CN112444564B - 一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法，属于岩石力学与岩土工程领域。首先，对岩石变形破坏过程进行实时声发射监测，记录并获取振铃计数。其次，通过公式计算振铃计数的特征统计量，包括方差和自相关系数，并计算振铃计数的方差和自相关系数的变化率。最后，根据振铃计数的方差和自相关系数的变化率进行预警信号判别。当变化率大于阈值时，系统自动报警，说明岩石即将破裂。如果没有超过阀值，继续监测与判别。本发明的预警方法中，预警信号点易识别和计算稳定，能够确保预警方法的客观性和准确性；计算过程简单，操作简便；可实时跟踪预警，可以在水利水电、交通运输、矿产资源开采、地下空间开发等工程领域的岩石破坏预警中广泛应用。

Description

一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法
技术领域
本发明属于岩石力学与岩土工程领域，涉及一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法，适用于土木工程、水利水电工程、矿业工程、交通运输工程中遇到的岩石破裂预报预警。
背景技术
随着矿山开采、隧道开挖、水利工程建设、地下空间开发利用的不断推进，工程建设与运营所涉及的岩体赋存地质条件更为复杂，工程的稳定性评价显得非常重要。岩石破裂会引起滑坡、岩爆、塌陷和隧道大变形等一系列地质灾害，严重威胁工程的安全和使用寿命。因此，研究岩石破裂前兆信息和预警技术具有重要意义。
目前，岩石破坏会伴随变形增大、声发射信号增多等现象，因此这些现场常用于表征岩石的破坏行为。由于岩石是典型的非均质脆性材料，破坏前变形不显著，因此采用变形量及其变化率来进行预警非常困难。岩石破坏时声发射信号增多，可以直接通过声发射数量和释放速率的显著增长作为岩石破坏的前兆信号，但是也存在预警信号点难以准确识别的缺点。并且容易受到一些异常声发射信号的干扰而导致误判，这些声发射信号反映了岩石局部的应变能释放过程，但是并未对岩石的宏观破坏起到关键作用。鉴于此，也有很多学者探讨了采用b值、频谱、空间相关长度、分形维数等参数的变化进行岩石破坏预警，但这些参数的变化不太显著，在实际操作中难以确定预警信号点。由于岩石破坏的复杂性与研究手段的局限性，目前还未形成非常有效的岩石破裂预警技术或方法。
为此本发明提出了一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法以满足预警信号点易识别、客观有效的工程需求，并利于实时跟踪预警预报。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法，本发明具有实时高效、操作简便的优点。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法，包括以下步骤：
第一步，对岩石变形破坏过程进行声发射监测，实时记录并获取声发射信号的振铃计数。
第二步，计算声发射信号振铃计数的特征统计量，包括方差和自相关系数。
所述方差(D)采用下式进行计算：
Figure BDA0002781124040000021
式中，xi表示声发射信号振铃计数；
Figure BDA0002781124040000022
表示一个窗口长度内声发射信号振铃计数的平均值；n表示一个数据样本中的声发射信号数量，对应于窗口长度，一般取为50-200；S表示标准差。
所述自相关系数(R)计算如下：
Figure BDA0002781124040000023
式中，k表示滞后步长。
第三步，计算声发射信号振铃计数的方差和自相关系数的变化率。计算如下：
方差随时间的变化率
Figure BDA0002781124040000024
通过下式计算得到：
Figure BDA0002781124040000025
式中，tm+1表示第m+1个窗口长度内声发射信号所对应时间的平均值；tm表示第m个窗口长度内声发射信号所对应时间的平均值；Dm+1和Dm分别表示第m+1 和m个窗口长度的声发射信号振铃计数的方差。m的大小取决于岩石变形破坏过程中所释放的声发射信号数量。
自相关系数的变化率
Figure BDA0002781124040000026
通过下式计算得到：
Figure BDA0002781124040000031
式中，Rm+1和Rm分别表示第m+1和m个窗口长度的声发射信号振铃计数的自相关系数。
第四步，根据声发射信号振铃计数的方差和自相关系数的变化率进行预警信号滚动判别，具体方式如下：
第一种判别方式为：通过公式(3)和(4)可以实时计算得到声发射信号振铃计数的方差和自相关系数的变化率。以时间为横轴，方差变化率或自相关系数变化率为纵轴，绘制方差变化率或自相关系数变化率-时间关系曲线，当出现明显的剧烈波动时立即预警，说明岩石即将破裂。
第二种判别方式为：也可以不用绘图，设定方差变化率阈值和自相关系数变化率阈值，方差变化率阈值建议值为2000-8000，自相关系数变化率阈值建议值为0.1-0.3。设定的阈值越小，自动预警越早，越偏于安全。采用设定阈值自动报警可以采用两种方式：第一种，当方差变化率超过方差变化率阈值或自相关系数变化率超过自相关系数变化率阈值时，系统自动报警；第二种，当方差变化率超过方差变化率阈值并且自相关系数变化率超过自相关系数变化率阈值时，系统自动报警。第一种方式自动预警时间比第二种方式早，偏于安全。使用者可以根据实际需求选取合适的方式。如果方差变化率或自相关系数变化率没有超过相应阈 值，继续监测与判别。
本发明的有益效果为：(1)预警信号点易识别和计算稳定，确保了预警方法的客观性和准确性；(2)计算过程简单，操作简便；(3)可实时跟踪预警，可以在水利水电、交通运输、矿产资源开采、地下空间开发等工程领域的岩石破坏预警中广泛应用。
