CN111983035A - 一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法 - Google Patents

一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111983035A
CN111983035A CN202010856273.1A CN202010856273A CN111983035A CN 111983035 A CN111983035 A CN 111983035A CN 202010856273 A CN202010856273 A CN 202010856273A CN 111983035 A CN111983035 A CN 111983035A
Authority
CN
China
Prior art keywords
function
rock sample
time series
interval
rock
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010856273.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111983035B (zh
Inventor
马丹
王佳军
张吉雄
张强
李猛
周楠
孙强
黄鹏
黄艳利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology CUMT
Original Assignee
China University of Mining and Technology CUMT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology CUMT filed Critical China University of Mining and Technology CUMT
Priority to CN202010856273.1A priority Critical patent/CN111983035B/zh
Publication of CN111983035A publication Critical patent/CN111983035A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111983035B publication Critical patent/CN111983035B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0232—Glass, ceramics, concrete or stone

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法，通过对声发射试验中的参数构建时间序列函数，对时间序列函数进行泰勒展开得到多项式函数。引入尖点突变模型，将多项式函数转化成尖点突变模型势函数的标准形式，并通过判别式Δ＝8p3+27q2判断定义区间内的序列函数是否存在突变现象。然后通过二分法重复不断地缩小定义区间，重构时间序列函数，判断突变现象。最终逼近突变点，并对岩样的破坏进行预测。

