一种岩石破裂声发射与损伤成像一体化监测方法与流程

本发明属于岩石破裂损伤探测技术领域，具体涉及一种岩石破裂声发射与损伤成像一体化监测方法的设计。

背景技术：

岩石破裂损伤的探测是岩石破裂演化机理和失稳预警的重要研究基础，对预防岩土工程灾害具有重要意义。岩石材料的不透明性，导致破裂致灾过程的监测十分困难。现有的探测技术主要有声发射监测和超声波探测，超声波和声发射无损探测技术在岩土工程等相关领域应用最为广泛。超声波无损探测成像能够较精确探测岩石内部静态的损伤缺陷(裂纹、孔隙等)；声发射检测可以获取岩石破裂过程的声发射特征信号推演动态损伤趋势。研究一种能够融合超声波探伤成像和声发射一体化同步监测的方法，对揭示岩石破坏损伤演化规律，岩石动态损伤信息与声发射内在关系具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前岩石破裂声发射研究领域缺少岩石破裂演化与声发射直接对应的有效监测手段，造成难以准确确定声发射与破裂演化对应关系的问题，提出了一种岩石破裂声发射与损伤成像一体化监测方法，最大限度地实现声波探伤成像与声发射信号的同步执行，为研究岩石破裂损伤与声发射对应关系提供技术基础，同时可为研究灾变前兆特征分析提供技术基础。

本发明的技术方案为：一种岩石破裂声发射与损伤成像一体化监测方法，包括以下步骤：

s1、在待监测岩石周围设置声发射系统。

s2、构建岩石三维离散速度场模型。

s3、在声发射ast模式下，通过声发射系统中每个通道的声发射监测传感器依次发射和接收声波，测试得到岩石三维离散速度场模型中每个微元的波速。

s4、根据岩石三维离散速度场模型中每个微元的波速，结合岩石各向异性的波速变异函数计算得到岩石内部未知波速微元的波速。

s5、根据岩石内部所有微元的波速反演得到岩石破裂损伤成像图，完成对岩石破裂的监测。

进一步地，步骤s1中的声发射系统由对射型声发射监测传感器矩阵构成。

进一步地，步骤s2中的岩石三维离散速度场模型为：

v＝{v(ck)|k＝1,2,...,n}

其中v表示岩石三维离散速度场，v(ck)表示声波在岩石的第k个组成微元ck内的传播速度，n表示岩石的组成微元总数。

进一步地，步骤s4中岩石内部未知波速微元的波速计算公式为：

其中v^*(c0)表示未知波速微元c0的波速估计值，λk表示第k个已知组成微元ck与未知波速微元c0的相关系数，v(ck)表示第k个已知组成微元ck的测试波速值。

进一步地，相关系数λk的计算公式为：

其中rkl表示第k个已知组成微元ck与第l个已知组成微元cl在各方向上的波速变异函数，λk表示第k个已知组成微元ck与未知波速微元c0的相关系数，φ表示拉格朗日乘数，rk0表示第k个已知组成微元ck与未知波速微元c0在各方向上的波速变异函数，k＝1,2,...,n；l＝1,2,...,n。

进一步地，波速变异函数rkl与rk0的计算公式为：

其中e[·]表示数学期望，v(ck),v(cl)分别表示第k个已知组成微元ck与第l个已知组成微元cl的测试波速值，v(c0)表示未知波速微元c0的波速理论实测值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明实现了岩石破裂的三维动态成像，并可进行任意部位的成像切片提取，为岩石破裂演化致灾机理相关研究提供了有效的监测手段。

(2)本发明实现了声发射与损伤探测的同步监测，为声发射与岩石破裂间的关系研究、声发射关键信号特征研究、岩石破裂声发射演化规律研究提供了最直接有效的实验监测手段。

(3)本发明利用点云集合理论构建岩石三维离散速度场模型，能够实现任意形状岩石的损伤探测成像，具有更加宽广的应用范围。

(4)本发明在计算岩石内部未知波速微元的波速时，采用了地质统计学中克里金估值方法的变异函数原理，同时考虑了微元之间的空间距离及岩石各向异性，更加符合岩石实际。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种岩石破裂声发射与损伤成像一体化监测方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的对射型声发射监测传感器矩阵设置示意图。

