CN105445378B - 一种反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法包括以下步骤：步骤S1、对泥质粉砂岩劈裂演化过程中发出的声发射信号进行小波包分解，得到小波包的能谱系数集中频段F1；步骤S2、计算声发射信号主频F2；步骤S3、根据小波包的能谱系数集中频段F1和声发射信号主频F2，最终确定一个最优频段，即特征频段F，且F＝F1UF2，根据所述最优频段得到岩石破裂中不同阶段的动态特征以及岩石的跨尺度断裂过程。采用本发明的技术方案，可对泥质粉砂岩发生劈裂过程的声发射波形进行分频研究，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。

Description

一种反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法
技术领域
本发明涉及岩石劈裂检测技术领域，尤其涉及一种应用声发射特征频段反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法。
背景技术
岩石破坏的本质原因是内部微裂隙的萌生、扩展，以及裂隙间相互贯通，最后形成宏观断裂面的过程。由于岩石材料的非透明性，以及破裂属于三维问题，岩石损伤断裂的演化过程的监测十分困难。但岩石的破裂存在一个从微细观发育到宏观尺度的演化过程，选择一个准确、无干扰地、能实时反映此演化过程的最优频段(特征频段)，对于研究岩石的宏观断裂过程、排除噪声影响、摈弃其他频段干扰是十分重要的。
一般来说,岩石的抗拉强度最小,抗压强度最大。岩石抗拉强度为抗压强度的1/10～1/30,岩石抗剪强度为抗压强度的1/8～1/12。泥质粉砂岩作为一种沉积岩，广泛分布于矿山、公路边坡、隧道围岩等工程中。现场工程岩体易发生劈裂破坏，形成平行于主应力的张拉结构面。
由于泥质粉砂岩发生劈裂破坏问题的复杂性，岩石本身的不透明性，声发射监测易受噪声的干扰以及声发射数据的海量性，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：
其一，在现阶段针对泥质粉砂岩劈裂破坏时，并没有开展监测优势频段的选取研究工作。
其二，目前选用的声发射传感器属于宽频传感器，有效监测频段过宽，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。
其三，传感器的响应速度与频段成反比，宽频传感器必然会导致其响应速度的缓慢，但泥质粉砂岩发生劈裂破坏历时较短。显然，较慢的响应无法满足监测的需要。
因此，寻找一种应用声发射特征频段反映泥质粉砂岩劈裂破坏的方法是非常有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种应用声发射特征频段反映泥质粉砂岩劈裂破坏的计算方法，可对泥质粉砂岩发生劈裂过程的声发射波形进行分频研究，不仅有利于监测泥质粉砂岩发生劈裂的规律，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，为提高声发射监测的效果提供一个全新的思路。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法包括以下步骤：
步骤S1、对泥质粉砂岩劈裂演化过程中发出的声发射信号进行小波包分解，得到小波包的能谱系数集中频段F1；
步骤S2、计算声发射信号主频F2
根据声发射信号主频求解算法，对泥质粉砂岩劈裂演化过程中的每一个声发射信号进行主频的求解，同时绘制主频分布的频率-时间曲线图，从所述曲线图中寻找具体主频值的富集区，定义此区域为F2；
步骤S3、根据小波包的能谱系数集中频段F1和声发射信号主频F2，最终确定一个最优频段，即特征频段F，且F＝F1UF2，根据所述最优频段得到岩石破裂中不同阶段的动态特征以及岩石的跨尺度断裂过程。
作为优选，步骤S1具体为：
根据奈奎斯特定理，对泥质粉砂岩发生劈裂破坏时的声发射信号S(n)选择db6进行4层分解：
S(n)-sCA41(n)+sCD42(n)+sCA43(n)+……+sCA414(n)+sCD415(n) (1)
其中，SCA41为CA31层低频分量，SCD42表示CA31层高频分量，SCA43表示CD32层低频分量，SCD44表示CD32层高频分量，，SCD414表示CA35层高频分量，SCA415表示CD36层低频分量，SCD416表示CD36层高频分量；
小波包分解后，每分层的能量值或
