CN111812211A - 一种基于声发射参数的ra–af–e岩石类材料脆性破坏裂纹分类方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破坏裂纹分类方法。包括，步骤一：将声发射定位点的能量参数作为裂纹的强度特征，计算出每个破裂点位置的强度值E及对用的RA值及AF值；步骤二：将每个点表示在以RA–AF–E为坐标轴的三围空间内；步骤三：根据不同破裂类型自身的能量特点及对应的声发射数据特征，用空间平面对破裂点类型进行分类；步骤四：将划分好的区域投影到RA–AF平面内，建立更加精确的裂纹类型分类方法。本发明方法简单易行，克服了原有方法破裂划分不明确、破裂种类划分不完整且影响因素较多等缺点，便于实际运用，且具有较高的划分精度。此外，该破裂分类方法应用领域较广，对于揭示脆性材料的受力破裂机理有重要意义。

Description

一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破坏裂纹分 类方法

技术领域

本发明属于深部矿山工程岩体力学和岩土工程研究领域，具体涉及一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破裂裂纹分类方法。

背景技术

脆性岩石类材料微破裂可分为张拉裂纹和剪切裂纹以及拉剪复合裂纹。然而，不管是何种破裂类型，在其形成过程中都会伴随着岩石内储存的部分能量以弹性应力波的形式释放出来，这种现象称之为岩石的声发射(acoustic emission，简称AE)。已有研究表明，不同的破裂行为对应不同特征的声发射。因此，可通过声发射信号，分析岩石破坏过程的破裂拉剪特性，研究岩石内部拉应力和剪应力引起的裂纹扩展演化过程和规律，进一步揭示岩石破坏的内在拉剪机制。另外，不同形式的岩石破坏对应不同的拉剪破裂演化过程和特征，这为从岩石内在拉剪破裂机制的角度出发，对地下岩体开挖后出现的各种工程地质灾害的预测提供了可能。因此，本发明内容具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

目前在基于声发射岩石破裂类型的判别方法有：P波初动理论判别法、矩张量分析法、声发射参数判别法。P波初动理论判别法，通过单个事件初动极性(各传感器接收到的P波初动振幅极性的平均值)的大小来判别，其优点是判别类型多，但基于地震学中纯双力偶的假设，不适用于实验室的声发射信号。矩张量分析法，根据Ohtsu提出的优势分类准则进行判断，判别准确，判别类型多(张拉型、剪切型、拉剪复合型)，但其分析方法繁琐，对声发射传感器的数量要求较为苛刻，不利于实际的应用。声发射参数判别法，是通过声发射平均频率(AF)与声发射信号上升时间/最大幅度(RA)的比值大小进行判别张拉与剪切裂纹类型，该方法简单容易实现，但比值k(AF与RA的比值)不确定，容易受主观因素的影响。

上述主要岩石类材料破裂类型判定方法中，由于声发射参数判别法根据比值k(AF与RA值的比值)来判断破裂类型(张拉破裂或剪切破裂)，方法原理简单，参数易于获取，使得它在众多破裂类型判别方法脱颖而出，成为最常见的判别方法。声发射参数判别法，虽然能够定性的判别岩石的破裂类型，但已有研究表明比值k选取不明确，且影响因素(传感器距离、传感器类型等)较多。当选择的k不同时，张拉型和剪切型声发射信号的占比明显不同；对选择同一个k，当传感器的布置位置不同时，张拉型和剪切型声发射信号的占比也明显不同；不同的试验、传感器布置等等因素都会对k值的选取造成影响，且判别破裂的类型只有剪切与拉伸破坏两种。综上所述，目前声发射参数判别法没有明确的k值划分方法且识别的破裂类型不全面。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破裂裂纹分类方法，以解决上述问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破裂裂纹分类方法，包括以下步骤：

步骤一：将声发射监测到的破裂点的能量参数作为裂纹的强度特征，根据声发射监测数据计算出每个破裂点事件的能量强度值E及对应的RA值及AF值。

声发射信号由材料内部微破裂产生，将能量参数作为裂纹的强度特征。在裂纹事件中，将每个破裂点事件的AE信号能量E_s表示为：

式中E_i为第i个声发射传感器接收到的声发射能量(mv*us)；r_i为声发射震源距第i个传感器的距离(mm)；m为参与事件定位的传感器数量。

参考里氏地震计算方法，降低事件能量大小的尺度，取破裂事件的能量强度E为:

E＝lgE_s (2)

声发射特征参数AF、RA值通过下式计算：

平均频率(AF)＝振铃计数(Count)/持续时间(Duration) (3)

RA值＝上升时间(Rise time)/最大幅度(Maximum amplitude) (4)

步骤二：以RA值为x轴，AF为y轴，E为z轴，将每个点表示在以RA–AF–E为坐标轴的三维空间内。

材料不同破裂类型在三维空间中有明显不同的分布特点，其中剪切裂纹有明显的高强度E、高RA、低AF特征；拉伸裂纹有低强度E、低RA、高AF特征；拉剪复合裂纹则属于剪切裂纹与拉伸裂纹参数之间的过渡区，即存在如下规律：E_剪切>E_复合>E_拉伸，RA_剪切>RA_复合>RA_拉伸，AF_剪切<AF_复合<AF_拉伸。

