CN111879858A - 一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，包括标准岩石试件的制备，声发射震源定位，声发射震源类型辨识，不同类型震源对应的声发射主频的计算与岩石破坏预测方法。本发明解决了目前基于声发射主频特征的岩石破坏预测方法，存在声发射主频带宽，声发射主频特征不显著的缺陷。该方法适用于单轴与三轴压缩条件下、巴西劈裂试验、剪切试验，以及蠕变试验岩石破坏的预测。

Description

一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法

技术领域

本发明属于岩石破坏预测技术领域，具体涉及一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法。

背景技术

目前，我国各类矿井深度超过700m的井筒已占1/3以上，深部矿产资源开发利用已进入实施阶段，多个金属矿山的开拓已超过千米，新一批超千米大型矿山正在规划和建设中。深部开采已成为矿山企业的新常态、采矿科技的新挑战与采矿业的新发展。因此，在深井开采过程中，对由岩石(体)破坏所诱发的工程地质灾害进行预测，具有重要有工程价值与现实意义。

岩石发生变形和破坏时，快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为岩石声发射。在岩石破坏过程中所产生的诸多信号里，声发射信号与微裂纹演化活动的机制接近。声发射技术业已成为预测岩石破坏的重要手段。目前，采用声发射技术对岩石破坏进行预测的方法总体分类两类。

第一类，以建立声发射参数时间序列，如声发射事件率、声发射率、声发射振铃计数、声发射b值、声发射分形维数与岩石应力、应变的关系为基础，通过分析岩石临近破坏时的声发射参数的增大或减小来预测岩石的破坏。但该方法总体处于定性分析阶段，从而导致不同的分析人员，所得到结果可能不尽相同。其次，以声发射b值、声发射分形维为代表的、相关计算结果存在一定的人为因素的影响。例如，声发射b值的计算不仅与选择的样本容量有关，而且与选择的声发射振幅的步距大小有关。

第二类，以小波分析方法、傅里叶变换等为主要分析手段，通过研究岩石临近破坏时，声发射波形对应的主频或主频带来预测岩石的破坏。该方法在一定程度上克服了第一类方法的不足，属定量分析的范畴。然而，岩石在不同受力条件与物理状态下，其破坏可能主要是由剪切型裂纹引起，也可能由张拉裂纹型引起，或者在剪切-张拉型裂纹共同作用下引起。因此，在没有建立该声发射波形所对应的主频或主频带与声发射震源，即拉张型微裂纹、剪切型微裂纹与混合型微裂纹的对应关系的前提下，直接计算声发射主频或主频带将导致声发射主频来源对应的声发射震源模糊，声发射主频带宽，声发射主频特征不显著。因此，在一定程度上，限制了该方法的使用。

现有技术之一，通过定性分析岩石临近破坏时，对应的声发射事件率、声发射率、声发射振铃计数、声发射b值、声发射分形维数等变化特点，实现对岩石破坏的预测。技术方案如下：

以单轴压缩条件下岩石声发射试验为例：

图1为红砂岩在单轴压缩条件下应力-应变曲线与声发射事件率曲线。从图中可以看出：岩石单轴抗压强度约为75MPa，即岩石能承受的最大压应力为75MPa。若对岩石继续加载，岩石将发生宏观破坏。因此，岩石临近破坏时的对应的应力略小于75MPa。

由岩石破坏过程中的声发射事件率曲线可知：声发射事件率存在两个剧增区。第Ⅰ个剧增区对应的轴向应变为0～0.5％，相应的轴向应力为0～10MPa。第Ⅱ剧增区对应的轴向应变为1.5％～1.7％，相应的轴向应力为61.5～75.0MPa。

根据现有技术方案，在岩石应力-应变曲线已知的条件下，可将声发射事件率第Ⅱ剧增区作为预测岩石破坏的方法，即声发射事件率突然增大作为预测岩石破坏的方法。类似的，也可由声发射振铃计数、声发射b值等的增大或减小预测岩石破坏。

由于在现场应用过程中，岩石的应力-应变曲线难于获取。因此，仅根据声发射事件率的突然增大来预测岩石的破坏，其精确性难以保证。例如，不同观测人员可能将声发射事件率第Ⅰ剧增区作为预测岩石破坏的方法。但实际上第Ⅰ剧增区对于的轴向应力为0～10MPa，其数值远小于岩石单轴抗压强度75.0MPa。