图3所示为本发明实施例提供的立方体式岩石三维离散速度场模型示意图。

图4所示为本发明实施例提供的球体式岩石三维离散速度场模型示意图。

图5所示为本发明实施例提供的棱柱式岩石三维离散速度场模型示意图。

图6所示为本发明实施例提供的圆柱式岩石三维离散速度场模型示意图。

图7所示为本发明实施例提供的声发射ast模式透射探伤示意图。

图8所示为本发明实施例提供的岩石离散微元波速区域相关原理示意图。

图9所示为本发明实施例提供的岩石材料各向异性示意图。

图10所示为本发明实施例提供的变异函数拟合原理示意图。

图11所示为本发明实施例提供的岩石加载过程示意图。

图12所示为本发明实施例提供的岩石破坏失稳前一刻的三维成像结果图。

图13所示为本发明实施例提供的岩石最终破裂状态示意图。

图14所示为本发明实施例提供的岩石破裂过程中声发射监测与三维成像效果图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种岩石破裂声发射与损伤成像一体化监测方法，如图1所示，包括以下步骤s1～s5：

s1、在待监测岩石周围设置声发射系统。

本发明实施例中，声发射系统由对射型声发射监测传感器矩阵构成。对射型声发射监测传感器矩阵的具体设置方式如图2所示，其中声发射监测传感器的数量在条件允许的情况下尽可能的多(数量最低要求为两个)，传感器数量越多提供的已知数据越多，成像结果越精确。传感器布置尽量保证岩石最小探测盲区，即尽量保证各个角度都可以形成传感器对射。

s2、构建岩石三维离散速度场模型。

在构建岩石三维离散速度场模型之前，首先需要将将岩石抽象离散成若干组成微元，每一个组成微元代表岩石一个基本组成部分。假设ck为岩石的第k个组成微元，其在岩石对应的空间坐标为(x,y,z)，则岩石整体可以用集合c＝{ck|k＝1,2,...,n}表示，n表示岩石的组成微元总数。声波在岩石内部传播将经过岩石的基本组成微元ck，定义v(ck)为声波在微元ck内的传播速度，则岩石三维离散速度场模型表示为v＝{v(ck)|k＝1,2,...,n}。

最终构建岩石三维离散速度场模型可能为立方体式、球体式、棱柱式或圆柱式，如图3～图6所示。

s3、在声发射ast模式下，通过声发射系统中每个通道的声发射监测传感器依次发射和接收声波，测试得到岩石三维离散速度场模型中每个微元的波速。

在声发射ast模式下进行损伤探测，通过声发射系统依次控制其中的一个通道的传感器作为激励探头发射模拟声波，声波从不同传播路径到达其他通道传感器(如图7所示)。这样即可测试得到岩石三维离散速度场模型中每个微元的波速v(ck)。

s4、根据岩石三维离散速度场模型中每个微元的波速，结合岩石各向异性的波速变异函数计算得到岩石内部未知波速微元的波速。

岩石三维离散速度场模型表示为v＝{v(ck)|k＝1,2,...,n}中每个微元的波速v(ck)已经通过步骤s3测试得到，而岩石中其他组成微元的波速未知，需要通过一定的计算方法进行估值计算，进而获得所有组成微元的波速，完成损伤探测成像。

假设未知波速微元c0的波速为v(c0)，根据地理学第一定律可知在一定的区域内v(c0)与岩石三维离散速度场模型中每个微元的波速v(ck)相关，相关程度由各已知微元与未知微元间的远近距离以及各方向上的各向异性共同决定，如图8所示。

设未知微元c0与已知微元ck波速的相关系数为λk，借鉴地质统计学中的克里金估值方法可将未知微元c0波速估计值v^*(c0)表示为：

其中v^*(c0)表示未知波速微元c0的波速估计值，λk表示第k个已知组成微元ck与未知波速微元c0的相关系数，v(ck)表示第k个已知组成微元ck的测试波速值，n表示区域范围内已知微元总数，即岩石的组成微元总数。

