一种适用于含孔洞岩石的声发射源定位方法与流程

本发明属于岩石力学中声发射源定位方法
技术领域：
，涉及一种适用于适用于含孔洞岩石的声发射源定位方法。
背景技术：
：在荷载等因素作用下，岩石内部会形成破裂面并同时伴随应力波的传播，这种现象被称为声发射。声发射是岩石破裂过程的伴生现象，与岩石的物理力学行为具有密切的关系，因此，可通过对声发射监测信息的分析来推断岩石的受力状态及破裂程度，进而预警与控制岩石体的失稳性破坏。近年来声发射监测技术已逐渐被世界各国所重视，并在国内外大量室内岩石实验中得到应用。声发射源的定位是该技术的核心功能之一，能否进行精确的定位是声发射监测系统是否有效发挥作用的关键评价指标。声发射定位主要通过时差测量方法实现。在岩石力学实验中，为了模拟隧道开挖，往往在岩石试件中加工出一个或多个孔洞来研究孔洞周围岩石介质的受力、损伤及破坏过程，并使用声发射系统来定位损伤及破裂的位置。目前广泛应用的定位算法没有考虑空区对波传播路径的影响。由于孔洞的存在，大量岩石内部的破裂(声发射源)位置与声发射传感器之间存在孔洞阻隔，声发射源诱发的声发射波必然要绕过孔洞才能传播至声发射传感器位置被采集到，波传播路径及传播路程的改变会导致波传播时长的改变，忽略这一影响因素会导致定位结果误差的增加。技术实现要素：本发明提供的一种适用于含孔洞岩石的声发射源定位方法，解决了板状岩石试件中存在孔洞条件下，声发射波绕射孔洞导致传播路径增加引起声发射源定位误差加大的难点问题，能够在确定孔洞半径的基础上，结合声发射波传播路径的解析分析，求解含孔洞岩石中声发射波的传播路径长度，结合声发射波到时、网格搜索及误差权重系数法方法可较为精确的确定声发射源的位置。本发明的一种适用于含孔洞岩石的声发射源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立含孔洞及传感器位置的网格模型：建立岩石试件模型并确定声发射传感器在岩石试件上的位置，划分网格，去除网格中心点位于孔洞内的网格；步骤2、确定声发射波的传播路径：判断网格中心及声发射传感器的连线是否切割孔洞，若不切割则该线段即为声发射波传播路径，若切割则计算利用解析方法计算声发射波绕射孔洞的传播路径，进而建立声发射波自网格中心到声发射传感器的路径长度矩阵；步骤3、声发射源的定位：基于岩石波速测试结果及步骤2建立的路径长度矩阵确定理论到时差矩阵，利用声发射传感器接受的真实声发射波到时建立真实到时差矩阵/向量，匹配搜索理论到时差矩阵与真实到时差矩阵，进而确定声发射源的位置。作为本发明的进一步优化，所述步骤1中建立含孔洞及传感器位置的网格模型具体包括：步骤1.1、根据岩石试件的形状及尺寸建立岩石试件模型，根据孔洞中心的位置及半径建立孔洞模型，并将两个模型做差集布尔运算，完成含孔洞岩石试件模型的建立，并确定声发射传感器在岩石试件上的坐标；步骤1.2、对含空区的数值模型进行网格划分，网格尺度满足以下条件：式中，lm为网格尺度，单位mm；vp为p波在岩体中的传播速度，单位mm/s；sf为声发射系统的采样频率，单位hz；emax为满足定位要求的最大误差，单位mm；步骤1.3、计算所有网格中心点的坐标，并将中心点与孔洞中心点间距小于孔洞半径的网格去除：式中，xi、yi为网格i的中心点坐标，单位mm；i＝l，2，…，n，n为划分的网格总数；xc、yc为孔洞中心点的坐标，单位mm；r为孔洞的半径，单位mm。作为本发明的进一步优化，所述步骤2中确定声发射波的传播路径：步骤2.1、依次连接各网格中心点与声发射传感器坐标，该线段所在直线的表达式为：(yi-ysj)x+(xsj-xi)y+xiysj-yixsj＝0式中，xsj、ysj为声发射传感器j的坐标，单位mm；j＝l，2，…，n，n为声发射传感器的数量。