CN106404918B - 基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，包括如下步骤：步骤(1)，根据受载煤岩体全应力应变曲线计算变形能Uε；步骤(2)，遍历变形能Uε曲线，每隔一定时间T对比前后Uε数值，T为试验采样间隔时间；步骤(3)，当对比的Uε值出现下降时，记录为一次声发射事件，并记录声发射信息。本发明的优点在于：所提计算方法，物理意义明确、可操作性强，方法中涉及的计算参数及判别步骤均适于编程实现；该方法不仅可以有效获取单轴试验中破坏峰后阶段及真三轴试验中全阶段的声发射参数，还可以进一步揭示声发射现象产生的力学本质，也为不具备声发射试验条件的学校科研单位提供一种声发射分析的途径。
Description
技术领域
本发明属于声发射监测领域，是一种基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法。
背景技术
声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，在监测受载煤岩地质材料内部损伤、裂隙萌生、扩展及贯通演化、能量释放等方面得到了广泛应用。大量研究表明，煤岩微破裂的研究尺度可缩小至实验室试样尺度下的声发射现象，或扩大至矿山、地壳尺度下的微震、滑坡、地震现象等，即微破裂现象是冲击矿压、岩爆、煤与瓦斯突出、突水、坍塌、滑坡等煤岩动力灾害的一个共性特征。因此，实验室声发射是矿震或地震的一个小尺度现象，再加上声发射实验具备操作容易、周期短、数据信息容易获取、可重复性强等特点，实验室研究受载煤岩体的声发射特征成为了研究煤岩宏观破裂、冲击矿压、岩爆、滑坡、地震等前兆的必然途径。
然而，大量声发射监测试验中发现，在单轴试验中，煤岩样的破坏使得置于试样表面的声发射探头脱落，从而导致破坏峰后阶段的声发射参数无法获取；在真三轴试验中，煤岩材料被加载压头全封闭包络，从而使得声发射探头安装困难而无法使用。由于受载煤岩体单轴试验中破坏的峰后阶段及真三轴试验中全阶段更符合现场实际煤岩体的受力状态，该阶段对应的声发射演化特征对现场实际工作更具指导意义，因此研究人员一直不遗余力地研制各种装置来获取单轴试验中破坏峰后阶段及真三轴试验中全阶段的声发射参数，包括研制内置声发射探头的加载压头、声发射探头固定装置及夹具等。本发明也正是在这种技术背景下提出的一种基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量理论计算方法，不仅可以进一步揭示声发射现象产生的力学本质，也可为不具备声发射试验条件的学校及科研单位提供一种声发射分析的途径。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，是一种物理意义明确、可操作性强的理论分析方法，不仅可以进一步揭示声发射现象产生的力学本质，也可为不具备声发射试验条件的学校及科研单位提供一种声发射分析的途径。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，其包括如下步骤：
步骤(1)，根据受载煤岩体全应力应变曲线计算变形能Uε；
步骤(2)，遍历变形能Uε曲线，每隔一定时间T对比前后Uε数值，T为试验采样间隔时间；
步骤(3)，当对比的Uε值出现下降时，记录为一次声发射事件，并记录声发射信息。
进一步，所述变形能Uε的计算公式如公式(1-1)所示：
其中，ε1、ε2、ε3为真三轴各方向的应变，σ1、σ2、σ3为真三轴各方向的应力。
进一步，在单轴试验中计算变形能Uε时，ε2、ε3、σ2、σ3均为0。
进一步，所述的基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，其特征在于：所述声发射事件包含的声发射信息有：下降的变形能Uε的数值为声发射事件的能量E，变形能Uε出现下降的时刻为此次声发射事件发生的时间t。
进一步，对所述声发射能量的计算采用公式(1-2)进行检验：
lgN(≥lgE)＝a-blgE (1-2)
其中，E为声发射能量；N(≥lgE)为大于等于该能量的声发射事件数量；a，b为常数，当公式(1-2)成立时，所得声发射事件的能量E正确。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，物理意义明确、可操作性强，方法中涉及的计算参数及判别步骤均适于编程实现；该方法不仅可以有效获取单轴试验中破坏峰后阶段及真三轴试验中全阶段的声发射参数，还可以进一步揭示声发射现象产生的力学本质，也为不具备声发射试验条件的学校科研单位提供一种声发射分析的途径。
附图说明
图1为受载煤岩体全应力应变曲线与矿井采掘空间围岩应力状态的对应关系；
图2为实施例一的典型低均质煤岩材料的应力应变、变形能、声发射能量计算曲线；
图3为实施例一的典型低均质煤岩材料的声发射能量计算的G-R幂率验证；
图4为实施例二的典型高均质煤岩材料的应力应变、变形能、声发射能量计算曲线；
图5为实施例二的典型高均质煤岩材料的声发射能量计算的G-R幂率验证。
具体实施方式
基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)，根据受载煤岩体全应力应变曲线计算变形能Uε；
步骤(2)，遍历变形能Uε曲线，每隔一定时间T对比前后Uε数值，T为试验采样间隔时间；
步骤(3)，当对比的Uε值出现下降时，记录为一次声发射事件，并记录声发射信息。
前述变形能Uε的计算公式如公式(1-1)所示：
其中，ε1、ε2、ε3为真三轴各方向的应变，σ1、σ2、σ3为真三轴各方向的应力。
前述的基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，在单轴试验中计算变形能Uε时，ε2、ε3、σ2、σ3均为0。
