CN112904421A - 微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法。该方法利用所检测到的海量微震监测/声发射事件参数信息，初步判断宏观破坏区域及破坏程度；然后，根据微破裂源事件能量耗散值对重要破坏区域以及整个研究范围内的能量场进行数学反演分析和插值运算；最后，根据能量值及其分级情况对破坏区域的灾害等级进行预测与预警。本发明利用该方法模拟获得岩体/石的破裂形态及其严重程度，依据设定精度获取研究对象范围内各个点能量的分布情况，并通过微破裂源能量耗散场的模拟情况有效预测的岩体/石的破坏与失稳情况，为研究岩体/石破裂过程能量耗散情况提供了一种精确、可靠、可视化的新方法。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法。
背景技术
在岩土工程领域，微震监测系统/声发射技术的应用较为广泛。但是，现有技术中，对于海量的岩体/石破裂监测数据未进行深度挖掘，在该大数据时代，实验室内测得的数据和矿山现场获取的数据的使用效果与产出质量比例严重失调，极大地浪费了人力、物力和财力。岩体/石的破坏本质上是一个受到外力作用下进行的被动破坏并释放能量的过程。能量释放过程形式各异，但以声波形式进行的能量传递是一种较为方便地检测破裂源重要参数信息的技术手段。虽然以其它形式传播耗散的具体能量数值不太明了，但在当控制同一变量和选取可研究能量耗散形式时，以声波形式进行能量传播耗散的特征可以按照当量耗散情况被深入研究。在岩体工程三维体空间上，微破裂源的能量耗散情况研究方法众多，从大数据科学层面对灾害的预警与防控研究相对较为浅显。
申请号为CN202010947788.2的发明专利公开了一种识别地应力异常区及大范围测量地应力的新方法。该方法测量参考点的原岩应力，每个参考点的原岩应力及所在位置进行统计，对整个待测区域内的原岩应力进行计算，并绘制出该区域内的原岩应力区域分布图；将布置的待测点位置标记在原岩应力区域分布图中；钻取声发射法测量地应力所需不同方向的岩样；采用声发射测试地应力、水压致裂等方法与特征应力相结合的方法测量原岩应力，若测量结果与特定插值方法拟合反演的结果相差较大，将该点记录为原岩应力异常点，再使用套孔应力解除法测量该点的原岩应力，最终得到进一步更加准确的原岩应力场。但是，该方法能够对原岩应力异常区域进行一般性预测，但在前期处理层面，工程现场实验程序繁琐实验周期较长，插值方法未明确列出，且验证方法需要工程现场的测试作为佐证，测试投入周期较长，是否适用于工程地质的原岩应力异常分析与预警尚无依据。且原岩应力是岩体工程中岩体构成的基本物理属性的一种力学表达状态描述，仅能够为反映岩体工程结构的稳定性作出分析指南，而岩体工程中能量表征的是岩体工程结构性、区域性的稳定性的一种快速有效的演化指标。
有鉴于此，有必要设计一种改进的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有矿山岩体工程破裂源致灾过程及机理了解不清、难以对岩体工程的破坏进行预测预报的技术难点和方法不足等技术缺陷，提供一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，该方法利用所检测到的海量微震监测/声发射事件参数信息，初步判断宏观破坏区域及破坏程度；然后，根据微破裂源事件能量耗散值对重要破坏区域以及整个研究范围内的能量场进行数学反演分析和插值运算；最后，根据能量值以及分级分区情况对破坏区域进行的灾害等级进行预测与预警。本发明利用该方法模拟获得岩体/石的破裂形态及其严重程度，依据设定精度获取研究对象范围内各个点能量场的分布情况，并通过微破裂源能量耗散场的模拟情况有效预测的岩体/石的破坏与失稳情况，为研究岩体/石破裂过程能量耗散情况提供了一种精确、可靠、可视化的新方法。
作为本发明的进一步改进，包括如下步骤：
S1，通过矿山现场或室内实验获取矿山微震监测或声发射实验数据，进行初步处理与筛选，剔除异常数据，获取所检测微震监测/声发射破裂源事件的三维空间坐标和能量值；
