一种实验室尺度下声发射实验震源定位的方法与流程

本发明涉及一种声发射实验震源定位的方法，具体是一种实验室尺度下声发射实验震源定位的方法。

背景技术：

煤岩体声发射监测，通常监测岩体在受载过程中的ae信号，通过后处理来判别岩体的受力与损伤情况。而对于研究煤岩体内部损伤，最直接有效的方法就是通过布置声发射传感器来定位岩体在受载过程中内部破裂的位置(即内部震源位置)。为了确定内部破裂位置，因此需要精确的定位算法、灵敏度高的声发射传感器和合理的传感器布置方式，三者相结合才能减小误差，最大精度的定位岩体内部震源位置，判定岩体损伤情况。近几年的研究成果都是集中在改进声发射定位算法和提高声发射传感器灵敏度上，而声发射传感器布置方式也能很大程度地影响着采集到数据的有效性和监测结果的合理性，对岩石裂隙发育及破坏的研究具有重要意义。目前，实验室小尺度实验中，声发射传感器的布置方式随意且单一，基本只满足至少四个传感器不在同一平面，这种布置方式没有考虑应力波在传播过程中衰减造成的信号缺失；另外震源定位依靠的是声发射系统导出的震源坐标进行定位，声发射系统定位是空间直角极坐标系定位法，其默认应力波是直线传播，因此按照现有的传感器布设方法会导致定位误差较大，最终导致定位精确度低。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种实验室尺度下声发射实验震源定位的方法，通过构建多个立体监测网，缩短声发射源与震动传感器之间的距离，避免波在传播过程中由于能量衰减造成信号的缺失，有效提高震源定位的精确度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实验室尺度下声发射实验震源定位的方法，具体步骤为：

a、在煤矿现场采集煤岩体，然后将现场采集到的煤岩体加工成圆柱形试样，所述圆柱形试样的直径为2r0，高度为h0；

b、在圆柱形试样内部建立极坐标系，将圆柱形试样竖直放置在试验箱内的水平面上，选取圆柱形试样中心点o为极坐标原点，o点以上为正方向，以下为负方向；八个震动传感器平均分成震动传感器组ⅰ和震动传感器组ⅱ，其中震动传感器组ⅰ处于o点以上，震动传感器组ⅰ中的四个震动传感器环绕粘贴在圆柱形试样的圆周面且各个震动传感器处在同一水平面；震动传感器组ⅱ处于o点以下，震动传感器组ⅱ中的四个震动传感器环绕粘贴在圆柱形试样的圆周面且各个震动传感器处在同一水平面；然后在建立的极坐标系下分别确定八个震动传感器所处的位置坐标；

c、将八个震动传感器均与声发射主机相连，将声发射主机与煤岩样加载实验机同步开启，进行岩石力学实验；

d、八个震动传感器将接收到的应力波传递给声发射主机，然后对声发射主机导出的波形文件进行标波，确定各个震动传感器接受到震源信号的时刻，按照如下公式确定其震源坐标(r,θ,h)：

上式(1)、(2)、(3)中：θ为震源所在水平面的圆心和震源点连线与极轴在该水平面投影的夹角，h为震源相对于中心点o的垂直高度，r为震源相对于中心点o的水平距离，δt12、δt13、δt14、δt15为接收到应力波时刻前五个震动传感器中后四个震动传感器的接收时刻分别与第一个接收到应力波的震动传感器接收时刻之间的差值，v为实验之前对圆柱形试样测试得出的应力波平均波速，λ1为震动传感器组ⅰ距离圆柱形试样顶端距离与圆柱形试样高度h0的比值，λ2是震动传感器组ⅱ距离圆柱形试样底端距离与圆柱形试样高度h0的比值；

e、将步骤d所得的震源坐标进行震源定位，最终得到煤岩样损伤破坏过程中的震源微破裂定位图。

进一步，所述步骤b中确定震动传感器组ⅰ中的四个震动传感器的位置坐标分别为(r0,0,λ1h0)、(r0,π,λ1h0)、确定震动传感器组ⅱ中的四个震动传感器的位置坐标分别为(r0,0,-λ2h0)、(r0,π,-λ2h0)、在极坐标系中的极轴为从中心点o发出且朝向坐标点(r0,0,λ1h0)的水平线。