并计算该线段所在直线距孔洞中心点的距离dij：式中，dij为该线段所在直线距孔洞中心点的距离，单位mm；步骤2.2、若该线段所在直线距孔洞中心点的距离大于或等于孔洞半径(dij≥r)，则连接网格中心点i及声发射传感器j的线段不切割孔洞，该线段即为声发射波自网格中心点i到声发射传感器j的传播路径：式中，lij为声发射波自网格中心点i到声发射传感器j的传播路径，单位mm；若该线段所在直线距孔洞中心点的距离小于孔洞半径(dij<r)，则分别计算以网格中心点i为起点、以孔洞中心及声发射传感器j为终点的两向量的内积，以及以声发射传感器j为起点、以孔洞中心及网格中心点i为终点的两向量的内积：dotp1ij＝(xc-xi)(xsj-xi)+(yc-yi)(ysj-yi)dotp2ji＝(xc-xsj)(xi-xsj)+(yc-ysj)(yi-ysj)步骤2.3、若该线段所在直线距孔洞中心点的距离小于孔洞半径(dij<r)且步骤2.2中计算的两内积(dotp1ij，dotp2ij)不全为正，则连接网格中心点i及声发射传感器j的线段不切割孔洞，该线段即为声发射波自网格中心点i到声发射传感器j的传播路径；若该线段所在直线距孔洞中心点的距离小于孔洞半径(dij<r)且步骤2.2中计算的两内积(dotp1ij，dotp2ij)全为正，则连接网格中心点i及声发射传感器j的线段切割孔洞，自网格中心点i到声发射传感器j的声发射波的传播路径会绕射孔洞；步骤2.4、利用解析方法计算自网格中心点i到声发射传感器j的声发射波绕射孔洞的传播路径，分别计算网格中心点i、声发射传感器j至孔洞的切线长度：式中，l1ij、l2ji分别为网格中心点i、声发射传感器j至孔洞的切线长度，单位mm；然后计算两个相切点间圆弧的长度：式中，lcij为两个相切点间圆弧的长度，单位mm；两切线长度与圆弧长度之和即为自网格中心点i到声发射传感器j的声发射波绕射孔洞的传播路径：lij＝lcij+l1ij+l2ji步骤2.5、依次计算各个网格中心至各个声发射传感器的传播路径长度，并建立声发射波自各网格中心点到各声发射传感器的路径长度矩阵lij。作为本发明的进一步优化，所述步骤3中声发射源的定位，具体包括以下步骤：步骤3.1、根据路径长度矩阵lij及p波在岩体中的传播速度确定理论走时矩阵：tij＝lij/vp式中，tij为声发射波自网格中心点i传播至声发射传感器j的理论走时，单位为s；步骤3.2、根据理论计算得到的理论走时矩阵，计算依次从各个网格中心点传播至各个传感器位置的理论到时差矩阵：δtij＝tij-timin式中，δtij为理论到时差矩阵，单位为s；timin为理论走时矩阵tij中第i行中最小的元素，单位为s；步骤3.3、真实到时差向量的建立：利用在岩石试件上安装的声发射传感器采集波形数据，对传感器接收到的波形进行人工或自动到时拾取工作，并根据下式计算真实到时差向量：δtjreal＝tjreal-min(tjreal)式中，δtjreal为真实到时差向量，单位s；tjreal为传感器j的真实到时，单位s；步骤3.4、匹配搜索及声发射源定位：将真实到时差向量与理论到时差矩阵中的行向量进行匹配搜索，如果有偏差量绝对值之和为0的行向量，则直接确定声发射源的坐标与该行向量对应的网格中心点坐标相同，完成定位；如果没有，则确定与真实到时差向量的总偏差量最小的4个行向量，将偏差量的大小作为权重系数来确定最终的定位点：式中，loc为声发射源的定位坐标，单位mm；ek为真实到时差与理论到时差间的总偏差量，单位s；p1、p2、p3、p4分别为与真实到时差向量最接近的4个网格中心点坐标。本发明的一种适用于含孔洞岩石的声发射源定位方法，至少具有以下有益效果：该方法解决了板状岩石试件中存在孔洞条件下，声发射波绕射孔洞导致传播路径增加引起声发射源定位误差加大的难点问题。将已存在的孔洞作为已知条件，结合声发射波传播路径的解析分析将孔洞对波传播路径的改变及由此造成的波传播路径长度的变化、波到达传感器的时间加以量化，显著降低了因孔洞存在诱发的声发射源定位误差。另外，在定位算法中联合使用了网格搜索及误差权重系数法，既避免了迭代算法中过分依赖初始迭代值和不收敛的缺点，又突破了网格尺度对定位结果的限制。附图说明图1为建立的含孔洞及传感器位置的网格模型，其中图1a为含孔洞、声发射传感器的岩石试件的模型，图1b为划分网格后的岩石试件模型，图1c为去除中心点在孔洞内的网格后的岩石试件模型。图2为自网格中心点到声发射传感器的线段与孔洞间的相对位关系，其中图2a为线段及其所在的直线均与孔洞相离，图2b为线段与孔洞相离但线段所在的直线与孔洞相交，图2c为线段及其所在的直线均与孔洞相交。