S2，依次按照时间顺序获取所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标值，并选用所述破裂源事件及其三维空间坐标值对应的能量值，初步分析所检测事件在三维空间坐标内的变化趋势和相对大小关系；
S3，基于上述步骤，计算所述能量值的最值后，构建所需的数据集合，筛选得到所检测微震监测/声发射破裂源事件的三维空间坐标和附属能量值的数据集合K；
S4，依据三维空间坐标X、Y、Z三个方向的最大值和最小值或者指定实际边界值进行网格节点划分，划分后得到由若干个均匀分布于研究空间内部的点云结构框架模型；
S5，对所述点云结构框架模型中的三维空间坐标点所对应的能量值进行插值运算，得到整个点云结构框架模型内的三维空间个点及所构成空间内能量场的全局性能量值；
S6，将所述点云结构框架模型内的三维均匀分布点坐标以及进行插值运算之后的对应能量值的四维数据进行数据化展示；
S7，依据需求导出预设精度的能量耗散演化分布图和各个研究重点区域的水平切片图/垂直剖面图；
S8，依据能量耗散场的分布实况和能量值换算，对所述点云结构框架模型内的数据进行等级等分的划定和筛选，并导出筛选后的三维空间坐标或坐标区域范围，实现灾害点目标位置预警。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，数据集合K＝{x，y，z，t，Ee}的构建过程为：
P1，分别求出三维定位坐标X、Y、Z三个方向和能量值的最值，记为xmin、 xmax、ymin、ymax、zmin、zmax、Emin和Emax；
P2，以三个方向的坐标最值为界限构建点云结构框架模型的边界尺寸；
P3，根据三维空间坐标各个方向的坐标最值以及具体网格划分精度需求，，按照与整个研究区域等比例的均布划分原则，统计出每个方向对应的集合，分别记为XX、YY、ZZ；
P4，对仅有坐标数据点所对应的能量值进行等级划分，得到整个点云结构框架模型内的空间分布能量值能级数据集合，记为Ee。
作为本发明的进一步改进，步骤P3中每个方向对应的集合XX、YY、ZZ 的计算过程为：
P31，将X轴方向网格划分的间距记为LX；LX＝(xmax-xmin)/(N-1)；由此得出以X轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合XX，XX＝{xmin，xmin +LX*1，xmin+LX*2，···，xmax-LX*2，xmin-LX*1，xmax}；
P32，将Y轴方向网格划分的间距记为LY；LY＝(ymax-ymin)/(N-1)；由此得出以Y轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合YY，YY＝{ymin，ymin +LY*1，ymin+LY*2，···，ymax-LY*2，ymin-LY*1，ymax}；
P33，将Z轴方向网格划分的间距记为LZ；LZ＝(zmax-zmin)/(N-1)；由此得出以Z轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合ZZ，ZZ＝{zmin，zmin +LZ*1，zmin+LZ*2，···，zmax-LZ*2，zmin-LZ*1，zmax}。
作为本发明的进一步改进，步骤S4中的网格划分过程为：
先核算研究区域的长宽高及其比例关系；然后在空间三维各个方向按照等比例缩小相同的倍数得到缩小版的研究区域的长方体盒子并编号，即构成微单元体；再使微单元体均匀无交叉重叠分布在研究区域内部，划分后得到由研究区域内若干个微单元体的质心集合组合而成的点云结构框架模型。
作为本发明的进一步改进，步骤S5中所述能量值的插值运算，采用自然近邻插值法对所述点云结构框架模型中的能量值进行插值运算，查找已有能量值数据最近的事件耗散能量值的子集，并按照区域范围内的相对比例关系对相对能量值按照权重来选取插值，得到三维空间均匀个点的能量值f(x)。
作为本发明的进一步改进，采用自然近邻插值法对能量值进行插值运算的公式如下：
公式1中：
f(x)为待插值点x处的插值结果；
wi(x)为参与插值的样本点i(i＝1，2，3，...，n)关于插值点x的权重；
fi为样本点i处的值。
作为本发明的进一步改进，所述权重wi(x)的计算公式为：
公式2中：
ai为参与插值的样本点所处泰森多边形的面积；