该方法总体处于定性分析阶段，不同的分析人员所得到结果可能不尽相同。其次，以声发射b值、声发射分形维为代表的、相关计算结果存在一定的人为因素的影响。

现有技术之二，通过定量分析岩石临近破坏时，声发射主频或主频带特征实现对岩石破坏的预测。技术方案如下：

声发射主频计算，可通过提取声发射波形文件，在此基础上采用小波分析方法、小波包分析方法、傅里叶变换等计算得到。以单轴压缩条件下岩石声发射试验为例：

图2为红砂岩在单轴压缩条件下应力-应变曲线与声发射主频曲线。其中，声发射主频采用小波包分析方法计算得到。从图中可以看出：岩石单轴抗压强度约为80MPa，即岩石能承受的最大压应力为80MPa。若对岩石继续加载，岩石将发生宏观破坏。因此，岩石临近破坏时的对应的应力位于73.4MPa～80MPa。

为便于分析取主频带的平均值，作为声发射的主频值。由岩石破坏过程中的声发射主频曲线可知：岩石破坏过程中，声发射主频或主频带位于0～375kHZ，分别为0～62.5kHZ、62.5～125kHZ、125～187.5kHZ、187.5～250kHZ、250～312.5kHZ、312.5～375kHZ。而后岩石临近破坏区，主频带为312.5～375kHZ缺失。

根据现有技术方案，可将主频或主频带位于0～3312.5kHZ作为预测岩石破坏的方法。

该技术没有建立该声发射波形所对应的主频与声发射震源，即拉张型微裂纹、剪切型微裂纹与混合型微裂纹的对应关系的前提下，直接计算声发射主频将导致声发射主频来源对应的声发射震源模糊，声发射主频带宽，声发射主频或主频带特征不显著。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，主要解决以下两个问题：

(1)基于声发射事件率、声发射率、声发射振铃计数、声发射b值、声发射分形维数等变化特征的岩石破坏预测方法，属定性判断的局限性。

(2)基于声发射主频或主频带特征的岩石破坏预测方法，存在声发射主频带宽，声发射主频特征不显著的缺陷。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，包括以下步骤：

S1 标准岩石试件的制备

S2 声发射震源定位

标准岩石试件上布置6个发射传感器，声发射传感器采用对称布置；

采用RSM-RCT(B)声波仪对岩石纵波波速进行测试，测试次数不少于5次，并取平均值作为震源定位的计算参数；

根据试验目的不同，声发射震源定位试验加载方式选择位移控制或应力控制；其中，位移控制时试验机以一定的位移速率对岩石加载；力控制时试验机以一定的应力速率对岩石进行加载；

不同的岩石在不同测试环境下声发射参数不尽相同；

对岩石进行加载直至岩石破坏，在此过程中同时进行声发射监测；声发射震源坐标可通过最小二乘法、单纯形算法计算得到；同时，也可由声发射仪直接得到；

通过提取各震源坐标，得到岩石破坏过程中时空演化特征，得到岩石破坏过程中震源时空演化曲线；

S3声发射震源类型辨识

声发射震源类型辨识包括：(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取；(2)矩张量求解两部分；

采用矩张量分析方法对声发射震源类型辨识；

S4不同类型声发射震源主频或主频带的计算

(1)主频或主频带计算方法

声发射震源主频或主频带可采用小波分析方法、小波包分析方法、傅里叶变换等计算得到；

(2)选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，作为计算不同类型震源主频或主频带的对象

对同一个震源，选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，用于不同类型震源主频或主频带的计算；

在试验前需设置一阈值，该阈值用电压值表示；当外界信号引起的电压值大于设定的阈值时，声发射仪才会记录相应的信息，并将此时间作为声发射仪记录时间，并且该记录时间不是声发射信号真实到达相应传感器的时间，两者之间的差值Δt为P波到时t(i)，即Δt＝t(i)；

声发射信号真实达到传感器的时间T_or等于声发射仪记录的到达时间T_av与P波到时t(i)之和，见式(8)：

T_or＝T_av+t(i)(8)