Description

一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法
技术领域
本发明涉及一种微震监测的技术方法，具体说是一种基于声发射技术的岩样破坏预测方 法，用作地下工程隧(巷)道的岩体失稳识别预警技术手段。
背景技术
在地下工程中，岩体的失稳破坏对于工程的安全生产十分重要。近些年，微震监测等岩 体失稳识别预警技术逐渐被应用到岩体的稳定性监测中。当地质条件复杂时，岩体失稳识别 预警技术的可操作性受到阻碍，严重地影响了岩体失稳识别预警的实时分析效果。
岩体失稳识别预警技术主要是对岩体的破坏做出预测、判断或者发出征兆信息。传统的 岩体失稳识别预警方法主要包括以下方面：监测区域出现应力突降、振动波层析成像反演技 术、微震多维信息的时空预测等。而这些方法技术需要获得大量的参数(如应力、应变，振 动波、微震等级，微震活动度等)才能实现。但是往往由于现场环境的复杂性，很难及时准 确地获取以上参数。而且传统的岩体失稳预警技术基本都是直观地根据数据变化的趋势来做 出预测，缺乏分析数据变化的内在特征，难以准确地对岩体的失稳做出预警和判断。
可见现有的岩石失稳破坏的预测技术方法存在较大的缺陷和局限性，需要研究一种易操 作，适用性强，准确度高的岩石失稳破坏的预测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提供了一种基于声发射技 术的岩样破坏预测方法，该预测方法的准确性高，适用性强。
发明为实现发明目的所采用的技术方案如下：
一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法，包括以下步骤：
在预测岩样破坏之前，首先引入尖点突变模型，此模型能够对系统状态的突变情况进行 判断。此模型由一个状态变量和两个控制变量组成，其势函数表达为：
V(x)＝x4+px2+qx (1)
其中，x是系统的状态变量；p和q是系统的控制变量。
通过对方程式(1)求导，可以得到系统的平衡曲面方程：
V′(x)＝4x3+2px+q (2)
该曲面在参数空间被称为突变流行。
通过对方程式(2)求导，可以得到系统奇点集满足的方程：
V″(x)＝12x2+2p (3)
令V′(x)＝0，V″(x)＝0，则系统稳定性的判别式可以表达为：
Δ＝8p3+27q2 (4)
当Δ＞0，系统处于稳定状态；Δ＝0，系统处于临界状态；Δ＜0，系统处于不稳定状态。
将声发射参数中的累积能量引入进来作为岩石系统的状态变量对岩石破坏进行预测：
步骤1：累积振铃计数转化为时间变量的连续函数E(t)，对时间序列函数E(t)进行泰勒展 开，并取前4项，可得到：
Figure BDA0002646467630000021
其中，ai通过时间序列函数E(t)泰勒展开后获取。
步骤2：将式(5)转化为系统势函数形式，令x＝t-ω，ω＝a3/4a4,则系统势函数可以表 达为：
V(x)＝b4x4+b2x2+b1x+b0 (6)
其中，bi通过如下转化计算得到：
Figure BDA0002646467630000022
步骤3：将式(6)转化为标准的势函数表达式：
Vc(x)＝x4+px2+qx+c (8)
其中，p，q，c满足以下关系：
Figure BDA0002646467630000023
步骤4：令V′c(x)＝0，V″c(x)＝0，基于累积能量时间序列函数，岩石系统的稳定性判别式 可以表达为：
ΔE＝8p3+27q2 (10)
步骤5：构建累积能量的时间系列函数E0(t)，定义区间为t∈[0,T0]，其中T0是指声发射 试验结束的时刻。
步骤6：对时间序列函数E0(t)进行泰勒展开，并求解参数ai(a0,a1,a2,a3,a4)。
步骤7：求解中间参数ω，bi(b0,b1,b2,b3,b4)，p，q，c。
步骤8：计算判别式
Figure BDA0002646467630000039
当
Figure BDA00026464676300000310
表明岩样发生破坏，E0(t)为有效时间 序列函数，可以用来预测岩样的破坏情况；当
Figure BDA00026464676300000311
表明岩样未发生破坏，E0(t)无法用来 预测岩样的破坏情况，需重新开展声发射试验或者重构时间系列函数E0(t)。
步骤9：当步骤8中，
Figure BDA00026464676300000312
时，重构时间序列函数E1(t)，定义区间为t∈[0,T1]，其中
Figure BDA0002646467630000031
步骤10：重复步骤7和8，并计算判别式
Figure BDA0002646467630000032
当
Figure BDA0002646467630000033
表明岩样发生破坏的定义范围是t∈[0,T1]；当
Figure BDA0002646467630000034
表明岩样在此定义区间没有发生破坏，那么岩石破 坏发生在定义区间t∈[T1,T0]。
步骤11：在步骤10中，当
Figure BDA0002646467630000035
重构时间序列函数E2(t)，定义区间为t∈[0,T2]，其中
Figure BDA0002646467630000036
当
Figure BDA0002646467630000037
重构时间序列函数E2(t)，定义区间为t∈[0,T2]，其中
Figure BDA0002646467630000038
步骤12：重复步骤10和11，判断岩样破坏的定义区间。当预测破坏的区间长度|Tn-Tm|≤1 (Tn是指当前预测结果是破坏的定义区间的时间末节点，Tm是指最近预测结果是未破坏的 定义区间的时间末节点)，停止重复步骤10和11，结束预测。
有益效果：
1、无需应力、变形等力学状态参数，通过声发射无损技术得到的参数直接预测岩石的破 坏，操作方便。
2、基于尖点突变模型，对岩样系统的状态进行判断，能够精确地确定岩样破坏的时刻， 准确性高。
3、通过二分法不断缩小岩样的破坏区间范围，能唯一确定破坏的时刻，同时能够迅速地 确定破坏的时刻，适用性强。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为样本1的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。
图3为样本2的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。
图4为样本3的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。
图5为样本4的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。
图6为样本5的实验荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线图。
具体实施方式
以下结合实际案例，对本发明一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法作出进一步说明。 具体实施方法如下：以5组圆盘状花岗岩的点弯曲声发射试验结果为样本，对岩样的破坏进 行预测。5组样本中包含荷载曲线、累积能量曲线和振铃计数曲线。
步骤1：将累积能量曲线转化为时间变量的连续函数E(t)，对时间序列函数E(t)进行泰勒 展开，并取前4项，可得到：
Figure BDA0002646467630000041
其中，ai通过时间序列函数E(t)泰勒展开后获取。
步骤2：将式(5)转化为系统势函数形式，令x＝t-ω，ω＝a3/4a4,则系统势函数可以表 达为：
V(x)＝b4x4+b2x2+b1x+b0 (6)
其中，bi可以通过如下转化计算得到：
Figure BDA0002646467630000042
步骤3：将式(6)转化为标准的势函数表达式：
Vc(x)＝x4+px2+qx+c (8)
其中，p，q，c满足以下关系：
Figure BDA0002646467630000051
步骤4：令V′c(x)＝0，V″c(x)＝0，基于累积能量时间序列函数，岩石系统的稳定性判别式 可以表达为：
ΔE＝8p3+27q2 (10)
步骤5：构建累积能量的时间系列函数E0(t)，定义区间为t∈[0,T0]，其中T0是指声发射 试验结束的时刻。
步骤6：对时间序列函数E0(t)进行泰勒展开，并求解参数ai(a0,a1,a2,a3,a4)。
步骤7：求解中间参数ω，bi(b0,b1,b2,b3,b4)，p，q，c。
步骤8：计算判别式
Figure BDA0002646467630000052
当
Figure BDA0002646467630000053
表明岩样发生破坏，E0(t)为有效时间 序列函数，可以用来预测岩样的破坏情况；当
Figure BDA0002646467630000054
表明岩样未发生破坏，E0(t)无法用来 预测岩样的破坏情况，需重新开展声发射试验或者重构时间系列函数E0(t)。
步骤9：当步骤8中，
Figure BDA0002646467630000055
时，重构时间序列函数E1(t)，定义区间为t∈[0,T1]，其中
Figure BDA0002646467630000056
步骤10：重复步骤7和8，并计算判别式
Figure BDA0002646467630000057
当
Figure BDA0002646467630000058
表明岩样发生破坏的定义范围是t∈[0,T1]；当
Figure BDA0002646467630000059
表明岩样在此定义区间没有发生破坏，那么岩石破 坏发生在定义区间t∈[T1,T0]。
步骤11：在步骤10中，当
Figure BDA00026464676300000510
重构时间序列函数E2(t)，定义区间为t∈[0,T2]，其中
Figure BDA00026464676300000511
当
Figure BDA00026464676300000512
重构时间序列函数E2(t)，定义区间为t∈[0,T2]，其中
Figure BDA00026464676300000513
步骤12：重复步骤10和11，判断岩样破坏的定义区间。当预测破坏的区间长度|Tn-Tm|≤1 (Tn是指当前预测结果是破坏的定义区间的时间末节点，Tm是指最近预测结果是未破坏的 定义区间的时间末节点)，停止重复步骤10和11，结束预测。
具体计算过程和结果如下：
样本1参数见图2，预测过程如下：
Figure BDA0002646467630000061
样本2参数见图3，预测过程如下：
Figure BDA0002646467630000062
Figure BDA0002646467630000071
样本3参数见图4，预测过程如下：
Figure BDA0002646467630000072
样本4参数见图5，预测过程如下：
Figure BDA0002646467630000073
Figure BDA0002646467630000081
样本5参数见图6，预测过程如下：
Figure BDA0002646467630000082
Figure BDA0002646467630000091
Figure BDA0002646467630000092
以上表格为5个样本的预测结果汇总，可以得出：除了样本2的实际破坏时刻稍微超出 预测破坏区间以外，其它4个样本中，实际破坏时刻均在预测破坏区间内，预测效果良好， 说明本发明的准确性和适用性。

