一种基于多源数据融合的单轴压缩岩石失稳预测预警方法

本发明涉及岩石力学实验过程实验数据信息化，具体而言，尤其涉及一种基于多源数据融合的单轴压缩岩石失稳预测预警方法。

背景技术：

1、矿山工程现场条件复杂，除了机理因素，还有很多不稳定、不可控的因素会对矿山安全造成影响，这给探寻岩石失稳破坏规律带来了干扰；同时，由于矿山开采的条件限制，不利于开展现场测试，这将影响理论、方法、技术的创新发展。因此，借助于室内岩石力学实验开展岩石损伤与失稳破坏特性的研究，将为指导矿山灾害的预测预警提供重要的理论基础。

2、室内实验具有多源监测的条件，能够获得加载过程中的多源监测数据，可以从声、光、力等多角度反应岩石失稳破坏过程。当前对岩石失稳预测预警的评价方法中，多是单指标数据用于预警，难以窥得失稳破坏过程全貌；考虑多源数据融合处理能够从多维度表征岩石失稳破裂过程，更贴近实际失稳破裂情况。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，提供一种基于多源数据融合的单轴压缩岩石失稳预测预警方法。本发明方法针对在实验室内开展的单轴压缩实验，通过监测设备实时获取监测数据，根据监测数据本身特点对岩石试样损伤进行量化，引入d-s证据理论将损伤量化后的数据进行融合处理，最终对破坏时间给出预测并根据数据融合结果按照风险划分等级给出预警结果。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于多源数据融合的单轴压缩岩石失稳预测预警方法，包括：

4、s1、获取单轴压缩加载过程中岩石试样监测数据，并对数据实时进行损伤量化处理；

5、s2、根据多源监测数据的损伤量化结果，采用d-s证据理论对数据进行融合处理；

6、s3、结合单指标损伤量化结果对破坏时间给出预测，并根据数据融合结果按照风险划分等级给出预警结果。

7、进一步地，所述步骤s1，包括：

8、s11、通过dhdas、pci-2、eos 90d对单轴压缩加载过程中岩石试样进行监测，通过lab view二次开发的方式实时获取应变、声发射数据，通过eos unity实时获取散斑数据；

9、s12、针对实时获取的应变数据，基于体应变拐点定义应变损伤量化；

10、s13、针对实时获取的声发射数据，基于声发射参数无量纲曲线定义声发射数据量化损伤；

11、s14、针对实时获取的散斑数据，基于光流法体应变矩阵定义散斑数据量化损伤。

12、进一步地，所述步骤s12，具体包括：

13、s121、通过轴向应变εy和横向应变εx，计算出岩石试样体应变为：

14、εv＝εy+2εx

15、认为岩石试样在体应变扩容点之后开始发生损伤并开始积累，考虑加载过程中泊松比的变化，认为体应变曲线在体应变再次回到零时岩石试样彻底破坏，此时对应的泊松比为0.5，即认为岩石试样的泊松比到达0.5时岩石损伤到达最大值1。由此，

16、s122、根据岩石扩容点及泊松比，定义岩石试样损伤与体应变的量化关系：

17、

18、式中，εvmax表示扩容点体应变值，εv表示当前时刻的体应变值，据此式计算得到损伤，在泊松比超过0.5后将大于1，这种情况认为岩石试样已经彻底损坏，将该值设置为1；

19、s123、针对动态获取的体应变序列εv，以及当前时刻获取的体应变值εv(t)，构建以时间t为索引终点，l为索引长度的动态时间窗口s，具体如下式：

20、

21、s124、针对动态时间窗口s，按照如下准则判断其集合局部最大值smax是否为拐点，如果g>0，则认为该局部最大值点为临时体应变拐点：

22、g＝(s(1)-smax)×(smax-s(l))

23、s125、临时体应变拐点动态存储在集合p中，如果当前集合p不为空，则根据当前时刻获取的体应变值εv(t)来对临时体应变拐点集合中的值进行失效判别，并定义临时体应变拐点失效判别集合：

24、

25、其中，n为动态插入临时体应变拐点后集合的长度

26、s126、设定失效次数容忍阈值r，合并临时体应变拐点集合p与失效判别集合t，得出最终的体应变拐点判断集合：

27、s127、假设一个疑似体应变拐点的持续时间为tm，设置拐点持续时间为tl，增加新的判断条件：

28、

29、这样，持续时间未达到tl的拐点将被剔除；

30、s128、从集合中选出体应变拐点的值：

31、v＝min(q)

32、s129、计算出拐点值之后，通过实时获取到的体应变值εv(t)和体应变拐点v计算岩石试样的实时损伤情况：

33、

34、进一步地，所述步骤s13，具体包括：

35、s131、通过无量纲曲线的切线角定义声发射数据的损伤，对45°～90°之间的切线角进行量化，将其映射到0～1之间表示损伤程度；考虑到角度越大声发射振铃数陡升情况越剧烈，采用指数类型的量化：

36、

37、s132、定义时间因子：

38、

39、式中，t表示当前时刻，tε表示体应变拐点到达的时间，ta表示预测的破坏时间；

40、s133、重新定义声发射损伤：

41、

42、s134、针对动态获取的振铃数序列，实时计算当前时刻对应的累积振铃数sumcount(t)，构建以时间t为索引重点，l为索引长度的动态时间窗口s，同时将时序累积振铃数储存至累积振铃数数列sum中，具体如下式：