式中：T_or—声发射信号真实达到传感器的时间；

T_av—声发射仪记录的到达时间，可由声发射仪直接读取；

t(i)—P波到时，可通过计算AIC，结合P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取得到；

S5岩石破坏预测方法：

1)建立不同类型震源主频或主频带与岩石破坏过程中应力、应变之间的关系；

2)将某类震源主频或主频带“唯一性”，作为预测某类岩石在某种加载方法或条件下破坏的定量预测方法。

其中，所述的步骤S3声发射震源类型辨识，具体包括以下子步骤：

(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取

1)根据赤池信息理准则(AIC)，采用F_C3作为拾取P波到达时间的特征函数，同时选择信号起点至能量变化最大点作为检测区间；按式(1)计算AIC函数值：

AIC(k_w)＝k_w·log(var(R_w(1,k_w)))+(n_w-k_w-1)·log(var(R_w(1+k_w,n_w))) (1)

式中：R_w、k_w—分别为所选窗口的时间序列与所有的时间序列；

var—为方差函数；

2)将AIC函数最小点作为P波到达时间t_i；

3)以t_i之后振幅中第一个最值点作为初动振幅A_i的值；

对于6个声发射传感器，可求出6组P波到达时间t_i和初动振幅A_i；

(2)矩张量求解

通过提取六个有效信号的初动振幅A_i，以及震源与传感器的距离R和方向余弦r；按式(2)求解矩张量M六个独立分量：

式中：A(x)—为初动振幅；

R,r—声源与传感器之的距离，及其方向余弦，可由传感器坐标与震源坐标计算得到；

C_S—传感器灵感度相关系数，可通过断铅方式进行标定；

Ref(t,r)—反应系数，可通过断铅试验进行标定，通常取2；

由于矩张量

各元素关于对角线对称，即m_ij＝m_ji；在已知6个传感器对应的初动振幅A(x)、声源与传感器之的距离R，及其方向余弦r，传感器灵感度相关系数C_S与反应系数Ref(t,r)条件下，矩张量各元素m_ij可完成求解；

(3)震源类型辨识

1)由矩张量

可求得对应的3个特征值，其中最大、中间与最小的特征值定义分别定义为λ_max、λ_int、λ_min；

2)对3个特征值进行归一化处理，可得到X,Y,Z；其中X＝λ_max/λ_max,Y＝λ_int/λ_max，Z＝λ_min/λ_max；

3)求解方程组(3)

4)根据X值，按式(4)对震源类型进行辨识

相应的在岩石破坏过程中震源时空演化曲线的基础上，通过提取不同类型震源X、Y、Z轴坐标，得到岩石破坏过程中不同类型震源的时空演化特征。

进一步的，步骤S4中的步骤(2)选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，作为计算不同类型震源主频或主频带的对象，以采用小波包分析方法对不同类型震源主频进行计算：

1)提取震源真实到达时间最小值所对应的波形文件；

2)按(5)计算波形第4层各节的能量

式中x_j,k(j＝0,1,2,…15,k＝1,2,…m)——为信号S_4,j的离散点的幅值；

m——为信号离散采样点数；

3)则声发射总能量可由式(6)得到：

4)每个频带对应的能量占声发射信号总能量百分比为：

5)取E_j的最大值作为该震源的主频或主频带值。

本发明以声发射震源定位为基础，以声发射震源类型辨识为前提，通过计算震源真实到达时间最小值所对应的波形主频或主频带，创造性的研发了一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，是对岩石破坏定量预测方法的有效补充与完善，具有一定的工程应用与理论价值。本发明适用于单轴与三轴压缩条件下、巴西劈裂试验、剪切试验，以及蠕变试验岩石破坏的预测。