进一步，所述比值λ1与比值λ2的取值范围均为10％～35％。

与现有震动传感器布置方式相比，本发明采用基于极坐标算法的震动传感器布置方式，采用的八个震动传感器中任意5个震动传感器(即距离实际震源坐标最近的5个)就可构建一个立体监测网络，从而使得本发明可以够构建多个立体监测网络，使得其监测范围能覆盖整个圆柱形试样，极大地缩短了声发射源的位置与震动传感器之间的距离，避免了波在传播过程中由于能量衰减造成信号的缺失。另外本发明采用极坐标算法进行震源定位，通过原始的波形文件计算前五个震动传感器的到时差进行计算，相比于声发射系统导出的结果，其对内部破裂的位置(即内部震源位置)的定位结果更精确。

附图说明

图1是本发明中八个震动传感器的位置布设示意图。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的具体步骤为：

a、在煤矿现场采集煤岩体，然后将现场采集到的煤岩体加工成圆柱形试样，所述圆柱形试样的直径为2r0，高度为h0；

b、在圆柱形试样内部建立极坐标系，将圆柱形试样竖直放置在试验箱内的水平面上，选取圆柱形试样中心点o为极坐标原点，o点以上为正方向，以下为负方向；八个震动传感器平均分成震动传感器组ⅰ和震动传感器组ⅱ，其中震动传感器组ⅰ处于o点以上，震动传感器组ⅰ中的四个震动传感器环绕粘贴在圆柱形试样的圆周面且各个震动传感器处在同一水平面；震动传感器组ⅱ处于o点以下，震动传感器组ⅱ中的四个震动传感器环绕粘贴在圆柱形试样的圆周面且各个震动传感器处在同一水平面；然后在建立的极坐标系下分别确定八个震动传感器所处的位置坐标；

c、将八个震动传感器均与声发射主机相连，将声发射主机与煤岩样加载实验机同步开启，进行岩石力学实验；

d、八个震动传感器将接收到的应力波传递给声发射主机，然后对声发射主机导出的波形文件进行标波，确定各个震动传感器接受到震源信号的时刻，按照如下公式确定其震源坐标(r,θ,h)：

上式(1)、(2)、(3)中：θ为震源所在水平面的圆心和震源点连线与极轴在该水平面投影的夹角，h为震源相对于中心点o的垂直高度，r为震源相对于中心点o的水平距离，δt12、δt13、δt14、δt15为接收到应力波时刻前五个震动传感器中后四个震动传感器的接收时刻分别与第一个接收到应力波的震动传感器接收时刻之间的差值，v为实验之前对圆柱形试样测试得出的应力波平均波速，λ1为震动传感器组ⅰ距离圆柱形试样顶端距离与圆柱形试样高度h0的比值，λ2是震动传感器组ⅱ距离圆柱形试样底端距离与圆柱形试样高度h0的比值；

e、将步骤d所得的震源坐标进行震源定位，最终得到煤岩样损伤破坏过程中的震源微破裂定位图。

进一步，所述步骤b中确定震动传感器组ⅰ中四个震动传感器分别编号为1、2、3、4，且其位置坐标分别为(r0,0,λ1h0)、(r0,π,λ1h0)、确定震动传感器组ⅱ中四个震动传感器分别编号为5、6、7、8，且其位置坐标分别为(r0,0,-λ2h0)、(r0,π,-λ2h0)、在极坐标系中的极轴为从中心点o发出且朝向坐标点(r0,0,λ1h0)的水平线；根据实验所需尺寸确定h0和r0的具体值。

进一步，所述比值λ1与比值λ2的取值范围均为10％～35％。