a(x)为待插值点x所处泰森多边形的面积；
ai∩a(x)为两者相交的面积。
作为本发明的进一步改进，步骤S8中等级划分的方式为：可依据工程现场需要进行多个能量值等级预警级别的划分，本发明案例中以安全预警色为等级和颜色取舍为参考，进行四级均等划分，红色、橙色、黄色、蓝色分别对应Ⅰ级 (特别严重)、Ⅱ级(严重)、Ⅲ级(较重)、Ⅳ级(一般)。
根据权利要求9述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：步骤S8中，灾害点目标位置预警的具体方案为：
作为本发明的进一步改进，步骤S8中灾害点目标位置预警的具体方案为：
在设定时间步长和求解精度规则内，综合点云结构框架模型内各个点的位置所附属的能量值大小及其所在能量值等级情况，并保持关注与能级对应的红色点位区域，对研究分析空间内的坐标进行锁定并及时预测预警。具体的按照前述方法，由检测所得随机性破裂源事件的位置和能量值，在能量插值分析后，得到指定精度下均匀分布的点的位置上所对应的能量值，并按照指定能级划分原则进行分级。本案例中，以四等均分为例，统计计算占比为前25％的能级所对应的坐标点位并进行统计预测。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，具备如下优点：
1)微破裂源数据的利用效率高：本发明提供的方法中可借助编程代码调控任意划分层面和数量，高效且实用；有效克服了现有技术中对微震监测/ 声发射所得数据的时空分布规律仅有二维层面的分析计算未有三维空间层面的计算算法，在空间三维立体层面分析较少，且三维空间角度控制变量不甚灵活多用的技术缺陷。
2)数据源的适用性强：基于矿山微震监测系统工程和室内声发射实验，输入数据形式简便，除空间坐标属性外的第四属性，可对其进行的快速化模拟并展示，更为显而易见的表明该属性的层内和层外分布情况。
3)采用编程代码直接实现网格划分功能并进行可视化展示，克服了现有技术中存在的空间网格划分较少时，所研究对象及其参数精度远远不够，而空间网格划分较多时，人工统计难度极大的问题。
4)各个微单元体各层次多属性全局性可视化：基于现有技术中，微震监测/声发射所得数据，尤其是能量释放变化过程和耗散强弱程度，在数据上表现得没那么直截了当，本发明提供的方法可直接对能量场进行三维插值计算，并据实时导数数据情况进行实时更新，方便前后对比，研究其演化规律；即每次能量对应变化后的数据插值演化表征为空间上的三维分布以及属性上的三维分布，可由该方法实现；
5)该方法能够对数据量大、人工难以达到海量数据进行自动快速化分析，实现全局性趋势性和量化对比分析；
6)预警方案：根据本发明提供地所述方法，能够对矿山岩体工程的局部能量释放可以作出一般性区域、较重区域、严重区域以及特别严重区域进行相对等级划分，进行着重关注，达到预警防控的效果；
7)对于标量型、散点分布性能量值数据分析优势较为明显，计算速度不受矢量数据计算限制。能量值的标量特性为三维空间能量场的分析计算提供基础，能量场的三维空间体演化规律的展现可由该方法实现。
2、本发明提供的微震监测/声发射破裂源能量耗散态势预警方法，能够在三维空间上对破裂源的分布情况以及能量释放耗散特征进行全局性地数值分析或局部性破坏的区域锁定，进而对破坏区域及其破坏程度进行分级、预测、预报，对分析其时空演化规律尤其是空间上的能量的集聚/耗散情况具有较好的实用效果。该方法模拟获得岩体/石的破裂形态及其严重程度，获取研究对象范围内能量场的分布情况，并通过微破裂源能量耗散模拟情况有效预测的岩体/石的破坏与失稳情况，为研究岩体/石破裂过程能量耗散情况提供了一种精确、可靠、可视化的新方法。
附图说明
图1为本发明提供的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法的流程示意图。
图2为本发明提供的事件空间位置关系图以及其用大小和颜色表征的能量值属性。
图3为本发明提供的点云结构框架模型的示意图。
图4为本发明提供的采用自然近邻插值法时创建的泰森多边形的示意图。(图3是本方法的插值运算数学理论基础，目的是：查找已有绝对能量值数据最近的事件耗散能量值的子集，并按照区域范围内的相对比例关系对相对能量值按照权重来选取插值。)