43、

44、sum＝{sumcount(1),sumcount(2),sumcount(3),...,sumcount(t)}

45、s135、针对当前动态时间窗口s，以差分的方式计算当前时刻时间窗口的速度v(t)，并将时序速度v(t)储存至速度数列v中，具体如下式：

46、

47、v＝{v(1),v(2),v(3),...,v(t)}

48、s136、当应变数据计算出稳定体应变拐点之后，通过速度数列v求出拐点前“匀速变形”阶段的平均速度，并对累积振铃数数列sum进行去量纲化，具体如下式：

49、

50、

51、s137、针对得到的无量纲时序数列sum'，以及当前时刻计算得到的无量纲值sumcount'(t)，构建以时间t为索引重点，l为索引长度的动态时间窗口v'：

52、

53、s138、针对当前动态时间窗口v'，以差分的方式计算当前时刻时间窗口的斜率k(t)，并计算斜率k(t)的反正切值θ(t)，最终将θ(t)储存至角度数列θ中，具体如下式：

54、

55、θ(t)＝arctan(k(t))

56、θ＝{θ(1),θ(2),θ(3),...,θ(t)}

57、s139、针对计算得到的角度数列θ，将其量化为损伤，具体如下式：

58、

59、进一步地，所述步骤s14，具体包括：

60、s141、获取到体应变矩阵后，将一个面上的损伤视为所有点上损伤的累积，定义一个点上的损伤：

61、

62、式中，εvmax表示扩容点体应变值，εv表示当前时刻的体应变值，据此式计算得到损伤，在泊松比超过0.5后将大于1，这种情况认为岩石试样已经彻底损坏，将其值设置为1。

63、s142、定义时间因子为：

64、

65、式中，t表示当前时刻，tε表示体应变拐点到达的时间，ta表示预测的破坏时间。

66、s143、对损伤进行修正，假设一个点上，在体应变拐点之后出现了j次局部破坏，则该点的损伤d为：

67、

68、s144、针对动态获取的体应变序列εv，以及当前时刻获取的体应变值εv(t)，构建以时间t为索引终点，l为索引长度的动态时间窗口s，具体如下式：

69、

70、s145、针对于动态时间窗口s，按照如下准则判断其集合局部最大值smax是否为拐点，如果g>0，则该局部最大值点为临时体应变拐点：

71、g＝(s(1)-smax)×(smax-s(l))

72、s146、临时体应变拐点动态存储在集合p中，如果当前集合p不为空，则根据当前时刻获取的体应变值εv(t)来对临时体应变拐点集合中的值进行失效判别，并定义临时体应变拐点失效判别集合：

73、

74、其中，n为动态插入临时体应变拐点后集合的长度；

75、s147、设定失效次数容忍阈值r，实现临时体应变拐点集合p与失效判别集合t的合并，得出最终的体应变拐点判断集合：

76、

77、s148、从集合中选出体应变拐点的值v＝min(q)，并通过实时获取到的体应变值εv(t)和体应变拐点v计算岩石试样实时的损伤情况：

78、

79、对于第i个点，假设第i个点在体应变拐点之后出现了j次局部破坏，那么该点的损伤di为：

80、

81、s149、对于尺寸为m×n的体应变矩阵，第i个点上的损伤为di，一张散斑照当前的实时损伤为：

82、

83、进一步地，所述步骤s2，包括：

84、s21、定义d-s证据理论的dempater合成规则；

85、s22、针对zadeh悖论，对dempater合成规则进行修改。

86、进一步地，所述步骤s21，具体包括：

87、s211、对于θ上的两个mass函数m1，m2的dempater合成规则为：

88、

89、其中，k为归一化常数，

90、s212、对于θ上的有限个mass函数m1,m2,…,mn的dempater合成规则为：

91、

92、其中，k为归一化常数，

93、进一步地，所述步骤s22，具体包括：

94、s221、针对zadeh悖论，将dempater合成规则改写为：

95、

96、s222、基于步骤s221中改写的dempater合成规则，则有：

97、

98、其中，f(a)为证据冲突概率的分配函数。

99、进一步地，所述步骤s3中，通过反速度方法实现对破坏时间的预测，具体包括：

100、s31、从散斑到达橙色预警tdic开始，直至声发射到达橙色预警tae结束，将这段区间定义为散斑-声发射预警区间，散斑-声发射预警区间的d-s融合损伤结果构成损伤时间序列dn：

101、dn＝{d1,d2,d3,...,dn}

102、式中，n表示区间长度，di表示从tdic到tae时间段内的d-s融合损伤结果；

103、s32、根据损伤时间序列dn获得反速度序列vn：

104、

105、s33、通过最小二乘法对vn中序列数据进行一次拟合，得到拟合直线，定义直线与x轴交点为t0，得到预测破坏时间为：

106、ta＝t0+tdic。

107、进一步的，所述步骤s3中的预警结果通过蓝黄橙红四级预警方式表征。

108、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

109、本发明提供的基于多源数据融合的单轴压缩岩石失稳预测预警方法，针对在实验室内开展的单轴压缩实验，通过监测设备实时获取监测数据，根据监测数据本身特点对岩石试样损伤进行量化，引入d-s证据理论将损伤量化后的数据进行融合处理，最终对破坏时间给出预测并根据数据融合结果按照风险划分等级给出预警结果。