附图说明

图1为现有技术的声发射事件率曲线；

图2为现有技术的声发射主频曲线；

图3为实施例的标准圆柱体试件；

图4为实施例的标准圆柱体相对坐标编制；

图5为实施例的传感器布置；

图6(a)为实施例的位移控制加载方式；

图6(b)为实施例的应力控制加载方式；

图7为实施例的震源定位结果示例；

图8为实施例的岩石破坏过程中震源时空演化曲线；

图9为实施例的P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取；

图10(a)为实施例的张拉震源分布；

图10(b)为实施例的剪切震源分布；

图10(c)为实施例的混合震源分布；

图11(a)为实施例的岩石破坏过程中剪切震源时空演化曲线；

图11(b)为实施例的岩石破坏过程中张拉震源时空演化曲线；

图11(c)为实施例的岩石破坏过程中张拉震源时空演化曲线；

图12为实施例的各频带能量百分比曲线；

图13为实施例的声发射信号真实到达时间与仪器记录的到达时间关系；

图14(a)为实施例的张拉震源对应的主频或主频带；

图14(b)为实施例的剪切震源对应的主频或主频带；

图14(c)为实施例的剪切震源对应的主频或主频带。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。本实施例以单轴抗压强度试验为例。

S1标准岩石试件的制备

按《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)进行试件制备。试件可由钻孔岩芯或岩块制备。以标准直径50mm，高度100mm的圆柱体为例。试件制备所需的仪器设备包括：取芯机、切割机、磨石机等。其中，取芯机用于钻取直径为50mm，高度大于100mm的岩芯。切割机用于对经钻取后的岩芯进行切割，以得到直径为50mm，高度略大于100mm的圆柱体岩芯。磨石机用对切割后圆柱体岩芯进行端面进行打磨处理，并最终制备得到直径50mm，高度100mm的圆柱体。为保证试验精确，试件两端面不平行度小于0.05mm，沿试件高度方向，直径的误差小于0.3mm，试件端面应垂直于试件轴线，偏差小于0.25°。标准圆柱试件见图3。

S2声发射震源定位

(1)仪器与设备

刚性压力机、声发射仪、声发射传感器及相关固定装置、声波仪、应变片等。其中，刚性压力机应具备自动采集轴向应力(力)与轴向应变(位移)的功能。如轴向应变(位移)无法采集，可在试件上粘贴应变片替代。声发射仪应具备三维定位功能，建议采用PAC声发射仪备PCI-2系统。声发射传感器建议采用Nano30传感器。声波仪用于测试岩石试件的纵波波速，建议采用RSM-RCT(B)声波仪。

(2)标准圆柱体相对坐标编制

为便于声发射传感器安装定位，以及震源空间坐标的计算，需进行标准圆柱体相对坐标编制。

以试件底面中心为坐标原点。首先，以试件下端面为X-Y平面，以试件轴向为Z轴，建立空间坐标系。而后，以X轴为起点，并标记为0°刻度线，逆时针沿试件表面每隔30°作Z轴平行线。最后，以X-Y平面为起点，沿Z轴方向每隔10mm作圆周线。试件相对坐标编制，见图4。

(3)声发射传感器布置

为保障声发射定位效果及后期声发射震源类别辨识需要，建议布置6个以上Nano30传感器，同时建议声发射传感器采用对称布置。以6个传感器布置为例：

1)用铅笔沿试件表面轴线方向作直线L1。采用游标卡尺沿直线方向精确量取距上、下端面10mm的点，并将此两点(1号点、2号点)作为声发射传感器布置位置的中心点。

2)以试件轴线作L1的对称线L2，做1号点、2号点的对称点，作为3号、4号传感器布置中心点。

3)将L1或L2顺时针或逆时针沿试件圆周方向旋转90°，作直线L3。采用游标卡尺沿直线方向精确量取距上、下端面10mm的点，并将此两点(5号点、6号点)作为声发射传感器布置位置的中心点。

4)最后，以试件底面中心为坐标原点，分别计算、记录以上6个传感器布置中心点坐标，。震源定位传感器布置示意，见图5。

(4)岩石纵波波速测试

建议采用RSM-RCT(B)声波仪对岩石岩石纵波波速进行测试，测试次数不少于5次，并取平均值作为震源定位的计算参数。

(5)声发射震源定位

1)加载方式的选择

根据试验目的不同，声发射震源定位试验加载方式可选择位移控制或应力控制。其中，位移控制时试验机以一定的位移速率对岩石加载。力控制时试验以一定的应力速率对岩石进行加载。加载方式示意，见图6(a)和图6(b)。