图5为本发明提供的能量场演化切片图，为分析预警提供实时的可视化的结果展示。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，本发明提供了一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，首先，获取破裂源事件的触发时间、事件的三维空间坐标位置以及事件所对应的能量值；然后，利用所检测到的微震监测/声发射破裂源事件参数信息，初步判断宏观破坏区域及破坏程度；其次，根据破裂源事件的空间位置关系按照时间顺序对事件源进行三维空间上的实时动态显现，尤其是每个事件检测所得的能量值，以不同颜色和大小的球体代表能级的大小属性；再由整个研究空间内的能量值进行能量场的插值反演并进行展示；最后根据整个研究范围内的能量场的分布和插值运算结果情况，分析研究对象的破坏状态，并根据能量值的分级情况对破坏区域进行灾害等级进行预测与预警。
优选的，包括如下步骤：
S1，通过矿山现场或室内实验获取矿山微震监测或声发射实验数据，进行初步处理与筛选，剔除异常数据，获取所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标和能量值，；
S2，依次按照时间顺序获取所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标值，并选用所述破裂源事件及其三维空间坐标值对应的能量值，初步分析所检测事件在三维空间坐标内的变化趋势和相对大小关系；
S3，基于上述步骤，计算所述能量最值后，构建所需的数据集合，筛选得到所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标和附属能量值的数据集合K；
S4，依据三维空间坐标X、Y、Z三个方向的最大值和最小值或者指定实际边界值进行网格节点划分，划分后得到由若干个均匀分布与研究空间内部的点云结构框架模型(如图5所示)；
S5，对所述点云结构框架模型中的三维空间坐标点所对应的能量值进行插值运算，得到整个点云结构框架模型内的三维空间个点及所构成空间内能量场的全局性能量值；
S6，将所述点云结构框架模型内的三维均匀分布点坐标以及进行插值运算之后的对应能量值的四维数据进行数据化展示；
S7，依据需求导出预设精度的能量耗散演化分布图和各个研究重点区域的水平切片图/垂直剖面图；
S8，依据能量耗散场的分布实况和能量值换算，对所述点云结构框架模型内的数据进行等级等分的划定和筛选，并导出筛选后的三维空间坐标或坐标区域范围，实现灾害点目标位置预警。
优选的，步骤S3中，数据集合K＝{x，y，z，t，Ee}的构建过程为：
P1，分别求出三维定位坐标X、Y、Z三个方向和能量值的最值，记为xmin、 xmax、ymin、ymax、zmin、zmax、Emin和Emax；
P2，以三个方向的坐标最值为界限构建点云结构框架模型的边界尺寸；
P3，根据三维空间坐标各个方向的坐标最值以及具体网格划分精度需求，，按照与整个研究区域等比例的均布划分原则，统计出每个方向对应的集合，分别记为XX、YY、ZZ；
P4，对仅有坐标数据点所对应的能量值进行等级划分，得到整个点云结构框架模型内的空间分布能量值能级数据集合，记为Ee。
优选的，步骤P3中每个XX、YY、ZZ的计算过程为：
P31，将X轴方向网格划分的间距记为LX；LX＝(xmax-xmin)/(N-1)；由此得出以X轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合XX，XX＝{xmin，xmin +LX*1，xmin+LX*2，···，xmax-LX*2，xmin-LX*1，xmax}；
P32，将Y轴方向网格划分的间距记为LY；LY＝(ymax-ymin)/(N-1)；由此得出以Y轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合YY，YY＝{ymin，ymin +LY*1，ymin+LY*2，···，ymax-LY*2，ymin-LY*1，ymax}；