步骤三：根据不同破裂类型自身的能量特点及对应的声发射数据特征(E_剪切>E_复合>E_拉伸，RA_剪切>RA_复合>RA_拉伸，AF_剪切<AF_复合<AF_拉伸)，采用MATLAB做空间平面对破裂点类型(剪切、拉伸、拉剪复合破坏)进行分类。

声发射监测破裂点参数值在RA–AF–E坐标内的分布近似于一个空间曲面。拉剪复合破坏区能量分布近似于线性，介于剪切与拉伸耗能之间，采用MATLAB沿拉剪复合破坏区域做平面，使该区域尽量多的点位于平面内，在平面内及沿平面分布的点为拉剪复合破坏点，与平面相离的上部破裂点为剪切裂纹区，与平面相离的下部分点为拉伸裂纹区。

步骤四：将划分好的裂纹分类区域投影到RA–AF平面内，建立更加直观的裂纹类型分类方法。所做的辅助平面与空间点的分布曲面有两条相离的直线，将这两条直线投影到RA–AF平面内即为破裂点划分线。两条相离直线的投影将RA–AF平面划分为三个区域，两条直线其斜率分别为k₁、k₂。其中，k₁大于k₂，当AF/RA≥k₁时，破裂点为拉伸裂纹点，当k₁>AF/RA≥k₂时，破裂点为拉剪复合裂纹点，k₂>AF/RA时，破裂点为剪切裂纹点。对于类岩体石膏材料直剪实验k₁＝36.6，k₂＝21.1；类岩体石膏材料三点弯折试验k₁＝115，k₂＝55。因此，可根据破裂点在RA–AF–E的三维空间分布情况对破裂类型进行划分。

本发明在原有破裂分类的基础上，根据破裂类型的强度特征，引入裂纹破坏能量强度值，将原有的二维RA–AF声发射参数裂纹分类扩展为三维，综合不同裂纹破坏能量(E)特征及声发射数据特征(AF、RA值)对破裂类型进行更加精确分类。

具体来说，本发明具有如下技术特点和优点：

(1)与原有的RA–AF声发射参数裂纹分类方法相比，本发明考虑破裂能量强度的声发射参数的裂纹分类方法，克服了传感器布置、类型等主观因素对破裂类型划分时对k(AF与RA比值)的影响。

(2)RA–AF–E岩石类材料脆性破裂裂纹分类方法简单，对传感器数量要求低。

(3)本发明提出的方法克服了原有声发射参数法对裂纹划分不全面的缺点，可对裂纹的所有类型进行分类，包括：拉伸裂纹、剪切裂纹及拉剪复合裂纹。

(4)本发明相对于矩张量及P波初动理论分类方法而言，应用简单、方便。

(5)RA–AF–E岩石类材料脆性破裂裂纹分类方法，可为岩石类材料受力破坏过程中内部拉剪破坏机制分析，及工程中各种工程地质灾害的预测(微震监测)提供方法基础。因此，本发明内容具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

附图说明

图1为类岩体材料拉伸破坏断面形态。

图2为类岩体材料拉剪复合破坏断面形态。

图3为类岩石材料剪切破坏断面形态。

图4为类岩石脆性材料直剪试验及声发射探头布置。

图5为直剪试验声发射破裂点特征参数空间分布。

图6为直剪试验破裂点破裂模式类型划分。

图7为直剪试验二维平面投影划分结果。

图8为类岩石脆性材料三点弯折试验及声发射探头布置。

图9为三点弯折试验声发射破裂点特征参数空间分布。

图10为三点弯折试验破裂点破裂模式类型划分。

图11为三点弯折试验二维平面投影划分结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。为对更具体的表达裂纹模式，实施例中的岩石类材料采用破裂分类明显、晶体较大的石膏材料代替，试验中的破坏面的破裂模式如图1至图3所示。

实施例1

采用一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破裂裂纹分类方法对岩石类材料直剪试验破坏过程中的裂纹类型进行分类，具体实施步骤：

步骤1：如图4所示，对类岩体试件进行直剪试验(150mm×150mm×150mm)，获取类岩体试件剪切破坏过程的声发射数据。声发射探头随机布置，其中声发射门槛值为45dB，采样频率为1MHz，前置放大器增益设为40dB，力学加载过程中声发射监测系统始终实时同步，获取全过程的声发射参数，计算得到RA、AF、E。

步骤2：以RA值为x轴，AF为y轴，E为z轴，将每个点表示在以RA–AF–E为坐标轴的三围空间内。如图5所示。

步骤3：根据直剪试验不同破裂类型自身的能量特点及对应的声发射数据特征，采用MATLAB沿拉剪破坏集中区域做平面，使该区域尽量多的点位于平面内，用空间平面对破裂点类型(剪切、拉伸、拉剪复合破坏)进行分类。如图6所示。

