CN112098523B - 一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测系统，涉及安全生产系统领域。本发明包括包括贴附于尾砂胶结充填体表面的声发射探头，所述声发射探头依次与前置放大器以及声发射信号处理器连接，所述声发射处理器与PC端信号连接；以实现安全有效的生产，做好充填体的损伤特性的研究并能对充填体的破坏提出准确及时的预判，并量化参数的目的。
Description
技术领域
本发明涉及安全生产系统领域，具体的说，是一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测方法。
背景技术
固体材料在外力的作用下，内部的缺陷或不均质区会发生应力集中，导致微破裂的产生和扩展，同时累积的应变能也随之以弹性波的形式迅速释放。在能量释放的同时产生应力波，这种现象称为声发射(Acoustic Emission，简称AE)
声发射检测的原理如图1所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到材料的表面，材料表面上的探测器可以将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。人们通过对观察到的声发射信号进行分析研究，从而了解材料内部产生声发射的机制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测方法，以实现安全有效的生产，做好充填体的损伤特性的研究并能对充填体的破坏提出准确及时的预判，并量化参数的目的。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测方法，包括贴附于尾砂胶结充填体表面的声发射探头，所述声发射探头依次与前置放大器以及声发射信号处理器连接，所述声发射处理器与PC端信号连接；
所述基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测系统的基于声发射累积能量的充填体损伤演化预测模型的建模方法包括：
步骤一、利用单轴循环加卸载测量尾砂胶结充填体的力学性能，统计所述尾砂胶结充填体的力学性质影响参数以及收集所述尾砂胶结充填体的力学参数；
步骤二、将所述尾砂胶结充填体的弹性应变εe、塑性应变εp、总应变ε、变形模量E作为反映所述尾砂胶结充填体内部损伤状态的力学参数；
步骤三、基于损伤力学通过所述尾砂胶结充填体单位体积的总能量Er定义弹性应变能Ue：
Er＝Ue+Ud
步骤四、基于充填体不可逆耗散能定义每个循环的损伤变量D(i)：
；
步骤五、定义累计损伤变量D：
；
步骤六、基于所述步骤三中的弹性应变能Ue以及所述步骤五中的损伤变量D定义所述尾砂胶结充填体的损伤能量释放率Y：
；
步骤七、利用步骤五中的损伤变量D以及所述步骤六中的损伤能量释放率Y，再基于损伤理论演化方程
进行拟合，得到材料参数B和n值，进而得到具体的所述尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的损伤演化方程；
步骤八、利用不同水灰比x1以及不同灰砂比x2的所述尾砂胶结充填体在单轴循环加卸载条件下损伤变量D和损伤能量释放率Y进行拟合；
步骤九、基于步骤三至步骤八的结果，定义所述尾砂胶结充填体参数B的预测模型：
B＝k*x1 a*x2 b
步骤十、基于步骤三至步骤八的结果，定义所述尾砂胶结充填体参数n值的预测模型：
n＝m*x1 c*x2 d
步骤十一、基于步骤七至步骤十，所述尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的损伤演化方程为：
步骤十二、利用声发射检测系统收集所述尾砂胶结充填体的声发射信号，所述声发射信号包括收集的声发射振幅，通过所述声发射振幅采集声发射能量，所述声发射能量值为声发射振幅的平方；