P33，将Z轴方向网格划分的间距记为LZ；LZ＝(zmax-zmin)/(N-1)；由此得出以Z轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合ZZ，ZZ＝{zmin，zmin +LZ*1，zmin+LZ*2，···，zmax-LZ*2，zmin-LZ*1，zmax}。
优选的，步骤S4中的网格划分过程为：
先核算研究区域的长宽高及其比例关系；然后在空间三维各个方向按照等比例缩小相同的倍数得到缩小版的研究区域的长方体盒子并编号，即构成微单元体；再使微单元体均匀无交叉重叠分布在研究区域内部，划分后得到由研究区域内若干个微单元体的质心集合组合而成的点云结构框架模型。
优选的，步骤S5中所述能量值的插值运算，采用自然近邻插值法对所述点云结构框架模型中的能量值进行插值运算，查找已有能量值数据最近的事件耗散能量值的子集，并按照区域范围内的相对比例关系对相对能量值按照权重来选取插值，得到三维空间均匀个点的能量值。
优选的，采用自然近邻插值法对能量值进行插值运算的公式如下：
公式1中：
f(x)为待插值点x处的插值结果；
wi(x)为参与插值的样本点i(i＝1，2，3，...，n)关于插值点x的权重；
fi为样本点i处的值。
优选的，所述权重wi(x)的计算公式为：
公式2中：
ai为参与插值的样本点所处泰森多边形的面积；
a(x)为待插值点x所处泰森多边形的面积；
ai∩a(x)为两者相交的面积。
优选的，步骤S8中等级划分的方式为：可依据工程现场需要进行多个能量值等级预警级别的划分，本发明案例中以安全预警色为等级和颜色取舍为参考，进行四级均等划分，红色、橙色、黄色、蓝色分别对应Ⅰ级(特别严重)、Ⅱ级(严重)、Ⅲ级(较重)、Ⅳ级(一般)；
灾害点目标位置预警的具体方案为：
在设定时间步长和求解精度规则内，综合点云结构框架模型内各个点的位置所附属的能量值大小及其所在能量值等级情况，并保持关注与能级对应的红色点位区域，对研究分析空间内的坐标进行锁定并及时预测预警。具体的按照前述方法，由检测所得随机性破裂源事件的位置和能量值，在能量插值分析后，得到指定精度下均匀分布的点的位置上所对应的能量值，并按照指定能级划分原则进行分级。本案例中，以四等均分为例，统计计算占比为前25％的能级所对应的坐标点位并进行统计预测。
实施例1
本发明实施例1提供了一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，以声发射数据为例进行方法示例，矿山微震监测系统与此使用原理与方法类同。岩体破裂会以一部分弹性能量的形式释放源破裂的能量，在岩石试件表面测得的经过衰减后剩余的弹性能量可以被较好的检测捕捉到，综合评估岩体损伤破坏的变化过程，从而为对岩体工程灾害以及生产活动的预警防控与调度提供理论基础参考。
该方法包括如下步骤：
S1，准备岩石试件的常规性压缩等试验，借用声发射技术检测岩石试件破坏全过程，对岩石试件进行压缩破坏，由此获取声发射实验数据，剔除异常数据，筛选得到所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标和全部声发射参数信息的数据集合；
S2，依次按照时间顺序获取所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标值，并选用所述破裂源事件及其三维空间坐标值对应的能量值，初步分析所检测事件在三维空间坐标内的变化趋势和相对大小关系；
S3，基于上述步骤，计算所述能量最值后，重新构建所需的数据集合，进行初步处理与筛选，剔除异常数据，筛选得到所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标和附属能量值的数据集合K；该数据集合K＝{x，y，z，t，Ee}的构建过程为：
P1，分别求出三维定位坐标X、Y、Z三个方向和能量值的最值，记为xmin、 xmax、ymin、ymax、zmin、zmax、Emin和Emax；
P2，以三个方向的坐标最值为界限构建点云结构框架模型的边界尺寸；
P3，根据三维空间坐标各个方向的坐标最值以及具体网格划分精度需求，，按照与整个研究区域等比例的均布划分原则，统计出每个方向对应的集合，分别记为XX、YY、ZZ；
P4，对仅有坐标数据点所对应的能量值进行等级划分，得到整个点云结构框架模型内的空间分布能量值能级数据集合，记为Ee。