其中，分别表示信号在分解尺度J上的低频信号分量和高频信号分量的能量值，EA 41s(n)表示信号在CA31层低频信号分量的能量值，ED 42s(n)表示信号在CA31层高频信号分量的能量值，EA 43s(n)表示信号在CD32层低频信号分量的能量值，ED 44s(n)表示信号在CD32层高频信号分量的能量值，EA 413s(n)表示信号在CA35层低频信号分量的能量值，ED 414s(n)表示信号在CA35层高频信号分量的能量值，EA 415s(n)表示信号在CD36层低频信号分量的能量值，ED 416s(n)表示信号在CD36层高频信号分量的能量值。
A41s(n)表示信号在CA31层低频信号分量的幅值，A42s(n)表示信号在CA31层高频信号分量的幅值，A43s(n)表示在CD32层低频信号分量的幅值，A44s(n)表示信号在CD32层高频信号分量的幅值，A413s(n)表示在CA35层低频信号分量的幅值，A414s(n)表示在CA35层高频信号分量的幅值，A415s(n)表示在CD36层低频信号分量的幅值，A416s(n)表示在CD36层高频信号分量的幅值；
该声发射信号的能量求解如下：
分别求解出每分层声发射子信号的能谱系数值或
其中，rA 41表示CA31层信号的低频分量能谱系数，rD 42表示CD31层信号的高频分量能谱系数，rA 43表示CD32层信号的低频分量能谱系数，rD 44表示CD32层信号的高频分量能谱系数，rA 415表示CD36层信号的低频分量能谱系数，rD 416表示CD36层信号的高频分量能谱系数；
通过公式(4)求解每分层的能谱系数，优选出响应最大的信号分量，定义为F1。
通过上述内容，本发明拟针对常见的工程岩体-泥质粉砂岩，以及广泛存在张拉破裂形态，构建了一个声发射监测特征频段的选取算法。采用小波包进行声发射波形信号的频段划分，构建监测特征频段选取的算法，分析对比各频段对泥质粉砂岩发生劈裂破坏时的响应大小，从中优选了一个频段F1。再结合主频分布，选取其中一个分布最集中的频段F2。最终可确定一个最优频段，即特征频段F，且F＝F1UF2。本发明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。
附图说明
图1为本发明的反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法的流程图；
图2为声发射信号小波包分解的示意图；
图3a为破裂声发射信号；
图3b为图3a对应信号主频及频率分布。
具体实施方式
由于泥质粉砂岩属于沉积岩，颗粒间的胶结性较差，该岩性在形成宏观断裂面时，微细观尺度下必然发生沿晶断裂，较为单一的微细观断裂模式是构建特征频段的前提保证。
如图1所示，本发明提供一种应用声发射特征频段反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法，包括以下步骤：
步骤S1、对泥质粉砂岩劈裂演化过程中发出的声发射信号进行小波包分解，得到小波包的能谱系数集中频段F1。
所述声发射信号由断裂源/声发射源产生，并通过岩体介质传播至声发射传感器，且被传感器接收，再通过放大器传播至信号采集处理系统，所述信号采集处理系统对所述声发射信号进行小波包分解，具体过程如下：
根据奈奎斯特定理，对泥质粉砂岩发生劈裂破坏时的声发射信号S(n)选择db6进行4层分解，如图2所示，
S(n)-sCA41(n)+sCD42(n)+sCA43(n)+……+sCA414(n)+sCD415(n) (1)
其中，SCA41为CA31层低频分量，SCD42表示CA31层高频分量，SCA43表示CD32层低频分量，SCD44表示CD32层高频分量，，SCD414表示CA35层高频分量，SCA415表示CD36层低频分量，SCD416表示CD36层高频分量；
小波包分解后，每分层的能量值或
其中，分别表示信号在分解尺度J上的低频信号分量和高频信号分量的能量值，EA 41s(n)表示信号在CA31层低频信号分量的能量值，ED 42s(n)表示信号在CA31层高频信号分量的能量值，EA 43s(n)表示信号在CD32层低频信号分量的能量值，ED 44s(n)表示信号在CD32层高频信号分量的能量值，EA 413s(n)表示信号在CA35层低频信号分量的能量值，ED 414s(n)表示信号在CA35层高频信号分量的能量值，EA 415s(n)表示信号在CD36层低频信号分量的能量值，ED 416s(n)表示信号在CD36层高频信号分量的能量值。
A41s(n)表示信号在CA31层低频信号分量的幅值，A42s(n)表示信号在CA31层高频信号分量的幅值，A43s(n)表示在CD32层低频信号分量的幅值，A44s(n)表示信号在CD32层高频信号分量的幅值，A413s(n)表示在CA35层低频信号分量的幅值，A414s(n)表示在CA35层高频信号分量的幅值，A415s(n)表示在CD36层低频信号分量的幅值，A416s(n)表示在CD36层高频信号分量的幅值；