前述的基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，所述试验采样间隔时间T为20ms。
前述声发射事件包含的声发射信息有：下降的变形能Uε的数值为声发射事件的能量E，变形能Uε出现下降的时刻为此次声发射事件发生的时间t。
前述的基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，其特征在于：对所述声发射能量的计算采用公式(1-2)进行检验：
lgN(≥lgE)＝a-blgE (1-2)
其中，E为声发射能量；N(≥lgE)为大于等于该能量的声发射事件数量；a，b为常数，当公式(1-2)成立时，所得声发射事件的能量E正确。
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，煤岩体受载变形过程中，主要经历5个变形区：原生裂隙闭合(0A阶段)、弹性变形(AB阶段)、塑性变形(BC阶段)、应变软化(CD阶段)及残余强度(DE阶段)。上述变形区分别对应矿井尺度下的弹性区(AB阶段)、塑性区(BC阶段)、裂隙区(CD阶段)、松散区(DE阶段)。由图1可知，每个阶段(全应力-应变曲线上每个数据点)唯一对应着一种应力平衡状态，而地下煤岩体的开挖正是对这种应力平衡状态的打破，使得其从一个平衡状态向另一个平衡状态的突变，并伴随着能量的积聚或释放，当能量释放时将以应力波的形式产生微震或声发射现象，如采掘空间围岩由弹性状态过渡到塑性状态、塑性状态过渡到裂隙状态、裂隙状态过渡到松散状态时，该过渡阶段的围岩处于能量释放状态，将产生微震或声发射现象，而对于弹性区的围岩处于能量积聚状态，一般不产生微震或声发射现象。这在受载煤岩体声发射实验中也得到了很好证实，即声发射事件主要发生在BD阶段，而AB弹性阶段几乎不发生。
关于基于受载煤岩体全应力-应变曲线的声发射能量计算的说明。
根据受载煤岩体全应力-应变曲线计算变形能：
其中，ε1、ε2、ε3为真三轴各方向的应变，σ1、σ2、σ3为真三轴各方向的应力，在单轴试验中，ε2、ε3、σ2、σ3均为0。
每隔一定采样间隔计算Uε，当Uε值出现下降时，便将其记录为一次声发射事件，其中，下降的变形能数值为声发射事件的能量，下降时刻为此次声发射事件发生的时间。
关于声发射能量计算的G-R幂率验证的说明。
G-R幂率方程如下：
lgN(≥lgE)＝a-blgE (1-2)
式中，E为声发射能量；N(≥lgE)为大于等于该能量的声发射事件数量；a，b为常数。当计算的声发射能量满足统计关系式(1-2)时，即可证实本发明的合理性和正确性。
采样频率50Hz，对应的试验采样间隔时间T为20ms。如图2-3所示，为第一实施例，常数a＝6.45，b＝2.97，R2＝0.97。如图4-5所示，为第二实施例，常数a＝3.54，b＝0.83,R2＝0.96。按照本发明思想实施本发明：
(1)根据受载煤岩体的全应力-应变曲线，如图2、4所示的应力曲线，按公式(1-1)计算得出变形能Uε曲线，如图2、4所示的变形能曲线；
(2)遍历变形能Uε曲线，当Uε值出现下降时，便将其记录为一次声发射事件；其中，下降的变形能数值为声发射事件的能量，下降时刻为此次声发射事件发生的时间，如图2、4所示的能量释放曲线；
(3)将计算获得的能量释放值进行累加获得如图2、4所示的累积能量释放曲线；
(4)将能量释放离散点数据作为原始统计数据，按公式(1-2)统计获得如图3、5所示的G-R幂率统计关系曲线。
如图5所示，式lgN＝3.54-0.83lgE指图中的直线，直线由黑色实心离散点拟合获得数学中的直线拟合，R指拟合直线与离散点的相关程度。R值越大，直线lgN＝3.54-0.83lgE与黑色实心离散点表征的线性特征越逼近，R值最大值为1，当为1时，两者完全一致。本发明得到的声发射能量分布符合地震统计学中的G-R幂率统计规律，不同均质程度下的声发射参数特征：G-R幂率中的a、b值系数、能量释放、累积能量释放等及分布模式如群震型、前震-主震-余震型和主震型均与Li Gen等(2015)、唐春安等(1997，2010)给出的RFPA模拟结果，孙超群等(2014)给出的SPH模拟结果以及Mogi(1962)的实验结果基本一致。因此，本发明给出的基于受载煤岩体全应力-应变曲线的声发射能量计算方法正确合理，不仅可以有效获取单轴试验中破坏峰后阶段及真三轴试验中全阶段的声发射参数，还可以为不具备声发射试验条件的学校及科研单位提供一种声发射分析的途径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，其特征在于：
包括如下步骤：
步骤(1)，根据受载煤岩体全应力应变曲线计算变形能Uε；
所述变形能Uε的计算公式如公式(1-1)所示：
其中，ε1、ε2、ε3为真三轴各方向的应变，σ1、σ2、σ3为真三轴各方向的应力；
步骤(2)，遍历变形能Uε曲线，每隔一定时间T对比前后Uε数值，T为试验采样间隔时间；
步骤(3)，当对比的Uε值出现下降时，记录为一次声发射事件，并记录声发射信息；
所述声发射事件包含的声发射信息有：下降的变形能Uε的数值为声发射事件的能量E，变形能Uε出现下降的时刻为此次声发射事件发生的时间t。
2.根据权利要求1所述的基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，其特征在于：在单轴试验中计算变形能Uε时，ε2、ε3、σ2、σ3均为0。
3.根据权利要求1所述的基于受载煤岩体全应力应变曲线的声发射能量计算方法，其特征在于：所述试验采样间隔时间T为20ms。
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