图3为实测声发射波形示意图，其中图3a为传感器s1接收到的声发射波形，图3b为传感器s2接收到的声发射波形，图3c为传感器s3接收到的声发射波形，图3d为传感器s4接收到的声发射波形。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的介绍。本发明涉及的一种适用于含孔洞岩石的声发射源定位方法，包括如下步骤：步骤1、建立含孔洞及传感器位置的网格模型：建立岩石试件模型并确定声发射传感器在岩石试件上的位置，划分网格，去除网格中心点位于孔洞内的网格；所述步骤1中建立含孔洞及传感器位置的网格模型具体包括：步骤1.1、根据岩石试件的形状及尺寸建立岩石试件模型，根据孔洞中心的位置及半径建立孔洞模型，并将两个模型做差集布尔运算，完成含孔洞岩石试件模型的建立，并确定声发射传感器在岩石试件上的坐标，如图1a所示；步骤1.2、对含空区的数值模型进行网格划分，可将靠近孔洞的网格尺度划分的较小，而越远离孔洞的网格尺度划分的较大，如图1b所示，孔洞周围的网格尺度为：式中，lm为网格尺度，单位mm；vp为p波在岩体中的传播速度，单位mm/s；sf为声发射系统的采样频率，单位hz；emax为满足定位要求的最大误差，单位mm。步骤1.3、计算所有网格中心点的坐标，并将中心点与孔洞中心点间距小于孔洞半径的网格去除，如图1c所示：式中，xi、yi为网格i的中心点坐标，单位mm；i＝l，2，…，n，n为划分的网格总数；xc、yc为孔洞中心点的坐标，单位mm；r为孔洞的半径，单位mm。步骤2、确定声发射波的传播路径：判断网格中心及声发射传感器的连线是否切割孔洞，若不切割则该线段即为声发射波传播路径，若切割则计算利用解析方法计算声发射波绕射孔洞的传播路径，进而建立声发射波自网格中心到声发射传感器的路径长度矩阵；所述步骤2中确定声发射波的传播路径具体包括：步骤2.1、利用线段依次连接各网格中心点与声发射传感器坐标，该线段所在直线的表达式为：(yi-ysj)x+(xsj-xi)y+xiysj-yixsj＝0式中，xsj、ysj为声发射传感器j的坐标，单位mm；j＝l，2，…，n，n为声发射传感器的数量。并计算该线段所在直线距孔洞中心点的距离dij：式中，dij为该线段所在直线距孔洞中心点的距离，单位mm；步骤2.2、若该线段所在直线距孔洞中心点的距离大于或等于孔洞半径(dij≥r)，如图2a所示，则连接网格中心点i及声发射传感器j的线段不切割孔洞，该线段即为声发射波自网格中心点i到声发射传感器j的传播路径(图2a中粗线所示)：式中，lij为声发射波自网格中心点i到声发射传感器j的传播路径，单位mm；若该线段所在直线距孔洞中心点的距离小于孔洞半径(dij<r)，则分别计算以网格中心点i为起点、以孔洞中心及声发射传感器j为终点的两向量的内积，以及以声发射传感器j为起点、以孔洞中心及网格中心点i为终点的两向量的内积：dotp1ij＝(xc-xi)(xsj-xi)+(yc-yi)(ysj-yi)dotp2ji＝(xc-xsj)(xi-xsj)+(yc-ysj)(yi-ysj)步骤2.3、若该线段所在直线距孔洞中心点的距离小于孔洞半径(dij<r)且步骤2.2中计算的两内积(dotp1ij，dotp2ij)不全为正，如图2b所示，则连接网格中心点i及声发射传感器j的线段不切割孔洞，该线段即为声发射波自网格中心点i到声发射传感器j的传播路径，如图2b中粗线所示。若该线段所在直线距孔洞中心点的距离小于孔洞半径(dij<r)且步骤2.2中计算的两内积(dotp1ij，dotp2ij)全为正，如图2c所示，则连接网格中心点i及声发射传感器j的线段切割孔洞，自网格中心点i到声发射传感器j的声发射波的传播路径会绕射孔洞。