该声发射信号的能量求解如下：
分别求解出每分层声发射子信号的能谱系数值或
其中，rA 41表示CA31层信号的低频分量能谱系数，rD 42表示CD31层信号的高频分量能谱系数，rA 43表示CD32层信号的低频分量能谱系数，rD 44表示CD32层信号的高频分量能谱系数，rA 415表示CD36层信号的低频分量能谱系数，rD 416表示CD36层信号的高频分量能谱系数。
通过对泥质粉砂岩劈裂演化过程中声发射信号进行(2)式的小波包分解，通过(4)式求解每分层的能谱系数，从中优选出响应最大的信号分量，定义为F1。
步骤S2、计算声发射信号主频F2
如图3a所示为一次岩石破裂产生的典型声发射波形信号。声发射信号主频是指对声发射信号进行傅立叶变换(FFT)后，整个信号幅值最高的频率点，主频所在频段为声发射信号能量较集中的区域，如图3b所示。
根据上述声发射信号主频求解算法(即，对信号进行FFT分解，得到分解后响应幅值最大所在的频率点，该频率点就称为主频)，对泥质粉砂岩劈裂演化过程中的每一个声发射信号进行主频的求解，同时绘制主频分布的频率-时间曲线图，从中寻找具体主频值的富集区，定义此区域为F2。
步骤S3、根据小波包的能谱系数集中频段F1和声发射信号主频F2，最终确定一个最优频段，即特征频段F，且F＝F1UF2。根据所述最优频段，得到岩石破裂中不同阶段的动态特征以及岩石的跨尺度断裂过程。
其中，特征频段定义如下：同种岩性、同种断裂模式的不同试件产生的声发射存在相同本源，发生破裂时存在相同的频带分布，找到该频带有助于掌握该种断裂模式的全演化周期，可进一步表征岩石破裂中不同阶段的动态特征，分析岩石的跨尺度断裂过程，定义该频带为声发射特征频段。
采用本发明的技术方案，可对泥质粉砂岩发生劈裂过程的声发射波形进行分频研究，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
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、对泥质粉砂岩劈裂演化过程中发出的声发射信号进行小波包分解，得到小波包的能谱系数集中频段F1；
步骤S2、计算声发射信号主频F2
根据声发射信号主频求解算法，对泥质粉砂岩劈裂演化过程中的每一个声发射信号进行主频的求解，同时绘制主频分布的频率-时间曲线图，从所述曲线图中寻找具体主频值的富集区，定义此区域为F2；
步骤S3、根据小波包的能谱系数集中频段F1和声发射信号主频F2，最终确定一个最优频段，即特征频段F，且F＝F1∪F2，根据所述最优频段得到岩石破裂中不同阶段的动态特征以及岩石的跨尺度断裂过程。
2.如权利要求1所述的反映泥质粉砂岩劈裂破坏全过程的计算方法，其特征在于，步骤S1具体为：
根据奈奎斯特定理，对泥质粉砂岩发生劈裂破坏时的声发射信号S(n)选择db6进行4层分解，
s(n)＝SCA41(n)+SCD42(n)+SCA43(n)+SCD44(n)+……+SCA415(n)+SCD416(n) (1)
其中，SCA41为CA31层低频分量，SCD42表示CA31层高频分量，SCA43表示CD32层低频分量，SCD44表示CD32层高频分量，SCA415表示CD38层低频分量，SCD416表示CD38层高频分量；
小波包分解后，每分层的能量值或
其中，EA 41s(n)表示信号在CA31层低频信号分量的能量值，ED 42s(n)表示信号在CA31层高频信号分量的能量值，EA 43s(n)表示信号在CD32层低频信号分量的能量值，ED 44s(n)表示信号在CD32层高频信号分量的能量值，EA 415s(n)表示信号在CD38层低频信号分量的能量值，ED 416s(n)表示信号在CD38层高频信号分量的能量值；
A41s(n)表示信号在CA31层低频信号分量的幅值，A42s(n)表示信号在CA31层高频信号分量的幅值，A43s(n)表示在CD32层低频信号分量的幅值，A44s(n)表示信号在CD32层高频信号分量的幅值，A415s(n)表示在CD38层低频信号分量的幅值，A416s(n)表示在CD38层高频信号分量的幅值；
该声发射信号的能量求解如下：
分别求解出每分层声发射子信号的能谱系数值或
其中，rA 41表示CA31层信号的低频分量能谱系数，rD 42表示CD31层信号的高频分量能谱系数，rA 43表示CD32层信号的低频分量能谱系数，rD 44表示CD32层信号的高频分量能谱系数，rA 415表示CD38层信号的低频分量能谱系数，rD 416表示CD38层信号的高频分量能谱系数；
通过公式(4)求解每分层的能谱系数，优选出响应最大的信号分量，定义为F1。
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