一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法与流程

本发明涉及一种微震监测的技术方法，具体说是一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法，用作地下工程隧(巷)道的岩体失稳识别预警技术手段。

背景技术：

在地下工程中，岩体的失稳破坏对于工程的安全生产十分重要。近些年，微震监测等岩体失稳识别预警技术逐渐被应用到岩体的稳定性监测中。当地质条件复杂时，岩体失稳识别预警技术的可操作性受到阻碍，严重地影响了岩体失稳识别预警的实时分析效果。

岩体失稳识别预警技术主要是对岩体的破坏做出预测、判断或者发出征兆信息。传统的岩体失稳识别预警方法主要包括以下方面：监测区域出现应力突降、振动波层析成像反演技术、微震多维信息的时空预测等。而这些方法技术需要获得大量的参数(如应力、应变，振动波、微震等级，微震活动度等)才能实现。但是往往由于现场环境的复杂性，很难及时准确地获取以上参数。而且传统的岩体失稳预警技术基本都是直观地根据数据变化的趋势来做出预测，缺乏分析数据变化的内在特征，难以准确地对岩体的失稳做出预警和判断。

可见现有的岩石失稳破坏的预测技术方法存在较大的缺陷和局限性，需要研究一种易操作，适用性强，准确度高的岩石失稳破坏的预测方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提供了一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法，该预测方法的准确性高，适用性强。

发明为实现发明目的所采用的技术方案如下：

一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法，包括以下步骤：

在预测岩样破坏之前，首先引入尖点突变模型，此模型能够对系统状态的突变情况进行判断。此模型由一个状态变量和两个控制变量组成，其势函数表达为：

v(x)＝x⁴+px²+qx(1)

其中，x是系统的状态变量；p和q是系统的控制变量。

通过对方程式(1)求导，可以得到系统的平衡曲面方程：

v′(x)＝4x³+2px+q(2)

该曲面在参数空间被称为突变流行。

通过对方程式(2)求导，可以得到系统奇点集满足的方程：

v″(x)＝12x²+2p(3)

令v′(x)＝0，v″(x)＝0，则系统稳定性的判别式可以表达为：

δ＝8p³+27q²(4)

当δ＞0，系统处于稳定状态；δ＝0，系统处于临界状态；δ＜0，系统处于不稳定状态。

将声发射参数中的累积能量引入进来作为岩石系统的状态变量对岩石破坏进行预测：

步骤1：累积振铃计数转化为时间变量的连续函数e(t)，对时间序列函数e(t)进行泰勒展开，并取前4项，可得到：

其中，ai通过时间序列函数e(t)泰勒展开后获取。

步骤2：将式(5)转化为系统势函数形式，令x＝t-ω，ω＝a3/4a4,则系统势函数可以表达为：

v(x)＝b4x⁴+b2x²+b1x+b0(6)

其中，bi通过如下转化计算得到：

步骤3：将式(6)转化为标准的势函数表达式：

vc(x)＝x⁴+px²+qx+c(8)

其中，p，q，c满足以下关系：

步骤4：令v′c(x)＝0，v″c(x)＝0，基于累积能量时间序列函数，岩石系统的稳定性判别式可以表达为：

δe＝8p³+27q²(10)

步骤5：构建累积能量的时间系列函数e0(t)，定义区间为t∈[0,t0]，其中t0是指声发射试验结束的时刻。

步骤6：对时间序列函数e0(t)进行泰勒展开，并求解参数ai(a0,a1,a2,a3,a4)。

步骤7：求解中间参数ω，bi(b0,b1,b2,b3,b4)，p，q，c。

步骤8：计算判别式当表明岩样发生破坏，e0(t)为有效时间序列函数，可以用来预测岩样的破坏情况；当表明岩样未发生破坏，e0(t)无法用来预测岩样的破坏情况，需重新开展声发射试验或者重构时间系列函数e0(t)。

步骤9：当步骤8中，时，重构时间序列函数e1(t)，定义区间为t∈[0,t1]，其中

步骤10：重复步骤7和8，并计算判别式当表明岩样发生破坏的定义范围是t∈[0,t1]；当表明岩样在此定义区间没有发生破坏，那么岩石破坏发生在定义区间t∈[t1,t0]。