Claims (1)

1.一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法，其步骤如下：
步骤1.构建声发射参数的尖点突变模型：
将声发射参数中的累积能量引入进来作为岩石系统的状态变量；累积振铃计数看作时间变量的连续函数E(t)，对时间序列函数E(t)进行泰勒展开，并取前4项，得到：
Figure FDA0002646467620000011
其中，ai通过时间序列函数E(t)泰勒展开后获取；
将上式转化为系统势函数形式，令x＝t-ω，θ＝a3/4a4，则系统势函数表达为：
V(x)＝b4x4+b2x2+b1x+b0
其中，bi可以通过如下转化计算得到：
Figure FDA0002646467620000012
将系统势函数式转化为标准的势函数表达式：
Vc(x)＝x4+px2+qx+c
其中，p，q，c满足以下关系：
Figure FDA0002646467620000013
令V′c(x)＝0，V″c(x)＝0，基于累积能量时间序列函数，岩石系统的稳定性判别式表达为：
ΔE＝8p3+27q2；
步骤2.构建累积能量的时间系列函数E0(t)，定义区间为t∈[0,T0]，其中T0是指声发射试验结束的时刻；
步骤3.对时间序列函数E0(t)进行泰勒展开，并求解参数ai(a0,a1,a2,a3,a4)；
步骤4.求解中间参数ω，bi(b0,b1,b2,b3,b4)，p，q，c；
步骤5.计算判别式
Figure FDA0002646467620000021
当
Figure FDA0002646467620000022
表明岩样发生破坏，E0(t)为有效时间序列函数，用来预测岩样的破坏情况；当
Figure FDA0002646467620000023
表明岩样未发生破坏，E0(t)无法用来预测岩样的破坏情况，需重新开展声发射试验或者重构时间系列函数E0(t)；
步骤6.当步骤8中，
Figure FDA0002646467620000024
时，重构时间序列函数E1(t)，定义区间为t∈[0,T1]，其中
Figure FDA0002646467620000025
步骤7.重复步骤4和5，并计算判别式
Figure FDA0002646467620000026
当
Figure FDA0002646467620000027
表明岩样发生破坏的定义范围是t∈[0,T1]；当
Figure FDA0002646467620000028
表明岩样在此定义区间没有发生破坏，那么岩石破坏发生在定义区间t∈[T1,T0]；
步骤8.在步骤10中，当
Figure FDA0002646467620000029
重构时间序列函数E2(t)，定义区间为t∈[0,T2]，其中
Figure FDA00026464676200000210
当
Figure FDA00026464676200000211
重构时间序列函数E2(t)，定义区间为t∈[0,T2]，其中
Figure FDA00026464676200000212
步骤9.重复步骤7和8，判断岩样破坏的定义区间；当预测破坏的区间长度|Tn-Tm|≤1，停止重复步骤10和11，结束预测；Tn是指当前预测结果是破坏的定义区间的时间末节点，Tm是指最近预测结果是未破坏的定义区间的时间末节点。
CN202010856273.1A 2020-08-24 2020-08-24 一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法 Active CN111983035B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010856273.1A CN111983035B (zh) 2020-08-24 2020-08-24 一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010856273.1A CN111983035B (zh) 2020-08-24 2020-08-24 一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111983035A true CN111983035A (zh) 2020-11-24
CN111983035B CN111983035B (zh) 2022-04-15