为使波速估计值v^*(c0)达到最优，v^*(c0)需满足均方差var[v(c0)-v^*(c0)]最小，数学期望e[v(c0)-v^*(c0)]＝0，其中v(c0)为未知波速微元c0的波速理论实测值。

根据上述分析，令

j＝var[v(c0)-v^*(c0)](2)

根据公式(1)和公式(2)可得：

其中var[·]表示均方差运算，cov[·]表示协方差运算，λl表示第l个已知组成微元cl与未知波速微元c0的相关系数，v(cl)表示第l个已知组成微元cl的测试波速值。令ckl＝cov[v(ck),v(cl)]并代入公式(3)可得：

根据地质统计学中克里金插值原理，定义考虑岩石各向异性的波速变异函数rkl＝σ²-ckl，其中σ为估计方差，则ckl＝σ²-rkl，将其代入公式(4)可得：

由于公式(1)存在约束则公式(5)可以表示为：

利用拉格朗日乘数法对公式(6)进行最小值求解优化，进而获取最优的λ1,λ2,...,λn，即：

其中φ表示拉格朗日乘数，将公式(7)进行简化得：

由公式(8)可知，计算出刻画岩石各向异性的波速变异函数rkl，便可以求解得到λk，然后结合公式(1)即可完成未知微元c0波速估计值v^*(c0)的计算。

岩石属于一种天然的非均质材料，图9为岩石内部的ct扫描图片，从图9可以看出以基础微元c0为中心沿p1和p2方向因其内部存在裂纹缺陷及矿物成分造成各方向上的各向异性。

本发明实施例中定义表征岩石各向异性的波速变异函数rkl主要反映岩石各组成微元波速在各方向上的差异性和相关性。从岩石各组成微元在空间分布的角度，rkl还与岩石的组成微元间的距离存在一定的关系(r＝r(d))。

通过实验测定可以获得一部分岩石组成微元的测定波速形成集合，并计算每两个组成微元的距离dkl＝d(ck,cl)，形成数据对(dkl,rkl)的集合，对数据对集合进行曲线拟合可以确定r＝r(d)的函数关系，如图10所示。

通过r＝r(d)的函数拟合关系，可以计算任意两个组成微元的变异系数r，并代入公式(8)得：

其中rkl表示第k个已知组成微元ck与第l个已知组成微元cl在各方向上的波速变异函数，λk表示第k个已知组成微元ck与未知波速微元c0的相关系数，φ表示拉格朗日乘数，rk0表示第k个已知组成微元ck与未知波速微元c0在各方向上的波速变异函数，k＝1,2,...,n；l＝1,2,...,n。

波速变异函数rkl与rk0的计算公式为其中e[·]表示数学期望，v(ck),v(cl)分别表示第k个已知组成微元ck与第l个已知组成微元cl的测试波速值，v(c0)表示未知波速微元c0的理论实测值。

令则公式(9)可以改写为ax＝b，通过x＝a^-1b可以求得λk，带入公式(1)进而计算出未知微元c0的波速估计值v^*(c0)。

s5、根据岩石内部所有微元的波速反演得到岩石破裂损伤成像图，完成对岩石破裂的监测。

在声波的传播过程中，因岩石内部损伤程度不同造成波的衰减不同，遇到裂纹等缺陷时，直线路径上的波速降低。通过声发射系统多通道依次发射接收，形成超声波射线波速场，进而反演即可得到岩石内部的损伤情况。

下面以一个具体实验例对本发明提供的一种岩石破裂声发射与损伤成像一体化监测方法得效果作详细说明。

对图2所示的岩石试件进行加载，在岩石加载破裂过程中，岩石破裂产生的声发射可能对探测发射的主动信号产生干扰，影响最终的损伤探测效果。因此，在加载过程中进行损伤探测时需要进行保压减少声发射信号的产生，保证损伤探测成像的精度，如图11所示。

图12所示为岩石破坏失稳前一刻的三维成像结果图，图13为岩石最终破裂状态示意图，通过对图12和图13进行对比可以看出三维成像能过较好的反应岩石内部的损伤情况。

图14为岩石破裂过程中声发射监测与三维成像效果图，结果显示本发明的方法能够有效同步监测声发射与损伤成像，对应性好。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。