附图说明
图1为本发明提供的基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法的流程示意图；
图2为单轴压缩荷载作用下岩石变形破坏过程中声发射振铃计数曲线图；
图3为单轴压缩荷载作用下岩石变形破坏过程中声发射振铃计数的方差和自相关系数曲线图；(a)为方差；(b)为自相关系数；
图4为单轴压缩荷载作用下岩石变形破坏过程中声发射振铃计数的方差和自相关系数变化率曲线图；(a)为方差变化率；(b)为自相关系数变化率。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图和实施例来对本发明进行详细阐述。
如图1所示，一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法的方法，包括以下步骤：
(1)进行岩石变形破坏过程的实时声发射监测,自动记录并获取声发射振铃计数。本实施例采用的是单轴压缩荷载作用下花岗岩的变形破坏过程声发射监测，获取的声发射振铃计数随加载时间的关系曲线如图2所示。
(2)计算声发射振铃计数序列的方差和自相关系数。本实施例的窗口长度 (n)设定为100，滞后步长(k)为50。实际操作过程中，窗口长度和滞后步长可以有所变动，可以根据声发射信号的释放数量进行设定，只要保证良好的统计效果即可。随着加载时间的推进，根据公式(1)和(2)计算每个窗口长度内声发射振铃计数序列的方差和自相关系数。本实施例的方差和自相关系数曲线如图3所示。
(3)计算振铃计数的方差和自相关系数的变化率。根据公式(3)和(4) 计算每个窗口长度内声发射振铃计数序列的方差和自相关系数的变化率。本实施例的方差和自相关系数的变化率随加载时间的关系曲线如图4所示。
(4)根据振铃计数的方差和自相关系数的变化率进行预警信号判别。当变化率大于阈值时，系统自动报警，说明岩石即将破裂。如果没有超过阈 值，继续监测与判别。本实施例中，将方差变化率的阈值设定为5000，自相关系数变化率的阈值设定为0.1。超过这两个阈值，系统自动预警。如图4所示，方差变化率在478.83s超过阈值，自相关系数变化率在481.33s超过阈值。当采用第一种自动预警方式，即方差变化率或自相关系数变化率中只要有一项超过其阈值则自动报警，预警信号点为478.83s；当采用第二种自动预警方式，即方差变化率和自相关系数变化率超过其相应阈值则自动报警，预警信号点为481.33s。可以看出，第一种自动预警方式比第二种预警方式偏于保守。花岗岩的破坏时刻为624.32s，通过该方法实现了岩石破裂的预警预报。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，对岩石变形破坏过程进行声发射监测，实时记录并获取声发射信号的振铃计数；
第二步，计算声发射信号振铃计数的特征统计量，包括方差和自相关系数；
所述方差(D)采用下式进行计算：
Figure FDA0002781124030000011
式中，xi表示声发射信号振铃计数；
Figure FDA0002781124030000012
表示一个窗口长度内声发射信号振铃计数的平均值；n表示一个数据样本中的声发射信号数量，对应于窗口长度，一般取为50-200；S表示标准差；
所述自相关系数(R)计算如下：
Figure FDA0002781124030000013
式中，k表示滞后步长；
第三步，计算声发射信号振铃计数的方差和自相关系数的变化率；计算如下：
方差随时间的变化率
Figure FDA0002781124030000014
通过下式计算得到：
Figure FDA0002781124030000015
式中，tm+1表示第m+1个窗口长度内声发射信号所对应时间的平均值；tm表示第m个窗口长度内声发射信号所对应时间的平均值；Dm+1和Dm分别表示第m+1和m个窗口长度的声发射信号振铃计数的方差；m的大小取决于岩石变形破坏过程中所释放的声发射信号数量；
自相关系数的变化率
Figure FDA0002781124030000016
通过下式计算得到：
Figure FDA0002781124030000021
式中，Rm+1和Rm分别表示第m+1和m个窗口长度的声发射信号振铃计数的自相关系数；
第四步，根据声发射信号振铃计数的方差和自相关系数的变化率进行预警信号滚动判别，具体方式如下：
设定方差变化率阈值和自相关系数变化率阈值，设定的阈值越小，自动预警越早，越偏于安全；采用设定阈值自动报警可以采用两种方式：第一种，当方差变化率超过方差变化率阈值或自相关系数变化率超过自相关系数变化率阈值时，系统自动报警；第二种，当方差变化率超过方差变化率阈值并且自相关系数变化率超过自相关系数变化率阈值时，系统自动报警；使用者可以根据实际需求选取合适的方式；如果方差变化率或自相关系数变化率没有超过相应阈 值，继续监测与判别。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法，其特征在于，所述的第四步中，还可以通过下述方式进行预警信号滚动判别：通过公式(3)和(4)可以实时计算得到声发射信号振铃计数的方差和自相关系数的变化率；以时间为横轴，方差变化率或自相关系数变化率为纵轴，绘制方差变化率或自相关系数变化率-时间关系曲线，当出现明显的剧烈波动时立即预警，说明岩石即将破裂。
3.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号统计分析的岩石破裂预警方法，其特征在于，所述的第四步中，方差变化率阈值为2000-8000，自相关系数变化率阈值为0.1-0.3。
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