Family

ID=73442497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010856273.1A Active CN111983035B (zh) 2020-08-24 2020-08-24 一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111983035B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113030278A (zh) * 2021-03-09 2021-06-25 北京科技大学 一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法
CN114002063A (zh) * 2021-10-26 2022-02-01 中国矿业大学(北京) 预测岩石破坏的方法
CN117589890A (zh) * 2024-01-19 2024-02-23 四川省自然资源勘察设计集团有限公司 基于声发射特征的岩石崩塌预警方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103344705A (zh) * 2013-06-25 2013-10-09 中国石油大学(北京) 一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法
CN104809518A (zh) * 2015-04-29 2015-07-29 重庆大学 一种基于支持向量机的岩体冲击地压声发射预测方法
CN105547825A (zh) * 2016-01-21 2016-05-04 山东大学 单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置及监测方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103344705A (zh) * 2013-06-25 2013-10-09 中国石油大学(北京) 一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法
CN104809518A (zh) * 2015-04-29 2015-07-29 重庆大学 一种基于支持向量机的岩体冲击地压声发射预测方法
CN105547825A (zh) * 2016-01-21 2016-05-04 山东大学 单轴压缩过程中岩样损伤的监测装置及监测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王思洋 等: "基于声发射的大理岩破坏模式研究", 《化工矿物与加工》 *
闵明 等: "实时高温下北山花岗岩劈裂试验及声发射特性", 《长江科学院学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113030278A (zh) * 2021-03-09 2021-06-25 北京科技大学 一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法
CN114002063A (zh) * 2021-10-26 2022-02-01 中国矿业大学(北京) 预测岩石破坏的方法
CN114002063B (zh) * 2021-10-26 2023-02-28 中国矿业大学(北京) 预测岩石破坏的方法
CN117589890A (zh) * 2024-01-19 2024-02-23 四川省自然资源勘察设计集团有限公司 基于声发射特征的岩石崩塌预警方法及系统
CN117589890B (zh) * 2024-01-19 2024-03-26 四川省自然资源勘察设计集团有限公司 基于声发射特征的岩石崩塌预警方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111983035B (zh) 2022-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111983035B (zh) 一种基于声发射技术的岩样破坏预测方法
Lei et al. Indicators of critical point behavior prior to rock failure inferred from pre-failure damage
Dai et al. Microseismic early warning of surrounding rock mass deformation in the underground powerhouse of the Houziyan hydropower station, China
AU2020275806B2 (en) Mining-induced stress assessment method based on microseismic damage reconstruction
Zhao et al. Damage evolution and deformation of rock salt under creep-fatigue loading
CN104005750A (zh) 基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的钻井提速评价方法
CN110334458B (zh) 一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法
CN103646181A (zh) 蠕滑型人工边坡稳定性系数与预警判据的确定方法
CN104458173B (zh) 钢框架结构突变损伤的识别方法及系统
CN115267905B (zh) 一种复杂构造区钻井工程中裂缝性井漏预测方法
CN103278843B (zh) 岩石隧道施工过程中岩爆实时预报技术装置
CN110069751B (zh) 一种非欠压实地层孔隙压力预测方法
CN112986020B (zh) 一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法
Wang et al. Creep properties and constitutive model for salt rock subjected to uniaxial trapezoidal cyclic loading
CN110610041B (zh) 一种井筒失稳破坏的极限应变判别方法
CN113253344A (zh) 基于微地震监测技术实现地下储气库提压预警的方法
Lei Typical phases of pre-failure damage in granitic rocks under differential compression
Zhao et al. Deformation and damage evolution of rock salt under multilevel cyclic loading with constant stress intervals
CN112925015B (zh) 一种利用水力压裂微地震b值变化特征来预警套管变形的方法
Bi et al. Research on crack classification method and failure precursor index based on RA-AF value of brittle rock
CN112525327B (zh) 基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法
Li et al. Fatigue effects of discontinuous cyclic loading on the mechanical characteristics of sandstone
CN111189711B (zh) 一种基于能量耗散的岩石屈服强度确定方法
Chen et al. Fracture behavior of high-temperature granite subjected to liquid nitrogen cooling: Semi-circular bending test and crack evolution analysis
Puech et al. SOLCYP: a four-year joint industry project on the behaviour of piles under cyclic loading

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant