岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩石力学领域，具体为岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法。
【背景技术】
[0002] 岩石破坏的本质原因是由于内部裂纹的萌生、扩展与贯通的累积损伤与岩石发生 断裂破坏过程。岩石材料的不透明性，导致破裂致灾过程的监测十分困难。岩石破裂存在 从微细观尺度破裂到宏观尺度破坏的演化过程，采取一种能准确、高效、实时地反映岩石细 观破裂信息的监测技术，对于研究岩石的宏观断裂过程是十分重要的。针对该项领域的研 究，目前没有相应的研究成果。
[0003]由于岩石破裂问题的复杂性、噪声的干扰以及声发射数据的海量性和时域参数的 随机性，监测结果的失真或误判时有发生。纠其原因，主要有三个方面的影响：
[0004] 其一，在现阶段选取声发射监测的特征频段算法不够准确。针对岩石破裂声发射 有效监测频段的选取还需要进一步加深，否则难以从定性过渡到定量来分析岩石破裂问 题；
[0005] 其二，声发射传感器的频段过宽，许多噪声信号同样被采集，对监测结果产生了很 大的影响，甚至会出现误判；
[0006] 其三，传感器的响应速度与频段成反比，即频段越宽，响应速度越慢。但岩石的脆 性破裂时是瞬间发生的，较慢的响应速度显然无法满足监测的需要。
【发明内容】
[0007] 针对上述问题，本发明构建了一种岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法，能 够充分考虑不同频段的声发射信息，及其对破裂问题的敏感度，采集数据丰富，可靠性强。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0009] 岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法，包括以下步骤：
[0010] ⑴前兆优势频段的求解算法
[0011] 以岩石损伤破裂过程出现的第一个声发射信号作为基准信号，选取基准信号的某 个特征参数，其数值为c;h为在t时刻的声发射特征参数值的增量；Θi(t)为岩石破裂过 程中声发射特征参数的观测值；^α+At)为t时刻到（t+At)时刻声发射特征参数的特征 函数；
[0012] 特征函数A(t+Δt)求解如下：
[0013]rx(t+At) = 01(t+At)-01(t) (1)
[0014] 若对信号进行小波分解，r(t)展开求解如下：
[0015]
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 前兆优势频段是对岩石破裂的前兆特征表现最为突出所属频段，其变能系数ζi =(_;为使ζ_的前兆响应最大、最快，需对ζ_进行预警参数处理，从中优选出一个对 前兆响应最明显、速度最快的参数；
[0021] (2)预警参数的选定
[0022] 在临近最后破裂时，或ζω]临近最后破裂均出现数值明显突变现象；选取其 中一个突增最明显的ζ_进行一阶、二阶差分求导运算；
[0023] 对曲线进行一阶差分求导，得到ζ' __t，即变能系数随时间的变化率， 反映了ζ_随时间变化程度；采用中心差分法进行求解：
[0024]
[0025] 再进行二阶差分求导得到ζ" __t，即变能系数随时间变化的加速度，反映了 ζ_随时间变化程度的快慢；
[0026]
[0027] 最后，对比ζ_、ζ'_、ζ" _变化规律，以响应先后及响应增幅情况作为依据， 优选最佳预警参数，将该参数作为宏观破裂的短临预警参数。
[0028] 本发明提供的岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法，研究岩石破裂声发射监 测频段，构建监测优势频段选取的算法，通过划分出合理频段，分析对比各频段对岩石破裂 的敏感性，选取对噪声影响较小的频段；对岩石破裂过程声发射波形的频域变化规律与机 理开展研究，不仅有利于揭示岩石变形破裂的规律，而且可以进一步发挥声发射监测手段 在岩石力学领域的作用，为后面的声发射信号分析提供较纯净的数据源，提高声发射监测 效果的可靠性。
