CN114878698B - 基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展获取方法，涉及岩石力学及裂纹扩展监测领域。将声发射信号中的能量和持续时间作为关键参数，筛选出整个声发射力学试验过程中的有效事件，通过有效事件的演化表征计算岩石在声发射试验过程中的裂纹扩展规律，为地下采矿及岩土工程中岩体稳定性监测提供技术支撑。在岩石声发射力学参数中选出能量和持续时间；每个声发射事件对应着相应的功率和峰值频率，从功率‑峰值频率图中确定声发射信号的主频带和次主频带；基于主频事件和次主频事件的演化表征计算岩石试样在声发射试验中主裂纹和微裂纹的扩展规律。最终实现对地下岩土工程提供良好技术支撑的目的。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学及裂纹扩展监测领域，尤其涉及一种基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展计算方法，该方法易操作，依赖性低，适用性强。
背景技术
在岩石力学工程研究领域，声发射技术已经逐渐成熟应用到各类科学试验和工程现场监测中。声发射信号可以记录岩石在声发射力学试验中裂纹发育、闭合，结构损伤、破坏等信息。声发射事件包含有效声发射事件和大量的无效声发射事件，这其中，只有有效声发射事件才能反映岩石在声发射力学试验过程中裂纹扩展情况，故需要对有效声发射事件进行筛选。
与此同时，微震监测技术也是地下岩土工程稳定性维护的重要监测手段。但是，目前由于地质环境复杂，操作技术难道较大，微震监测的适用性一直是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展获取方法，将声发射信号中的能量和持续时间作为关键参数，筛选出整个声发射力学试验过程中的有效事件，通过有效事件的演化表征计算岩石在声发射试验过程中的裂纹扩展规律，为地下采矿及岩土工程中岩体稳定性监测提供技术支撑。
本发明的技术方案为：在岩石声发射力学参数中选出能量和持续时间，通过二者的比值得到声发射信号功率；每个声发射事件对应着相应的功率和峰值频率，从功率-峰值频率图中确定声发射信号的主频带和次主频带；结合声发射事件-峰值频率-时间图，利用主频带圈定主频事件，利用次主频带圈定次主频事件；量化分析主频事件和次主频事件；基于主频事件和次主频事件的演化表征计算岩石试样在声发射试验中主裂纹和微裂纹的扩展规律。
进一步的，量化分析主频事件和次主频事件时，需统计主频事件和次主频事件，并通过归一化处理分析其演化规律。
进一步的，将岩石试样在应力-时间曲线与主频事件和次主频事件的时间演化规律结合，获取岩石试样在声发射力学试验中主裂纹和微裂纹的扩展规律。即将演化规律绘制在应力-时间曲线图中，从而以时间为枢纽，将应力、裂纹扩展程度、时间三个因素联系在一起，即可获取任何应力状态下的裂纹扩展规律。
具体来说，按以下步骤进行：
步骤1：将声发射传感器粘贴在岩石试侧壁上，获取岩石的声发射力学数据；
步骤2：根据步骤1获取的声发射力学数据，建立声发射参数表；
步骤3：从声发射力学数据中筛选出能量、持续时间和峰值频率这三项参数；
步骤4：通过能量和持续时间的比值求出声发射信号功率，计算声发射参数表中所有声发射事件的功率；
步骤5：结合步骤4计算出的功率以及步骤3筛选出的峰值频率，绘制功率-峰值频率图；
步骤6：先在功率-峰值频率图中确定最高功率和次高功率，再进一步确定主频带和次主频带，频带宽取值范围为5000～20000Hz；
步骤7：结合声发射事件-峰值频率-时间图，根据步骤6获取的主频带和次主频带所对应的频率，来圈定主频事件和次主频事件；
步骤8：统计主频事件和次主频事件，并通过归一化处理分析其演化规律，即岩石中的主裂纹和次裂纹的演化规律；
步骤9：绘制应力-时间曲线图，并将步骤8中演化的规律绘制在应力-时间曲线图中，以表征岩石试样的裂纹扩展规律。
本发明引入声发射信号功率确定主频带和次主频带，筛选出主频事件和次主频事件来计算分析岩石在声发射力学试验过程中的裂纹扩展规律。将本发明的岩石裂纹扩展计算方法应用到地下工程岩体的微震监测技术中，可以高效实时分析计算地下岩体裂纹演化规律，对地下岩体的稳定性实时监测，大大地提高地下采矿及岩土工程的安全生产保障。本发明可以实现对地下岩土工程稳定性的有效监测，最终实现对地下岩土工程提供良好技术支撑的目的。
本发明的有益效果为：
一、无需大量前期准备工作和后期处理工作，通过声发射力学试验和简单数据处理即可计算裂纹扩展，操作方便易行。
二、能量守恒是自然界的普遍规律，基于声发射事件的能量和做功角度对岩石裂纹扩展进行分析，本发明的计算方法可靠性高。
三、无需应变、损伤等力学状态，只需要得到的声发射信号中能量、持续时间、频率等参数确定有效声发射事件，分析计算岩石裂纹扩展，本发明的计算方法依赖性低，适用性强。
附图说明
图1是本案实施例的工作流程图；
图2是本案实施例中的功率-峰值频率图；
图3是本案实施例中的声发射事件-峰值频率-时间图；
图4是本案实施例中的应力-时间曲线图。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
以50mm×100mm标准圆柱红砂岩的单轴压缩声发射力学试验为例，对岩石试样在声发射力学试验下的裂纹扩展进行获取，如图1所示，包括以下具体步骤：
步骤1：对50mm×100mm标准圆柱红砂岩开展单轴压缩声发射力学试验。将声发射传感器粘贴在岩石试侧壁上，声发射传感器通过数据线连接信号放大器，然后通过数据传输线连接声发射信号采集分析仪和电脑主机。当岩石试样在单轴压缩过程中发生裂纹扩展时，声发射信号传输到电脑主机，通过信号转换，声信号即可转化为数字信号，如表1所示参数表。