具体来讲，每个方向对应的集合XX、YY、ZZ的计算过程为：
P31，将X轴方向网格划分的间距记为LX；LX＝(xmax-xmin)/(N-1)；由此得出以X轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合XX，XX＝{xmin，xmin +LX*1，xmin+LX*2，···，xmax-LX*2，xmin-LX*1，xmax}；
P32，将Y轴方向网格划分的间距记为LY；LY＝(ymax-ymin)/(N-1)；由此得出以Y轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合YY，YY＝{ymin，ymin +LY*1，ymin+LY*2，···，ymax-LY*2，ymin-LY*1，ymax}；
P33，将Z轴方向网格划分的间距记为LZ；LZ＝(zmax-zmin)/(N-1)；由此得出以Z轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合ZZ，ZZ＝{zmin，zmin +LZ*1，zmin+LZ*2，···，zmax-LZ*2，zmin-LZ*1，zmax}。
S4，请参阅图2所示，依据三维空间坐标X、Y、Z三个方向的最大值和最小值或者指定实际边界值进行网格节点划分，划分后得到由若干个均匀分布与研究空间内部的点云结构框架模型(如图3所示)，由此形成空间上均匀分布的点坐标集合，为后述步骤的能量插值分析并为插值方法计算所得的能量提供分析依附点，从而为分析能量耗散场和等级划分做准备。
如图3所示的点云结构框架模型中，可依据不同需求的精度设定不同密度的点云均布数量；精度越高点云数量越多，计算能力要求越高，计算结果的精度和可信度更高。
S5，对所述点云结构框架模型中的三维空间坐标点所对应的能量值进行插值运算，得到整个点云结构框架模型内的三维空间个点及所构成空间内能量场的全局性能量值；
具体来讲，本发明采用自然近邻插值法地具体过程为查找已有能量值数据最近的事件耗散能量值的子集，并按照区域范围内的相对比例关系对能量数值按照权重来选取插值。由于岩土工程岩石试件的破裂是局部破坏逐渐延伸至较大破坏的一个动态破坏过程，微裂隙的萌生、裂纹的扩展是按照一定弱节理面的力学方向逐渐发展，具有局部性和相对连续衍生的趋势，保障了试件破坏在邻近区域内是非突变的，相对平滑变化的。最初，泰森图由部分已知点构造而成，然后会在插值点周围创建新泰森多边形(如图4所示)，拟合出新的多边形与原始多边形之间的重叠比例将用作权重，直至所有点在自然邻域都有相对临近泰森多边形相关性。具体来讲，采用自然近邻插值法对相对能量值进行插值运算的公式为：
公式1中：
f(x)为待插值点x处的插值结果；
wi(x)为参与插值的样本点i(i＝1，2，3，...，n)关于插值点x的权重；
fi为样本点i处的值。
所述权重wi(x)的计算公式为：
公式2中：
ai为参与插值的样本点所处泰森多边形的面积；
a(x)为待插值点x所处泰森多边形的面积；
ai∩a(x)为两者相交的面积。
S6，将所述点云结构框架模型内的三维均匀分布点坐标以及进行插值运算之后的对应能量值的四维数据进行数据化展示；每个采样点的空间坐标构成一个点的集合，称之为能量的点云。
S7，依据需求导出预设精度的能量耗散演化分布图和各个研究重点区域的水平切片图/垂直剖面图；结合声发射实验数据，对岩石试件或矿山岩体工程岩体破裂的演化过程以能量耗散的空间物理参数值及其形态进行展示，尤其是在使用本方法时可以手动随时导入新的定位于能量值数据，实现连续性能量场的数值计算并进行展示，便于观察动态的变化趋势；该变化趋势主要体现在目标分层内或矿山现场开拓中段数据变化的差异性、积聚性、离散性以及局部细节性的变化态势方面，从而为研究岩体破裂的态势尤其是能量耗散规律提供更为高效直观的参考。
S8，破坏目标区域的筛选与预警：预警信号一般采用国际通用的颜色表示不同的安全状况，按照事故的严重性、紧急程度以及发展态势。一般划分为四级：Ⅳ级(一般)、Ⅲ级(较重)、Ⅱ级(严重)、Ⅰ级(特别严重)，依次用蓝色、黄色、橙色和红色表示。如图5所示，依据能量耗散场的分布实况和能量值换算，对所述点云结构框架模型内的数据进行等级等分的划定和筛选，并导出筛选后的三维空间坐标，实现灾害点目标位置预警。