【附图说明】
[0029] 图1为实施例的力学分析轴向应力、水平应力-时间图；
[0030] 图2为图1的局部放大曲线图；
[0031]图3为本实施例的变能系数ζ-时间t散点图；
[0032]图4为本实施例ζ_、ζ'_、ζ" 图；
[0033] 图5为图4 2420~2430s局部放大图。
【具体实施方式】
[0034] 结合实施例说明本发明的具体技术方案。
[0035] 通过开展花岗岩圆型隧洞模型水平卸荷试验，分析整个过程的声发射信号，以此 验证方法的可靠性。
[0036] (1)试验简述
[0037]选用山东莱洲某矿山的花岗岩，将岩石加工制作成圆型隧洞模型，尺寸为 150mmX150mmX150mm的立方体，中间钻直径为45mm的通孔，对试样进行仔细研磨，使其平 整度符合实验要求。
[0038] 实验加载系统选用RLW-3000微机控制双轴伺服压力实验机，声发射仪选择美国 声学物理公司PAC(PhysicalAcousticCorporation)生产的PCI-2型8通道全数字化、计 算机控制采集的声发射监测系统。
[0039] 采用R6α型谐振式高灵敏度传感器采集声发射信号，该传感器在0~350kHz的 均为有效增益。前置放大器增益值为40dB，声发射采样信号门槛值为45dB，波形采样率为 1MSPS，长度为2K。实验时在传感器和试样之间涂上凡士林，以增强二者耦合性。
[0040] (2)力学及变形破裂分析
[0041]a.隧道模型破坏过程
[0042] 隧洞模型的破坏模式与最大主应力方向和卸荷方向密切相关。通过对试件整体和 中间隧洞模型内部进行高速摄像。
[0043] 初级阶段I:岩石试件并没有产生明显破裂，此时的声发射信号由试件本身的微 小孔隙、裂隙等被压密所致；
[0044] 双轴保载阶段II:水平应力、轴向应力保持不变，但在孔洞左右边壁的应力集中 区已经出现破裂，但在现场的隧洞工程中，隧洞表面围岩一般都会喷射混凝土，此现象在现 场很难观测到；
[0045] 水平卸荷阶段III:水平卸荷作用导致水平应力快速下降，当水平应力降至最低 值时轴向应力发生阶跃式下降。试件整体发生严重破坏，孔洞内壁出现不同程度的破坏。
[0046]b.力学分析
[0047] 在主应力空间中，弹性应变能通常沿最小主应力或拉应力集中处释放。如图1所 示，在I阶段，岩石轴向处于加载阶段，II阶段为水平和轴向的保载阶段，III为水平卸荷阶 段。t=tl时刻，岩石试件进入双轴保载阶段；t=t2时，水平应力卸荷，孔洞围岩左右边 壁出现拉应力集中，发生劈裂破坏；t=t3时，水平卸荷至最低点时，岩石试件发生整体破 裂。
[0048]如图2局部放大曲线，在水平应力卸荷初期T初=2350s时，轴向应力曲线并没有 出现应力降；当?* = 2425s时，此时的水平应力已降至最低，而轴向应力仅出现极小的应力 降。若能捕捉到此刻的声发射特征信息，无疑可为前兆的预测提供依据；当Ts= 2431s，轴 向应力出现阶跃式垂直下降，隧洞模型突然失稳破坏。
[0049] (3)声发射优势频段选取研究
[0050]a.声发射前兆优势频段
[0051] 根据以上对前兆优势频段的定义，特征参数选择小波子信号（CA6,⑶6~⑶1)， 基准信号C值分别为每层小波子信号的能谱系数值Cmi= 0· 83418、Cm2= 2. 8798、Cm3 = 16. 222、CCD4= 49. 804、CCD5= 24. 386、CCD6= 4. 5181、CCA6= 1· 3557。Θ(t)为岩石破裂过 程中每个声发射信号的小波能谱系数值。