步骤4：将两条相离直线投影到RA–AF平面中，斜率分别为：k₁＝36.6，k₂＝21.1，将该区域划分为三个部分。每一部分分别对应不同的裂纹类型分类。如图7所示。

由图4的统计对比可以看出，在直剪实验中，拉伸裂纹占比32.7％，剪切裂纹占比56.3％，拉剪复裂纹坏占比11％。与客观直剪试验结果相吻合。

实施例2

采用一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破裂裂纹分类方法对岩石类材料三点弯折试验试件破坏过程中的裂纹类型进行分类，具体实施步骤：

步骤1：如图8，对类岩体石膏试件进行弯折试验(150mm×150mm×150mm)获取类岩体试件弯拉破坏过程的声发射数据。声发射探头随机布置，其中声发射门槛值为45dB，采样频率为1MHz，前置放大器增益设为40dB，力学加载过程中声发射监测系统始终实时同步，获取全过程的声发射参数，计算得到RA、AF、E。

步骤2：以RA值为x轴，AF为y轴，E为z轴，将每个点表示在以RA–AF–E为坐标轴的三围空间内。如图9所示。

步骤3：根据三点弯折试验不同破裂类型自身的能量特点及对应的声发射数据特征，采用MATLAB沿拉剪破坏集中区域做平面，使该区域尽量多的点位于平面内，用空间平面对裂纹类型(剪切、拉伸、拉剪复合裂纹)进行分类。如图10所示。

步骤4：将两条相离直线投影到RA–AF平面中，斜率分别为：k₁＝115，k₂＝55，将该区域划分为三个部分。每一部分分别对应不同的裂纹类型分类。如图11所示。

由图8的统计对比可以看出，在三点弯折实验中，拉伸裂纹占比78.8％，剪切裂纹占比7.7％，拉剪复合裂纹占比13.5％。实验中破裂分类结果均符合客观实际。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语，本发明所述技术方案，仅为本发明典型的实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明的变化和替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于声发射参数的RA–AF–E岩石类材料脆性破坏裂纹分类方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将声发射监测到的破裂点的能量参数作为裂纹的强度特征，根据声发射数据计算出每个破裂点事件的能量强度值E及对应的RA值及AF值；

步骤2，以RA值为x轴，AF为y轴，E为z轴，将每个点表示在以RA–AF–E为坐标轴的三围空间内；

步骤3，根据不同破裂类型自身的能量特点及对应的声发射数据特征，用空间平面对破裂点类型进行划分，得到相应的裂纹分类区域，包括剪切裂纹区域、拉伸裂纹区域、拉剪复合裂纹区域；

步骤4，将划分好的裂纹分类区域投影到RA–AF平面内，得到更加直观的裂纹类型。

2.根据权利要求1所述的一种基于声发射参数的RA–AF–E材料脆性破裂类型分类方法，其特征在于：在步骤1中，每个破裂点事件的AE信号能量E_s表示为：

式中E_i为第i个声发射传感器接收到的声发射能量；r_i为声发射震源距第i个传感器的距离；m为参与事件定位的传感器数量；

参考里氏地震计算方法，降低事件能量大小的尺度，取破裂事件的能量强度值E为:

E＝lgE_s (2)

声发射特征参数AF、RA值通过下式计算：

平均频率(AF)＝振铃计数(Count)/持续时间(Duration) (3)

RA值＝上升时间(Rise time)/最大幅度(Maximum amplitude) (4)。

3.根据权利要求1所述的一种基于声发射参数的RA–AF–E材料脆性破裂类型分类方法，其特征在于：将声发射数据点表示在RA–AF–E确定的三围平面内，不同破裂类型在三维空间中有明显不同的分布特点，即E_剪切>E_复合>E_拉伸，RA_剪切>RA_复合>RA_拉伸，AF_剪切<AF_复合<AF_拉伸，根据上述特点将空间内的点划分为三个区域，即剪切裂纹区域、拉伸裂纹区域、拉剪复合裂纹区域。

4.根据权利要求3所述的一种基于声发射参数的RA–AF–E材料脆性破裂类型分类方法，其特征在于：步骤3中，拉剪复合裂纹属于过渡区，沿拉剪复合裂纹区域做辅助平面，使该区域尽量多的点位于平面内，在平面内及沿平面分布的点为拉剪复合裂纹点，与平面相离的上部破裂点为剪切裂纹区，与平面相离的下部分点为拉伸裂纹区。

5.根据权利要求4所述的一种基于声发射参数的RA–AF–E材料脆性破裂类型分类方法，其特征在于：步骤4中，辅助平面与空间点的分布曲面有两条相离的直线，将这两条相离直线投影到RA–AF平面内即为破裂点划分线，即两条相离直线的投影将RA–AF平面划分为三个区域，两条直线其斜率分别为k₁、k₂；其中，k₁大于k₂，当AF/RA≥k₁时，破裂点为拉伸裂纹点，当k₁>AF/RA≥k₂时，破裂点为拉剪复合裂纹点，k₂>AF/RA时，破裂点为剪切裂纹点。

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