步骤十三、基于步骤十二的参数，建立基于所述尾砂胶结充填体的声发射累积能量的损伤演化方程：
步骤十四、将每个循环的所述损伤能量释放率Y和声发射累积能量建立关系式：
步骤十五、结合步骤十一至步骤十四，在初始声发射累积能量为0以及初始损伤能量释放率Y0为0，物料没有损伤时，得到基于声发射累积能量的尾砂胶结充填体损伤演化预测模型，即
；
再基于所述尾砂胶结充填体损伤演化预测模型采用Python语言进行编程，创建基于声发射能量的充填体损伤检测可视化程序。
进一步的，步骤十三中的材料参数p、q分别与步骤七中的材料参数B和n值对应。
本发明在使用的过程中，具有以下有益效果：
根据胶结充填体承受载荷的力学路径，进行循环载荷作用下矿山胶结充填体损伤过程声发射试验，旨在反映工程实际力学路径，利用声发射揭示充填体损伤破坏机理，建立胶结充填体声发射参数、损伤参量和配合比之间的量化关系。为矿山现场胶结充填体承载过程分析及破坏失稳预测提供基础研究依据。
基于声发射技术的充填体损伤检测测和计算当前有效应力的可视化系统，为矿山决策者简单、快捷、高效的检测充填体损伤提供指导作用与决策支持。
同时，将充填体配比参数(水灰比、灰砂比)考虑到损伤演化模型中，可以适用于各种配比的充填体损伤演化检测，实际应用中更加直观，简便；
将声发射技术与损伤演化模型相结合，得到了基于声发射累积能量的充填体损伤演化模型，为矿山现场胶结充填体承载过程分析及破坏失稳检测提供基础研究依据。
利用Python语言编写了充填体损伤智能化预测系统可视化程序，该程序主要包含损伤检测、有效应力预测子系统，操作简单，直观，灵活易用，可以对充填体失稳做出及时的预测以及为矿山现场采矿工作的进行提供安全保障。
附图说明
图1为声发射检测的原理。
图2为本发明充填体损伤演化预测模型的建模方法的技术路线图。
图3为水泥添加量270kg/m3，重量浓度72％试件累计损伤变量循环周次曲线。
图4为水泥添加量270kg/m3，重量浓度74％试件累计损伤变量循环周次曲线。
图5为水泥添加量270kg/m3，重量浓度76％试件累计损伤变量循环周次曲线。
图6为水泥添加量为300kg/m3，材料参数B、n与水灰比的拟合曲线。
图7为水泥添加量为270kg/m3，材料参数B、n与水灰比的拟合曲线。
图8为水泥添加量为300kg/m3时，材料参数B、n与灰砂比的拟合曲线。
图9为水泥添加量为270kg/m3时，材料参数B、n与灰砂比的拟合曲线。
其中，1-制备尾砂胶结充填体试样、2-尾砂胶结充填体循环加卸载试验、3-应变、4-尾砂胶结充填体损伤特性、5-尾砂胶结充填体声发射特性、6-弹性模量、7-力学参数、8-应变能与耗散能、9-损伤变量、10-声发射振铃计数、11-尾砂胶结充填体声发射演化规律、12-声发射参数分形特性、13-不同条件下声发射特性、14-加载速率、15-应变幅值、16-变形模量、17-声发射能量、18-损伤演化方程、19-声发射振铃计数分形维数、20-声发射能量分形维数、21-声发射振幅分形维数、22-建立尾砂胶结充填体损伤参量和尾砂胶结充填体配比之间的关系、23-建立基于声发射累积能量的损伤演化方程、24-充填体失稳破坏判据。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体的，请参考图2所示的，其中循环加载试验的加载方式采用分级循环和等幅循环相结合的方式，采用此种加卸载方式是为了对充填体在循环加卸载条件下进行多因素分析。试验后，发现大部分试件都是X状共轭斜面剪切破坏。表明了充填体在破坏时，起到主导作用的是剪应力，当破坏面上的剪应力超过了尾砂胶结充填体试件的剪切强度时，充填体试件发生失稳破坏。
本发明采用充填体循环加卸载每个循环的弹性应变εe，塑性应变εp，总应变ε，变形模量E作为反映充填体内部损伤状态的力学参数。弹性模量E就是加载曲线直线段斜率，而加载曲线直线段大致上与卸载曲线的割线平行，因此，可将卸载曲线的割线斜率作为尾砂胶结充填体在循环加卸载过程中的弹性模量，即：