[0052] 特征函数r(t)如下：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056] 卯囹;i所不，仕临近爾后贩眾叮，<=CD5、<= CD6、<=CA6i>J出现明Μ速項'|肓沉，爾后宏观 破裂的发生具有能量耗散大、频率低的特点，对此阶段的声发射信号进行小波变换发现后，CD5(15. 625~31. 25kHz)、CD6(7. 8125~15.625kHz)的变能系数ζ增大较明显。其中 ζCD5分布于[_2, 4]，而ζ分布于[-1，20]。在2)中的力学分析中，当Τα = 2425s时， CD5的ζAEm5= 3. 5,CD6的ζm6= 15,CD5和CD6的前兆时间相同，但CD6的前兆响应 大于CD5,将CD6层（7. 8125~15. 625kHz)定义为前兆优势频段，S卩ζm6=ζ_。
[0057] 小波分频处理之后的结果表明，不同频段的变通系数ζ^向应幅度存在较为明显 的差异，对于破裂前兆问题而言，⑶5和⑶6更为明显如图3。⑶1、CA6整体响应区间在 [0, 100]，⑶2也达到[0, 40]。若不进行小波分频处理，⑶5和⑶6所携带的断裂信息会被 其他频段所掩盖，这样很容易导致监测结果的失真或误判。
[0058] b.前兆预警参量的优选
[0059] 对ζDrat进行差分一阶、差分二阶求导处理，如图4所示。在2400~2450s之间， ζ_、_和ζ" _响应出现全幅递增情况。对该区域进行局部放大处理，如图5的 2420~2430s所示。在此区域，三者的响应时间及增幅顺序依次为：ζ"_>ζ' _> ，即ζ" _变化总是提前于ζ_和ζ'
[0060] 综上所述，应对频段⑶6 (7. 8125~15. 625kHz)进行重点监测，将ζ作为宏 观破裂的短临预报参数。
【主权项】
1.岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 前兆优势频段的求解算法 以岩石损伤破裂过程出现的第一个声发射信号作为基准信号，选取基准信号的某个特 征参数，其数值为c ;h为在t时刻的声发射特征参数值的增量；Θ i(t)为岩石破裂过程中声 发射特征参数的观测值A (t+At)为t时刻到（t+At)时刻声发射特征参数的特征函数； 特征函数A (t+At)求解如下： r；(t+At) = Θ j(t+At)-Θ ;(t) (1) 若对信号进行小波分解，r(t)展开求解如下：对ζ展开求解如下：前兆优势频段是对岩石破裂的前兆特征表现最为突出所属频段，其变能系数= 为使ζ _的前兆响应最大、最快，需对ζ _进行预警参数处理，从中优选出一个对前 兆响应最明显、速度最快的参数； (2) 预警参数的选定 在临近最后破裂时，或ζ 临近最后破裂均出现数值明显突变现象；选取其中一 个对前兆响应最明显、速度最快的参数ζ_进行一阶、二阶差分求导运算； 对曲线进行一阶差分求导，得到ζ' _-t，即变能系数随时间的变化率，反映 了 ζ_随时间变化程度；采用中心差分法进行求解：再进行二阶差分求导得到ζ" _-t，即变能系数随时间变化的加速度，反映了 ζ_随 时间变化程度的快慢；最后，对比ζ_、ζ ^ ζ " _变化规律，以响应先后及响应增幅情况作为依据，优 选最佳预警参数，将该参数作为宏观破裂的短临预警参数。
【专利摘要】本发明涉及岩石力学领域，具体为岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法，研究岩石破裂声发射监测频段，构建监测优势频段选取的算法，通过划分出合理频段，分析对比各频段对岩石破裂的敏感性，选取对噪声影响较小的频段；对岩石破裂过程声发射波形的频域变化规律与机理开展研究，不仅有利于揭示岩石变形破裂的规律，而且可以进一步发挥声发射监测手段在岩石力学领域的作用，为后面的声发射信号分析提供较纯净的数据源，提高声发射监测效果的可靠性。
【IPC分类】G01N3/08, G01N29/14
【公开号】CN105334108
【申请号】CN201510745944
【发明人】刘祥鑫, 张艳博, 梁正召, 姚旭龙, 梁鹏
【申请人】华北理工大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年11月5日