步骤11：在步骤10中，当重构时间序列函数e2(t)，定义区间为t∈[0,t2]，其中当重构时间序列函数e2(t)，定义区间为t∈[0,t2]，其中

步骤12：重复步骤10和11，判断岩样破坏的定义区间。当预测破坏的区间长度|tn-tm|≤1(tn是指当前预测结果是破坏的定义区间的时间末节点，tm是指最近预测结果是未破坏的定义区间的时间末节点)，停止重复步骤10和11，结束预测。

有益效果：

1、无需应力、变形等力学状态参数，通过声发射无损技术得到的参数直接预测岩石的破坏，操作方便。

2、基于尖点突变模型，对岩样系统的状态进行判断，能够精确地确定岩样破坏的时刻，准确性高。

3、通过二分法不断缩小岩样的破坏区间范围，能唯一确定破坏的时刻，同时能够迅速地确定破坏的时刻，适用性强。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为样本1的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。

图3为样本2的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。

图4为样本3的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。

图5为样本4的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。

图6为样本5的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。

具体实施方式

以下结合实际案例，对本发明一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法作出进一步说明。具体实施方法如下：以5组圆盘状花岗岩的点弯曲声发射试验结果为样本，对岩样的破坏进行预测。5组样本中包含荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线。

步骤1：将累积能量曲线转化为时间变量的连续函数e(t)，对时间序列函数e(t)进行泰勒展开，并取前4项，可得到：

其中，ai通过时间序列函数e(t)泰勒展开后获取。

步骤2：将式(5)转化为系统势函数形式，令x＝t-ω，ω＝a3/4a4,则系统势函数可以表达为：

v(x)＝b4x⁴+b2x²+b1x+b0(6)

其中，bi可以通过如下转化计算得到：

步骤3：将式(6)转化为标准的势函数表达式：

vc(x)＝x⁴+px²+qx+c(8)

其中，p，q，c满足以下关系：

步骤4：令v′c(x)＝0，v″c(x)＝0，基于累积能量时间序列函数，岩石系统的稳定性判别式可以表达为：

δe＝8p³+27q²(10)

步骤5：构建累积能量的时间系列函数e0(t)，定义区间为t∈[0,t0]，其中t0是指声发射试验结束的时刻。

步骤6：对时间序列函数e0(t)进行泰勒展开，并求解参数ai(a0,a1,a2,a3,a4)。

步骤7：求解中间参数ω，bi(b0,b1,b2,b3,b4)，p，q，c。

步骤8：计算判别式当表明岩样发生破坏，e0(t)为有效时间序列函数，可以用来预测岩样的破坏情况；当表明岩样未发生破坏，e0(t)无法用来预测岩样的破坏情况，需重新开展声发射试验或者重构时间系列函数e0(t)。

步骤9：当步骤8中，时，重构时间序列函数e1(t)，定义区间为t∈[0,t1]，其中

步骤10：重复步骤7和8，并计算判别式当表明岩样发生破坏的定义范围是t∈[0,t1]；当表明岩样在此定义区间没有发生破坏，那么岩石破坏发生在定义区间t∈[t1,t0]。

步骤11：在步骤10中，当重构时间序列函数e2(t)，定义区间为t∈[0,t2]，其中当重构时间序列函数e2(t)，定义区间为t∈[0,t2]，其中

步骤12：重复步骤10和11，判断岩样破坏的定义区间。当预测破坏的区间长度|tn-tm|≤1(tn是指当前预测结果是破坏的定义区间的时间末节点，tm是指最近预测结果是未破坏的定义区间的时间末节点)，停止重复步骤10和11，结束预测。

具体计算过程和结果如下：

样本1参数见图2，预测过程如下：

样本2参数见图3，预测过程如下：

样本3参数见图4，预测过程如下：

样本4参数见图5，预测过程如下：

样本5参数见图6，预测过程如下：

以上表格为5个样本的预测结果汇总，可以得出：除了样本2的实际破坏时刻稍微超出预测破坏区间以外，其它4个样本中，实际破坏时刻均在预测破坏区间内，预测效果良好，说明本发明的准确性和适用性。