面和下表面有低于0.02的不平行度(不平行度是相对于平行度来说的，我们日常中所说的某两个平面平行指的是完全平行，也就是所不平行度为零，本发明中组合岩体的上表面和下表面的不平行度小于0.02，有利于减弱加载过程中产生的噪音)。

步骤12，将试件放置至单轴伺服压力机的承载台3上。

步骤13，将至少6个声发射宽频探头通过声发射耦合剂黏贴至尊岩体的外表面的不同位置。声发射宽频探头布置时要注意将6个以上探头布置在组合岩体1的前后左右四个面，以满足对整个组合岩体1立体定位。

步骤14，将探头按照步骤13的方式布置完成后，在组合岩体1上进行断铅试验，观察声发射各个通道信号是否接收正常。然后通过矩阵测试获得该组合岩体1的波速，并将该波速输入监测系统。

根据本发明的具体实施例，步骤3具体包括如下步骤，

步骤31，分析声发射定位数据，对不同层位的声发射定位数据进行区分。

步骤32，将步骤31的不同层位的声发射定位数据变换成波形数据。

步骤33，基于自主编程程序，利用matalab软件分别对组合岩体1不同层位的声发射数据进行变换，获得其频谱信息，由频谱图上的最大值确定不同层位其主频值。

步骤34，对步骤33中的不同层位主频值采用归一化的方法进行处理。

本发明还提供了基于matlab软件编程的，使得声发射原始时域数据变换成二维功率谱图的自主编程程序，程序如下：

总之，本发明利用岩体在加载过程中裂隙演化产生声发射的现象，采用监测系统对声发射波的波形进行分析，根据波形信号的反映出不同位置岩体的岩性；同时，本发明采用自主编程软件，并将自己设计的程序写入软件，对声发射原始时域数据变换成二维功率谱图，从而更直观的观测出声发射的主频值；本发明提供的判断岩性的方法所需设备简单、工程量小、节省费用、准确率高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。