式中：E(i)——每次循环的弹性模量，Gpa；
σmax(i)、σmin(i)——每次循环的最大、最小应力，Mpa；
εmax(i)、εmin(i)——每次循环的最大、最小应变；
i——循环次数。
而变形模量E0的值为正应力σ比上总应变ε，即：
式中：E0(i)——每个循环的变形模量，Gpa；
再者，损伤力学认为：材料在外载作用下，能量的耗散与释放的过程导致其内部损伤的产生到最终破坏。尾砂胶结充填体在单轴循环加载条件下所吸收的总能量，一部分能量是不可逆的，用于内部微裂隙的产生、损伤的扩展和塑性变形；另一方面存储在尾砂胶结充填体试件的内部，并且储存在充填体内部的这部分能量在卸载阶段以弹性应变能的形式释放，这是导致充填体破坏的主要原因。下面，本文将基于能量守恒原理，对尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的能量储存及释放情况进行计算与分析。
众所周知，任何物体的行为都有能量的消耗，因此试验机的能量并不能全部传递给充填体试件，其中一部分储存在试验机内部，一部分能量则被试验系统消耗掉，剩下的一部分则传递给了充填体试件，即：
W＝Es+Eb+Er
式中：W——环境所做的功，J·m-3；
Es——试验机储存的弹性能，J·m-3；
Eb——试验系统各种能量消耗，J·m-3；
Er——传递给材料的能量，J·m-3。
其次，该文通过试验得出试验机刚度与其存储的能量呈负相关，即试验机刚度越大，其储存的能量就越小，而在本次试验中，尾砂胶结充填体的刚度远远小于试验机的刚度，因此，相比试验机传递给充填体试件的能量，试验机
储存的能量就小到忽略不计，式3-3可以简化为式3-4，即：
W＝Er
总能量Er则由试件储存的弹性应变能Ue与不可以耗散能Ud两部分构成，即：
Er＝Ue+Ud
式中：Ue——试件储存的弹性应变能，J·m-3；
Ud——不可逆耗散能；J·m-3。
Ud＝Ub+Up
式中：Ub——表面能，J·m-3；
Up——塑性应变能；J·m-3。
在循环加卸载全应力应变曲线中，充填体试件单位体积的总能量Er的值加载应力应变曲线与x轴围成区域的面积；试件储存的弹性应变能Ue的值为卸载应力应变曲线与x轴围成区域的面积；每个循环加卸载试件的耗散能Ud即为滞回环的面积，所谓滞回环就是指充填体在循环加卸载作用下，卸载点超过屈服点，卸载曲线不与加载曲线重合，从而形成的环形区域，该区域的面积即为试验机传递给充填体的能量Er与试件所存储的弹性应变能Ue之差。
然后，基于能量耗散的原理，定义损伤变量，即：
式中：Ud——不可逆耗散能，J·m-3；
Uc——单位体积强度丧失时的临界不可逆耗散能，J·m-3。(3-7
为了方便研究，将前述定义的损伤变量以循环周次为单位划分为每个循环的损伤变量D(i)，即：
式中：i——第i次循环。
可以得到累计损伤变量：
以水泥添加量270kg/m3，重量浓度72％，74％，76％为例，累计损伤变量计算结果如图3至图5所示，基于充填体不可逆耗散能定义的损伤变量从加载开始到最终强度丧失的取值在0～1之间，即当D＝0时，充填体处于初始状态，当D＝1时，充填体的强度丧失，发生失稳破坏。因此，选用基于充填体不可逆耗散能定义的损伤变量来衡量充填体的损伤演化是合理的可行的。此外，从图中还可以看出，充填体累计损伤变量随着循环次数的增加增长的越来越快，由此可见，在加载初期，充填体内部微裂隙，微裂纹发展较为稳定缓慢，而到中后期，我们不难发现，累计损伤变量D循环周次曲线的斜率明显增大，这说明了，在循环加卸载的中后期，充填体内部微裂隙和微裂纹加速发展，不可逆耗散能增加，大幅度降低了充填体的力学性能，最终导致充填体的强度丧失。但是，从图中我们发现，尾砂胶结充填体试验试件的累计损伤变量并没有达到1，这是因为当充填体破坏时，充填体的强度并没有丧失，还具有破坏后强度即残余强度。
再者，在外载荷的作用下，充填体内部的微裂纹和微裂隙逐渐孕育、扩展形成新的微表面，试验机传递给尾砂胶结充填体试件的一部分能量转化为表面能，知道弹性应变能和损伤变量就可以求解出对应损伤能量释放率Y的值，即：