2)声发射参数设置

声发射参数的设置与岩石种类与测试环境有关。不同的岩石在不同测试环境下声发射参数不尽相同。声发射参数设置，见表1。

表1声发射参数设置

3)声发射震源坐标计算

为便于建立声发射震源与岩石破坏过程中的应力、应变的关系，对岩石进行加载与声发射测试同时进行。声发射震源坐标可通过最二乘法、单纯形算法等计算得到。同时，也可由声发射仪直接得到。

采用PAC声发射仪定位结果，震源定位结果如图7。

通过提取各震源X、Y、Z轴坐标，可得到岩石破坏过程中时空演化特征。以提取Z轴坐标为例，见图8。

S3声发射震源类型辨识

声发射震源类型辨识包括：(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取；(2)矩张量求解两部分。

(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取

1)根据赤池信息理准则(AIC)，采用F_C3作为拾取P波到达时间的特征函数，同时选择信号起点至能量变化最大点作为检测区间。按式(1)计算AIC函数值：

AIC(k_w)＝k_w·log(var(R_w(1,k_w)))+(n_w-k_w-1)·log(var(R_w(1+k_w,n_w)))(1)

式中：R_w、k_w—分别为所选窗口的时间序列与所有的时间序列。

var—为方差函数。

2)将AIC函数最小点作为P波到达时间t_i。

3)以t_i之后振幅中第一个最值点作为初动振幅A_i的值。

因此，对于6个声发射传感器，可求出6组P波到达时间t_i和初动振幅A_i。

P波到达时间t_i与初动振幅A_i求解，如图9。

(2)矩张量求解

通过提取6个有效信号的初动振幅A_i，以及震源与传感器的距离R和方向余弦r。按式(2)求解矩张量M六个独立分量：

式中：A(x)—为初动振幅；

R,r—声源与传感器之的距离，及其方向余弦，可由传感器坐标与震源坐标计算得到；

C_S—传感器灵感度相关系数，可通过断铅方式进行标定；

Ref(t,r)—反应系数，可通过断铅试验进行标定，通常取2。

由于矩张量

各元素关于对角线对称，即m_ij＝m_ji。因此，在已知6个传感器对应的初动振幅A(x)、声源与传感器之的距离R，及其方向余弦r，传感器灵感度相关系数C_S与反应系数Ref(t,r)条件下，矩张量各元素m_ij可完成求解。

(3)震源类型辨识

1)由矩张量

可求得对应的3个特征值，其中最大、中间与最小的特征值定义分别定义为λ_max、λ_int、λ_min。

2)对3个特征值进行归一化处理，可得到X,Y,Z。其中X＝λ_max/λ_max,Y＝λ_int/λ_max，Z＝λ_min/λ_max。

3)求解方程组(3)

4)根据X值，按式(4)对震源类型进行辨识

作为示例：图7中的各震源经类型辨识后，张拉震源、剪切震源与混合震源分布，见图10(a)、图10(b)、图10(c)。

相应的在图8的基础上，通过提取不同类型震源X、Y、Z轴坐标，可得到岩石破坏过程中不同类型震源的时空演化特征。

以提取Z轴坐标值为例，见图11(a)、图11(b)、图11(c)。

S4不同类型声发射震源主频或主频带的计算

(1)主频或主频带计算方法

声发射震源主频或主频带可采用小波分析方法、小波包分析方法、傅里叶变换等计算得到。优选的采用小波包分析方法。

假定声发射试验采样频率为1000kHz，则奈奎斯特频率为500kHz。小波基采用db3，分解层数为4层。由于分解层数为4层，则可产生16个节点，每个节点对应的频带宽为

(即将500kHz按步长31.25均分为16分)。

1)提取震源对应的任意一个声发射传感器对应的波形文件。

2)按(5)计算波形第4层各节的能量

式中x_j,k(j＝0,1,2,…15,k＝1,2,…m)——为信号S_4,j的离散点的幅值；

m——为信号离散采样点数。

3)则声发射总能量可由式(6)得到：

4)每个频带对应的能量占声发射信号总能量百分比为：

5)取E_j的最大值作为该震源的主频或主频带值。

为出图方便，取各频带平均作为横坐标。作为示例：图12给出某个波形文件16个频带对应的能量百分比曲线。从图中可以得出，该波形对应的主频或主频带为125～156.25kHz。