步骤2.4、利用解析方法计算自网格中心点i到声发射传感器j的声发射波绕射孔洞的传播路径，分别计算网格中心点i、声发射传感器j至孔洞的切线长度：式中，l1ij、l2ji分别为网格中心点i、声发射传感器j至孔洞的切线长度，单位mm；然后计算两个相切点间圆弧的长度：式中，lcij为两个相切点间圆弧的长度，单位mm；两切线长度与圆弧长度之和即为自网格中心点i到声发射传感器j的声发射波绕射孔洞的传播路径(图2c中粗线所示)：lij＝lcij+l1ij+l2ji步骤2.5、依次计算各个网格中心至各个声发射传感器的传播路径长度，并建立声发射波自各网格中心点到各声发射传感器的路径长度矩阵lij。步骤3、声发射源的定位：基于岩石波速测试结果及步骤2建立的路径长度矩阵确定理论到时差矩阵，利用声发射传感器接受的真实声发射波到时建立真实到时差矩阵/向量，匹配搜索理论到时差矩阵与真实到时差矩阵，进而确定声发射源的位置。所述步骤3中声发射源的定位具体包括：步骤3.1、根据路径长度矩阵lij及p波在岩体中的传播速度确定理论走时矩阵：tij＝lij/vp式中，tij为声发射波自网格中心点i传播至声发射传感器j的理论走时，单位为s。步骤3.2、根据理论计算得到的理论走时矩阵，计算依次从各个网格中心点传播至各个传感器位置的理论到时差矩阵：δtij＝tij-timin式中，δtij为理论到时差矩阵，单位为s；timin为理论走时矩阵tij中第i行中最小的元素，单位为s。步骤3.3、真实到时差向量的建立：利用在岩石试件上安装的声发射传感器采集波形数据(如图3所示)，对传感器接收到的波形进行人工或自动到时拾取工作，并根据下式计算真实到时差向量：δtjreal＝tjreal-min(tjreal)式中，δtjreal为真实到时差向量，单位s；tjreal为传感器j的真实到时，单位s；步骤3.4、匹配搜索及声发射源定位：将真实到时差向量与理论到时差矩阵中的行向量进行匹配搜索，如果有偏差量绝对值之和小于满足定位要求最大误差的行向量，则直接确定声发射源的坐标与该行向量对应的网格中心点坐标相同，完成定位；如果没有，则确定与真实到时差向量最接近(总偏差量最小)的4个行向量，将偏差量的大小作为权重系数来确定最终的定位点：式中，loc为声发射源的定位坐标，单位mm；ek为真实到时差与理论到时差间的总偏差量，单位s；p1、p2、p3、p4分别为与真实到时差向量最接近的4个网格中心点坐标。实施例：1、根据实际岩石试件的形状及尺寸建立岩石试件模型，岩石试件尺度为300×300mm，孔洞半径为50mm，如图1a所示，假定有4个传感器s1、s2、s3、s4，传感器位置坐标如表1所示(岩石试件的左下角为坐标原点)。表1传感器x(mm)y(mm)s17070s223070s370230s42302302、对含孔洞的岩石试件模型进行网格划分，如图1b所示。3、去除网格中心点位于孔洞内的网格，如图1c所示。4、依次计算网格中心点到各个声发射传感器的波传播路径长度，在有4个传感器的情况下，每个网格中心点会有4个直达传感器的传播路径，若有n个网格中心点就会形成n×4列的路径长度矩阵。以坐标为(78.75,116.25)的网格中心点为例，其到各个声发射传感器的波传播路径长度矩阵，如表2所示。表2传感器波传播路径长度(mm)s137.72s2154.02s3104.77s4199.265、测量岩石试件的波速为3680000mm/s，结合波传播路径长度确定理论走时矩阵，通过减去走时最少的值可以得到理论到时差矩阵，如表3所示。表36、在坐标(78.75,116.25)位置进行人工断铅，利用在岩石试件上安装的声发射传感器采集波形数据(如图3所示)，对传感器接收到的波形进行人工到时拾取工作，并计算真实到时差，如表4所示。传感器实际走时(s)实际到时差(s)s10.00001020s20.00004180.0000316s30.00002840.0000182s40.00005420.0000447、将真实到时差与理论到时差进行匹配，发现真实的到时差与模拟到时差时的偏差量绝对值之和小于预设的最大误差5×10-7，因此确定实际人工断铅产生的声发射源的坐标为(78.75,116.25)。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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。当前第1页1 2 3