步骤2：记录红砂岩试样单轴压缩声发射力学试验数据，如下表1所示，表中序号即为各个声发射信号所对应声发射事件的编号，而表中的声发射参数则指的是各个声发生事件产生时，岩石上的各个参数。
表1红砂岩试单轴压缩力学试验声发射参数
步骤3：从声发射力学试验数据中筛选出能量、持续时间和峰值频率这三项参数。
步骤4：通过能量和持续时间的比值求出声发射信号功率，计算表1中所有声发射事件的功率。
步骤5：将声发射信号功率和峰值频率绘制功率-峰值频率图，如图2所示。声发射信号中的能量与持续时间比值所得到的声发射信号功率，记录着声发射事件对外界做功快慢程度。
步骤6：先在功率-峰值频率图中确定最高功率和次高功率，再进一步确定主频带和次主频带，频带宽取值范围为5000～20000Hz，本实施例中取带宽为10000Hz。此带宽范围能全部包含高功率信号，同时滤除无效信号。如图2所示。
步骤7：结合声发射事件-峰值频率-时间图，其中的时间即为表1中到达时间，根据步骤6获取的主频带和次主频带所对应的频率，来圈定主频事件和次主频事件，如图3所示。主频事件和次主频事件是通过主频带和次主频带唯一确定的，这两种声发射事件对应着声发射信号中的最高功率和次高功率，记录着岩石主裂纹和微裂纹发育过程，是反映岩石产生裂纹的有效声发射信号。
步骤8：统计主频事件和次主频事件，并通过归一化处理分析其演化规律。在归一化处理过程中，本实施例认为岩石试样在单轴压缩结束时的裂纹扩展程度为100％，即岩石试样完成完全的裂纹扩展。在主频带统计主频事件，计算每个时刻累计主频事件与整个试验过程中总主频事件的比值，得到每个时刻主频事件的演化程度，进一步表征岩石试样裂纹的扩展规律。
步骤9：结合岩石试验在声发射力学试验过程中的应力-时间曲线，即可表征岩石试样的裂纹扩展规律，如图4所示，其中的时间即为表1中到达时间。另外，实际应用时的应力则需要通过布置在岩体中的应力传感器进行获取。
在实际应用时，需要获取岩石在时间t内的声发射参数，进而获取到主频事件和次主频事件，然后通过归一化处理分析其演化规律，利用归一化处理的结果绘制出主裂纹和次主裂纹在时间t内的演化曲线，通过对曲线在时间t内是否发生突变进行分析判断，判断其处在线性积累阶段还是突变阶段，如进入突变阶段则认为处于失稳状态。这样，即可通过演化曲线对主裂纹和次主裂纹是否失稳进行不断的监测，以实现对地下岩土工程稳定性的有效监测。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展获取方法，其特征在于，在岩石声发射力学参数中选出能量和持续时间，通过二者的比值得到声发射信号功率；每个声发射事件对应着相应的功率和峰值频率，从功率-峰值频率图中确定声发射信号的主频带和次主频带；结合声发射事件-峰值频率-时间图，利用主频带圈定主频事件，利用次主频带圈定次主频事件；量化分析主频事件和次主频事件；基于主频事件和次主频事件的演化表征计算岩石试样在声发射试验中主裂纹和微裂纹的扩展规律。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展获取方法，其特征在于，量化分析主频事件和次主频事件时，需统计主频事件和次主频事件，并通过归一化处理分析其演化规律。
3.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展获取方法，其特征在于，将岩石试样在应力-时间曲线与主频事件和次主频事件的时间演化规律结合，获取岩石试样在声发射力学试验中主裂纹和微裂纹的扩展规律。
4.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率的岩石裂纹扩展获取方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤1：将声发射传感器粘贴在岩石试侧壁上，获取岩石的声发射力学数据；
步骤2：根据步骤1获取的声发射力学数据，建立声发射参数表；
步骤3：从声发射力学数据中筛选出能量、持续时间和峰值频率这三项参数；
步骤4：通过能量和持续时间的比值求出声发射信号功率，计算声发射参数表中所有声发射事件的功率；
步骤5：结合步骤4计算出的功率以及步骤3筛选出的峰值频率，绘制功率-峰值频率图；
步骤6：先在功率-峰值频率图中确定最高功率和次高功率，再进一步确定主频带和次主频带，频带宽取值范围为5000～20000Hz；
步骤7：结合声发射事件-峰值频率-时间图，根据步骤6获取的主频带和次主频带所对应的频率，来圈定主频事件和次主频事件；
步骤8：统计主频事件和次主频事件，并通过归一化处理分析其演化规律；
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| CN113640389B (zh) * | 2021-10-18 | 2024-04-09 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法及系统 |
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| 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性;刘希灵 等;工程科学学报;20191130;第41卷(第11期);全文 * |
| 岩石单轴压缩条件下不同变形阶段声发射特征研究;李期森;赵奎;周国辉;周永涛;;化工矿物与加工;20180423(第10期);全文 * |
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