式中：Ue——弹性应变能，J·m-3；
D——损伤变量。
由于目前大部分损伤演化方程的函数形式和Weibull分布形式较为接近，因此，损伤演化方程可表示为：
式中：D——损伤变量；
Y——损伤能量释放率，J·m-3；
Y0——初始损伤能量释放率，J·m-3；
B、n——材料参数。
假定充填体在加载前没有损伤，即D0＝0，于是也有Y0＝0，所以，损伤演化方程可简化为：
本文将损伤演化方程与试验所得的充填体在循环加卸载条件下的损伤变量及损伤能量耗散率的计算值进行拟合，从而得出材料参数B和n的值，进而得到充填体在循环加卸载条件下的损伤演化方程。
更具体，B与n为材料参数，他们随着尾砂胶结充填体充填体配比的变化而变化，因此，如果我们能找到材料参数B与n和充填体配比之间的关系，就能对尾砂胶结充填体在单轴循环加卸载条件下的损伤演化进行预测，从而建立尾砂胶结充填体充填体配比与损伤参量D之间的关系。
水灰比是指尾砂胶结充填体中水的用量与水泥用量的重量比值。水灰比是决定充填体一系列物理力学性能的主要参数。
当水泥添加量为300kg/m3时，材料参数B、n与水灰比的拟合曲线如图6所示，材料参数B、n与水灰比的拟合结果为：
式中：x1——水灰比，W/C；
如图6可以看出，当水泥添加量为300kg/m3时，水灰比与材料参数B呈指数关系，水灰比与材料参数n呈负指数关系，通过回归软件对曲线进行回归拟合，拟合结果精度高，误差较小，因此该指数关系能较为准确的反映出材料参数B、n与水灰比之间的关系。
当水泥添加量为270kg/m3时，材料参数B、n与水灰比的拟合曲线如图7所示，材料参数B、n与水灰比的拟合结果为：
式中：x1——水灰比，W/C；
如图7，可以看出，当水泥添加量为270kg/m3时，水灰比与材料参数B呈指数关系，水灰比与材料参数n呈负指数关系，通过回归软件对曲线进行回归拟合，拟合结果精度高，误差较小，因此该指数关系能较为准确的反映出材料参数B、n与水灰比之间的关系。
再针对灰砂比分析其与材料参数B、n的关系。
尾砂胶结充填体的灰砂比即料浆中水泥与尾砂的质量比。在水灰比和料浆浓度等条件相同的情况下，灰砂比对胶结充填体物理力学性质有着较大的影响。
当水泥添加量为300kg/m3时，材料参数B、n与灰砂比的拟合曲线请参考图8所示。
材料参数B、n与灰砂比的拟合结果为：
式中：x2——灰砂比，C/A；
根据图8，可以看出，当水泥添加量为300kg/m3时，灰砂比与材料参数B呈指数关系，灰砂比与材料参数n呈负指数关系，通过回归软件对曲线进行回归拟合，拟合结果精度高，误差较小，因此该指数关系能较为准确的反映出材料参数B、n与灰砂比之间的关系。
当水泥添加量为270kg/m3时，材料参数B、n与灰砂比的拟合曲线请参考图9所示的。
材料参数B、n与灰砂比的拟合结果为：
式中：x2——灰砂比，C/A；
根据图8可以看出，当水泥添加量为270kg/m3时，灰砂比与材料参数B呈指数关系，灰砂比与材料参数n呈负指数关系，通过回归软件对曲线进行回归拟合，拟合结果精度高，误差较小，因此该指数关系能较为准确的反映出材料参数B、n与灰砂比之间的关系。
具体的，对于材料参数B的预测模型。
在水泥添加量一定时，尾砂胶结充填体材料参数B与料浆水灰比和灰砂比均呈正指数关系；因此提出胶结充填体材料参数B的预测模型如下：
B＝k*x1 a*x2 b
式中：x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
k,a,b——拟合常数。
回归分析
1、水泥添加量300kg/m3的B值回归分析
设置x1为水灰比，x2为灰砂比，B为材料参数，最终得到尾砂胶结充填体材料参数B的预测方程为：
B＝19.39347*x1 -5.21935*x2 6.09752
Adj.R-Square0.96614
方差分析结果见下表：
经查询方差分析表可知该方程的显著性为:
F＝4440.49314>F0.995(3,37)＝2.85>F0.99(3,37)＝4.34，且P<0.01，因此，该方程属高度显著。
2、水泥添加量270kg/m3的B值回归分析
设置x1为水灰比，x2为灰砂比，B为材料参数，最终得到尾砂胶结充填体材料参数B的预测方程为：
B＝24.63834*x1 -4.19745*x2 5.88464
Adj.R-Square0.9936
方差分析结果见表：
经查询方差分析表可知该方程的显著性为:
F＝35945.26714>F0.995(3,37)＝2.85>F0.99(3,37)＝4.34，且P<0.01，因此，该方程属高度显著。
更进一步的，具体的，对于材料参数n的预测模型。
在水泥添加量一定时，尾砂胶结充填体材料参数n与料浆水灰比和灰砂比均呈负指数关系；因此提出胶结充填体材料参数n的预测模型如下：
n＝m*x1 c*x2 d
式中：x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
m,c,d——拟合常数。
回归分析
1、水泥添加量300kg/m3的n值回归分析
设置x1为水灰比，x2为灰砂比，n为材料参数，最终得到尾砂胶结充填体材料参数n的预测方程为：
n＝12.71037*x1 -1.88943*x2 0.93078
Adj.R-Square0.97505
方差分析结果见表：
经查询方差分析表可知该方程的显著性为:
F＝71051.8847>F0.995(3,37)＝2.85>F0.99(3,37)＝4.34，且P<0.01，因此，该方程属高度显著。
2、水泥添加量270kg/m3的n值回归分析
设置x1为水灰比，x2为灰砂比，n为材料参数，最终得到尾砂胶结充填体材料参数n的预测方程为：
n＝3.7293*x1 -1.38509*x2 0.18198
Adj.R-Square0.9997
方差分析结果见表：
经查询方差分析表可知该方程的显著性为:
F＝2.45647E6>F0.995(3,37)＝2.85>F0.99(3,37)＝4.34，且P<0.01，因此，该方程属高度显著。
综上，建立了充填体配比与损伤参量D之间的关系，如下式：
式中：x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
m,k,a,b,c,d——拟合常数，与水泥添加量相关。
通过上式，我们就可以从充填体配比入手，进而了解尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的演化规律。
在对试样进行循环加卸载试验后，在单轴循环加卸载条件下对充填体的发声特性进行表征。
具体的，利用声发射检测系统收集所述尾砂胶结充填体的声发射信号。
采用计盒维数Db来描述尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的声发射参数的分形维数特性。如果分形维数Db逐步降低，说明充填体声发射过程的有序度逐渐提高；如果分形维数Db逐步增大，说明充填体声发射过程正趋于一种随机的“混沌”状态。
声发射能量反映的是一个声发射事件的相对能量或强度，其值为声发射振幅的平方。利用MATLAB编制计算程序对试验测得的尾砂胶结充填体试件声发射能量时间序列进行计算。
通过对试验结果的分析，可以得知尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的声发射能量分形维数同样随着时间的进行而波动，不论是在加载阶段还是在卸阶段，能量分形维数在不同的应力水平下，其数据是各异的。在加载初期，声发射能量分形维数波动较为剧烈，在短时间内完成了骤增和骤减的大幅度波动，说明充填体在压密阶段声发射活动不论是在强度上还是大小上都存在一定的随机性；之后，随着循环加卸载的进行，充填体声发射能量的分形维数渐趋平缓，这说明充填体损伤处于稳定发展状态；同样的，在应力水平达到破坏前夕，即90％峰值强度时，尾砂胶结充填体的声发射能量分形维数极具减小，充填体的有序性提高，预示着大规模破坏即将来临。