灾害点目标位置预警的具体方案为：
在设定时间步长和求解精度规则内，综合点云结构框架模型内各个点的位置所附属的能量值大小及其所在能量值等级情况，并保持关注与能级对应的红色点位区域，对研究分析空间内的坐标进行锁定并及时预测预警。具体的按照前述方法，由检测所得随机性破裂源事件的位置和能量值，在能量插值分析后，得到指定精度下均匀分布的点的位置上所对应的能量值，并按照指定能级划分原则进行分级。本案例中，以四等均分为例，统计计算占比为前25％的能级所对应的坐标点位并进行统计预测。
综上所述，本发明提供了一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法。该方法利用所检测到的海量微震监测/声发射事件参数信息，初步判断宏观破坏区域及破坏程度；然后，根据微破裂源事件能量耗散值对重要破坏区域以及整个研究范围内的能量场进行数学反演分析和插值运算；最后，根据能量值以及分级情况对破坏区域的灾害等级进行预测与预警。本发明利用该方法模拟获得岩体/石的破裂形态及其严重程度，依据设定精度获取研究对象范围内各个点能量的分布情况，并通过微破裂源能量耗散场的模拟情况有效预测的岩体/石的破坏与失稳情况，为研究岩体/石破裂过程能量耗散情况提供了一种精确、可靠、可视化的新方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：首先，获取破裂源事件的触发时间、事件的三维空间坐标位置以及事件所对应的能量值；然后，利用所检测到的微震监测/声发射破裂源事件参数信息，初步判断宏观破坏区域及破坏程度；其次，根据破裂源事件的空间位置关系按照时间顺序对事件源进行三维空间上的实时动态显现；再由整个研究空间内的能量值进行能量场的插值反演并进行展示；最后，根据整个研究范围内的能量场的分布和插值运算结果情况，分析研究对象的破坏状态，并根据能量值的分级情况对破坏区域进行灾害等级进行预测与预警。
2.根据权利要求1所述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，通过矿山现场或室内实验获取矿山微震监测或声发射实验数据，进行初步处理与筛选，剔除异常数据，获取所检测微震监测/声发射破裂源事件的三维空间坐标和能量值；
S2，依次按照时间顺序获取所检测微震监测/声发射事件的三维空间坐标值，并选用所述破裂源事件及其三维空间坐标值对应的能量值，初步分析所检测事件在三维空间坐标内的变化趋势和相对大小关系；
S3，基于上述步骤，计算所述能量值的最值后，构建所需的数据集合，筛选得到所检测微震监测/声发射破裂源事件的三维空间坐标和附属能量值的数据集合K；
S4，依据三维空间坐标X、Y、Z三个方向的最大值和最小值或者指定实际边界值进行网格节点划分，划分后得到由若干个均匀分布于研究空间内部的点云结构框架模型；
S5，对所述点云结构框架模型中的三维空间坐标点所对应的能量值进行插值运算，得到整个点云结构框架模型内的三维空间个点及所构成空间内能量场的全局性能量值；
S6，将所述点云结构框架模型内的三维均匀分布点坐标以及进行插值运算之后的对应能量值的四维数据进行数据化展示；
S7，依据需求导出预设精度的能量耗散演化分布图和各个研究重点区域的水平切片图/垂直剖面图；
S8，依据能量耗散场的分布实况和能量值换算，对所述点云结构框架模型内的数据进行等级等分的划定和筛选，并导出筛选后的三维空间坐标或坐标区域范围，实现灾害点目标位置预警。
3.根据权利要求2所述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：步骤S3中，数据集合K＝{x，y，z，t，Ee}的构建过程为：
P1，分别求出三维定位坐标X、Y、Z三个方向和能量值的最值，记为xmin、xmax、ymin、ymax、zmin、zmax、Emin和Emax；
P2，以三个方向的坐标最值为界限构建点云结构框架模型的边界尺寸；
P3，根据三维空间坐标各个方向的坐标最值以及具体网格划分精度需求，，按照与整个研究区域等比例的均布划分原则，统计出每个方向对应的集合，分别记为XX、YY、ZZ；