(2)不同类型震源主频或主频带的计算

由于对震源类型进行辨识，至少需提取6个声发射传感所采集的信息。因此，对于一个确定的震源，其至少对应着6个主频或主频带。考虑到弹性波的衰减特性(声发射属弹性波的一种)，本发明选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，用于不同类型震源主频或主频带的计算。

为最大程度的降低外界“噪声”对声发射信号的影响。通常在试验前需设置一阈值，该阈值用电压值表示。当外界信号引起的电压值大于设定的阈值时，声发射仪才会记录相应的信息，并将此时间作为声发射仪记录时间，如图13所示。因此，该记录时间与试验设置的阈值大小有小，并且该记录时间不是声发射信号真实到达相应传感器的时间，两者之间的差值Δt为P波到时t(i)，即Δt＝t(i)。

综上可知：声发射信号真实达到传感器的时间T_or等于声发射仪记录的到达时间T_av与P波到时t(i)之和，见式(8)：

T_or＝T_av+t(i) (8)

式中：T_or—声发射信号真实达到传感器的时间；

T_av—声发射仪记录的到达时间，可由声发射仪直接读取；

t(i)—P波到时，可通过计算AIC，结合图9得到。

假设某一确定的震源信息被6个传感器接收，则首先计算每一个传感器声发射的信号的真实到达的时间T_or(i)。而后，选取真实到达的时间T_or(i)最小值对应的波形，进行主频或主频带的计算。

作为示例：在图10(a)、图10(b)、图10(c)不同类型震源分布的基础上，不同类型震源对应的主频或主频带，如图14(a)、图14(b)、图14(c)所示。从图中可以看出：对于张拉震源其在临近破坏区，张拉震源只有1个主频或主频带0～62.5kHZ。剪切震源的有4个主频或主频带，分别为0～62.5kHZ、62.5～125kHZ、187.5～250kHZ与250～312.5kHZ。混合震源有3个主频或主频带，分别为0～62.5kHZ、187.5～250kHZ与250～312.5kHZ。

因此，可将张拉震源主频或主频带仅位于0～62.5kHZ时，作为预测该岩石在该加载方式条件下破坏的方法。

对比图2与图14(a)可知：相对于没有建立声发射波形所对应的主频或主频带与声发射震源类型的关系前提下，直接计算声发射波形对的应的主频或主频带，即图2。图14(a)显示岩石在临近破坏时，张拉震源主频或主频带具有“唯一性”，主频或主频带范围明确，是一种可行的定量预测岩石破坏的方法。

S5岩石破坏预测方法

1)采用某种算法，计算得到声发射震源的空间坐标，即声发射震源定位。

2)以矩张量分析方法，对震源类型进行辨识。

3)根据声发射信号真实到达的时间，选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，作为计算震源对应的主频或主频带的对象。

4)采用某种算法，计算得到不同类型震源所对应的主频或主频带。

5)建立不同类型震源主频或主频带与岩石破坏过程中应力、应变之间的关系。

6)将某类震源主频或主频带“唯一性”，作为预测某类岩石在某种加载方法或条件下破坏的定量预测方法。

Claims (3)

1.一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1标准岩石试件的制备

S2声发射震源定位

标准岩石试件上布置6个发射传感器，声发射传感器采用对称布置；

采用RSM-RCT(B)声波仪对岩石纵波波速进行测试，测试次数不少于5次，并取平均值作为震源定位的计算参数；

根据试验目的不同，声发射震源定位试验加载方式选择位移控制或应力控制；其中，位移控制时试验机以一定的位移速率对岩石加载；力控制时试验机以一定的应力速率对岩石进行加载；

不同的岩石在不同测试环境下声发射参数不尽相同；

对岩石进行加载直至岩石破坏，在此过程中同时进行声发射监测；声发射震源坐标可通过最小二乘法、单纯形算法计算得到；同时，也可由声发射仪直接得到；

通过提取各震源坐标，得到岩石破坏过程中时空演化特征，得到岩石破坏过程中震源时空演化曲线；

S3声发射震源类型辨识

声发射震源类型辨识包括：(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取；(2)矩张量求解两部分；

采用矩张量分析方法对声发射震源类型辨识；

S4不同类型声发射震源主频或主频带的计算

(1)主频或主频带计算方法

声发射震源主频或主频带可采用小波分析方法、小波包分析方法、傅里叶变换等计算得到；

(2)选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，作为计算不同类型震源主频或主频带的对象

对同一个震源，选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，用于不同类型震源主频或主频带的计算；

在试验前需设置一阈值，该阈值用电压值表示；当外界信号引起的电压值大于设定的阈值时，声发射仪才会记录相应的信息，并将此时间作为声发射仪记录时间，并且该记录时间不是声发射信号真实到达相应传感器的时间，两者之间的差值Δt为P波到时t(i)，即Δt＝t(i)；