最为重要的，通过大量充填体循环加卸载试验和声发射试验，得到尾砂胶结充填体声发射累计能量和损伤变量D之间的关系，前述的声发射累计能量/>即为试样从原始到破坏过程中声发射能量Y的总和。
对不同配比的试验，对结果分析后，尾砂胶结充填体的累计损伤变量和声发射累积能量之间同样符合Weibull概率分布，也可以用Weibull概率分布来描述，因此建立基于尾砂胶结充填体声发射累积能量的损伤演化方程：
假定充填体在加载前没有损伤，即D0＝0，于是也有所以，前式可简化为：
式中：D——累计损伤变量；
——声发射累积能量；
——初始声发射累积能量；
p、q——材料参数。
损伤能量释放率Y是通过循环加卸载试验，并基于能量的角度，求解得来，他表示的是单位体积释放的损伤应变能，在工程实际中应用较为困难。众所周知，声发射技术作为一种无损检测技术已经广泛应用于岩石混凝土的工程实际中，因此，建立声发射累积能量与损伤能量释放率Y的关系具有重要的意义，若将声发射仪检测到的声发射累积能量/>和损伤能量释放率Y建立关系，将会给充填体损伤演化方程在工程实际中的应用带来极大的便捷。
因此，以水泥添加量270kg/m3，重量浓度72％，74％，76％的充填体试件为例。以循环周次为单位，将每个循环的损伤能量释放率Y和声发射累积能量一一对应。
结果分析，尾砂胶结充填体的损伤能量释放率Y和声发射累积能量之间存在明显的指数关系，因此，建立了损伤能量释放率Y和声发射累积能量/>之间对的关系式：
式中：Y——损伤能量释放率；
——声发射累积能量；
r、s——拟合常数。
综上所述，将损伤能量释放率Y和声发射累积能量之间对的关系式带入循环加卸载作用下的损伤演化预测模型中：
式中：x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
——声发射累积能量；
m,k,a,b,c,d,r,s——拟合常数。
前式建立了尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下声发射累积能量和损伤参量以及充填体配合比之间的定量关系，也就是建立了基于声发射累积能量的充填体损伤演化预测模型，通过前述模型，就可以仅从尾砂胶结充填体配比入手，利用声发射仪检测到的声发射累积能量，进而预测尾砂胶结充填体的损伤演化规律。
将基于声发射累积能量的充填体损伤演化预测模型通过Python语言进行编程，创建基于声发射能量的充填体损伤检测可视化程序。
这样，根据胶结充填体承受载荷的力学路径，进行循环载荷作用下矿山胶结充填体损伤过程声发射试验，旨在反映工程实际力学路径，利用声发射揭示充填体损伤破坏机理，建立胶结充填体声发射参数、损伤参量和配合比之间的量化关系。为矿山现场胶结充填体承载过程分析及破坏失稳预测提供基础研究依据。
基于声发射技术的充填体损伤检测测和计算当前有效应力的可视化系统，为矿山决策者简单、快捷、高效的检测充填体损伤提供指导作用与决策支持。
同时，将充填体配比参数(水灰比、灰砂比)考虑到损伤演化模型中，可以适用于各种配比的充填体损伤演化检测，实际应用中更加直观，简便；
将声发射技术与损伤演化模型相结合，得到了基于声发射累积能量的充填体损伤演化模型，为矿山现场胶结充填体承载过程分析及破坏失稳检测提供基础研究依据。
利用Python语言编写了充填体损伤智能化预测系统可视化程序，该程序主要包含损伤检测、有效应力预测子系统，操作简单，直观，灵活易用，可以对充填体失稳做出及时的预测以及为矿山现场采矿工作的进行提供安全保障。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测方法，其特征在于：包括贴附于尾砂胶结充填体表面的声发射探头，所述声发射探头依次与前置放大器以及声发射信号处理器连接，所述声发射处理器与PC端信号连接；
基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测系统的基于声发射累积能量的充填体损伤演化预测模型的建模方法包括：