P4，对仅有坐标数据点所对应的能量值进行等级划分，得到整个点云结构框架模型内的空间分布能量值能级数据集合，记为Ee。
4.根据权利要求3所述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：步骤P3中每个方向对应的集合XX、YY、ZZ的计算过程为：
P31，将X轴方向网格划分的间距记为LX；LX＝(xmax-xmin)/(N-1)；由此得出以X轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合XX，XX＝{xmin，xmin+LX*1，xmin+LX*2，…，xmax-LX*2，xmin-LX*1，xmax}；
P32，将Y轴方向网格划分的间距记为LY；LY＝(ymax-ymin)/(N-1)；由此得出以Y轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合YY，YY＝{ymin，ymin+LY*1，ymin+LY*2，…，ymax-LY*2，ymin-LY*1，ymax}；
P33，将Z轴方向网格划分的间距记为LZ；LZ＝(zmax-zmin)/(N-1)；由此得出以Z轴方向的最大值和最小值为界限生成的线性间距集合ZZ，ZZ＝{zmin，zmin+LZ*1，zmin+LZ*2，…，zmax-LZ*2，zmin-LZ*1，zmax}。
5.根据权利要求2所述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：步骤S4中的网格节点划分过程为：
先核算研究区域的长宽高及其比例关系；然后在空间三维各个方向按照等比例缩小相同的倍数得到缩小版的研究区域的长方体盒子并编号，即构成微单元体；再使微单元体均匀无交叉重叠分布在研究区域内部，划分后得到由研究区域内若干个微单元体的质心集合组合而成的点云结构框架模型。
6.根据权利要求2所述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：步骤S5中所述能量值的插值运算，采用自然近邻插值法对所述点云结构框架模型中的能量值进行插值运算，查找已有能量值数据最近的事件耗散能量值的子集，并按照区域范围内的相对比例关系对相对能量值按照权重来选取插值，得到三维空间均匀个点的能量值f(x)。
7.根据权利要求6述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：采用自然近邻插值法对能量值进行插值运算的公式如下：
公式1中：
f(x)为待插值点x处的插值结果；
wi(x)为参与插值的样本点i(i＝1，2，3，...，n)关于插值点x的权重；
fi为样本点i处的值。
8.根据权利要求7述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：所述权重wi(x)的计算公式为：
公式2中：
ai为参与插值的样本点所处泰森多边形的面积；
a(x)为待插值点x所处泰森多边形的面积；
ai∩a(x)为两者相交的面积。
9.根据权利要求2述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：步骤S8中等级划分的方式为：可依据工程现场需要进行多个能量值等级预警级别的划分，本发明案例中以安全预警色为等级和颜色取舍为参考，进行四级均等划分。
10.根据权利要求9述的微震监测/声发射破裂源能量耗散状态与趋势的预警方法，其特征在于：步骤S8中，灾害点目标位置预警的具体方案为：
在设定时间步长和求解精度规则内，综合所述点云结构框架模型内各个点的位置所附属的能量值大小及其所在能量值等级情况，并保持关注与能级对应的红色点位区域，对研究分析空间内的坐标进行锁定并及时预测预警；由检测所得随机性破裂源事件的位置和能量值，在能量插值分析后，得到指定精度下均匀分布的点的位置上所对应的能量值，并按照指定能级划分原则进行分级，以四等均分为例，统计计算占比为前25％的能级所对应的坐标点位并进行统计预测。
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