声发射信号真实达到传感器的时间T_or等于声发射仪记录的到达时间T_av与P波到时t(i)之和，见式(8)：

T_or＝T_av+t(i) (8)

式中：T_or—声发射信号真实达到传感器的时间；

T_av—声发射仪记录的到达时间，可由声发射仪直接读取；

t(i)—P波到时，可通过计算AIC，结合P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取得到；

对于同一个震源，选取最小的T_or所对应的波形文件，用于不类型震源主频或主频带的计算。

S5岩石破坏预测方法：

1)建立不同类型震源主频或主频带与岩石破坏过程中应力、应变之间的关系；

2)将某类震源主频或主频带唯一性，作为预测某类岩石在某种加载方法或条件下破坏的定量预测方法。

2.根据权利要求1所述的一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，其特征在于，所述的步骤S3声发射震源类型辨识，具体包括以下子步骤：

(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取

1)根据赤池信息理准则(AIC)，采用F_C3作为拾取P波到达时间的特征函数，同时选择信号起点至能量变化最大点作为检测区间；按式(1)计算AIC函数值：

AIC(k_w)＝k_w·log(var(R_w(1,k_w)))+(n_w-k_w-1)·log(var(R_w(1+k_w,n_w))) (1)

式中：R_w、k_w—分别为所选窗口的时间序列与所有的时间序列；

var—为方差函数；

2)将AIC函数最小点作为P波到达时间t_i；

3)以t_i之后振幅中第一个最值点作为初动振幅A_i的值；

对于6个声发射传感器，可求出6组P波到达时间t_i和初动振幅A_i；

(2)矩张量求解

通过提取六个有效信号的初动振幅A_i，以及震源与传感器的距离R和方向余弦r；按式(2)求解矩张量M六个独立分量：

式中：A(x)—为初动振幅；

R,r—声源与传感器之的距离，及其方向余弦，可由传感器坐标与震源坐标计算得到；

C_S—传感器灵感度相关系数，可通过断铅方式进行标定；

Ref(t,r)—反应系数，可通过断铅试验进行标定，通常取2；

由于矩张量

各元素关于对角线对称，即m_ij＝m_ji；在已知6个传感器对应的初动振幅A(x)、声源与传感器之的距离R，及其方向余弦r，传感器灵感度相关系数C_S与反应系数Ref(t,r)条件下，矩张量各元素m_ij可完成求解；

(3)震源类型辨识

1)由矩张量

可求得对应的3个特征值，其中最大、中间与最小的特征值定义分别定义为λ_max、λ_int、λ_min；

2)对3个特征值进行归一化处理，可得到X,Y,Z；其中X＝λ_max/λ_max,Y＝λ_int/λ_max，Z＝λ_min/λ_max；

3)求解方程组(3)

4)根据X值，按式(4)对震源类型进行辨识

相应的在岩石破坏过程中震源时空演化曲线的基础上，通过提取不同类型震源X、Y、Z轴坐标，得到岩石破坏过程中不同类型震源的时空演化特征。

3.根据权利要求1所述的一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，其特征在于，步骤S4中的步骤(2)选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，作为计算不同类型震源主频或主频带的对象，以采用小波包分析方法对不同类型震源主频进行计算：

1)提取震源真实到达时间最小值所对应的波形文件；

2)按(5)计算波形第4层各节的能量

式中x_j,k(j＝0,1,2,…15,k＝1,2,…m)——为信号S_4,j的离散点的幅值；

m——为信号离散采样点数；

3)则声发射总能量可由式(6)得到：

4)每个频带对应的能量占声发射信号总能量百分比为：

5)取E_j的最大值作为该震源的主频或主频带值。

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