步骤一、利用单轴循环加卸载测量尾砂胶结充填体的力学性能，统计所述尾砂胶结充填体的力学性质影响参数以及收集所述尾砂胶结充填体的力学参数；
步骤二、将所述尾砂胶结充填体的弹性应变εe、塑性应变εp、总应变ε、变形模量E作为反映所述尾砂胶结充填体内部损伤状态的力学参数；
步骤三、基于损伤力学通过所述尾砂胶结充填体单位体积的总能量Er定义弹性应变能Ue：
Er＝Ue+Ud
其中，Ue——试件储存的弹性应变能，J·m-3；
Ud——不可逆耗散能；J·m-3；
步骤四、基于充填体不可逆耗散能定义每个循环的损伤变量D(i)：
其中，i——第i次循环；
Uc——单位体积强度丧失时的临界不可逆耗散能，J·m-3；
步骤五、定义累计损伤变量D：
；
步骤六、基于所述步骤三中的弹性应变能Ue以及所述步骤五中的损伤变量D定义所述尾砂胶结充填体的损伤能量释放率Y：
其中，Ue——弹性应变能，J·m-3；
D——损伤变量；
步骤七、利用步骤五中的损伤变量D以及所述步骤六中的损伤能量释放率Y，再基于损伤理论演化方程
进行拟合，得到材料参数B和n值，进而得到具体的所述尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的损伤演化方程；
其中，D——损伤变量；
Y——损伤能量释放率，J·m-3；
Y0——初始损伤能量释放率，J·m-3
B、n——材料参数；
步骤八、利用不同水灰比x1以及不同灰砂比x2的所述尾砂胶结充填体在单轴循环加卸载条件下损伤变量D和损伤能量释放率Y进行拟合；
步骤九、基于步骤三至步骤八的结果，定义所述尾砂胶结充填体参数B的预测模型：
B＝k*x1 a*x2 b；
其中，x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
k,a,b——拟合常数；
步骤十、基于步骤三至步骤八的结果，定义所述尾砂胶结充填体参数n值的预测模型：
n＝m*x1 c*x2 d；
其中，x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
m,c,d——拟合常数；
步骤十一、基于步骤七至步骤十，所述尾砂胶结充填体在循环加卸载条件下的损伤演化方程为：
；
其中，x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
m,k,a,b,c,d——拟合常数，与水泥添加量相关；
步骤十二、利用声发射检测系统收集所述尾砂胶结充填体的声发射信号，所述声发射信号包括收集的声发射振幅，通过所述声发射振幅采集声发射能量，所述声发射能量值为声发射振幅的平方；
步骤十三、基于步骤十二的参数，建立基于所述尾砂胶结充填体的声发射累积能量的损伤演化方程：
其中，D——累计损伤变量；
——声发射累积能量；
——初始声发射累积能量；
p、q——材料参数；
步骤十四、将每个循环的所述损伤能量释放率Y和声发射累积能量建立关系式：
其中，Y——损伤能量释放率；
——声发射累积能量；
r、s——拟合常数；
步骤十五、结合步骤十一至步骤十四，在初始声发射累积能量为0以及初始损伤能量释放率Y0为0，物料没有损伤时，得到基于声发射累积能量的尾砂胶结充填体损伤演化预测模型，即
；
其中，x1——水灰比，W/C；
x2——灰砂比，C/A；
——声发射累积能量；
m,k,a,b,c,d,r,s——拟合常数；
再基于所述尾砂胶结充填体损伤演化预测模型采用Python语言进行编程，创建基于声发射能量的充填体损伤检测可视化程序。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射技术的尾砂胶结充填体损伤预测方法，其特征在于：步骤十三中的材料参数p、q分别与步骤七中的材料参数B和n值对应。
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