CN118067849A - 一种岩石破坏预警方法、系统、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供岩石破坏预警方法,包括:获取岩石实时声发射检测数据;基于临界慢化理论,并根据岩石实时声发射检测数据对岩石状态进行判断,当岩石实时声发射检测数据中的特征值恢复速度变慢时,则该岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变;对岩石实时声发射检测数据,采用滑动窗口法获取多个新序列,形成依次变化的多个相态,提取各个新序列的表征扰动的特征值,并绘制特征值‑时间曲线;计算各个新序列的表征扰动的特征值的相对变化指标,当相对变化指标高于预设的相对变化指标阈值时,触发岩石破坏预警信号。本发明提供的方法获取岩石实时声发射数据中的特征值进行预警,避免了提前采样、采样数据不具备普适性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程技术领域,具体涉及一种岩石破坏预警方法、系统、装置及介质。
背景技术
在岩体工程建设中,诸如矿山开采、隧道开挖和水利工程建设等活动面临着岩体破裂失稳等潜在风险。这种风险可能导致滑坡、岩爆、塌陷以及隧道大变形等一系列地质灾害事故。因此,为了确保人员和生产设备的安全,迫切需要寻求一种具有时效性的监测预警方法。
现有技术公开了对目标监测区域进行样本采样获取岩石样本,在实验室环境对岩石样本进行加载试验,获取岩石样本在破坏过程中的声发射特征,根据声发射信号、声发射特征对目标监测区域进行岩石崩塌预警。
然而,上述技术方案仍存在一些问题需要解决。获取岩石样本在实验室破坏过程中的声发射特征之后,才能应用于正式的现场预警,这种方案效率低,且在岩石样本获得的数据只针对当前特性的岩石,在其余岩体环境中,预警通常会有较大误差。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种岩石破坏预警方法、系统、装置及介质。上述方法有助于高效、便捷的实现岩石破坏预警。
本发明提供一种岩石破坏预警方法,包括:
获取岩石实时声发射检测数据;
基于临界慢化理论,并根据岩石实时声发射检测数据对岩石状态进行判断,当岩石实时声发射检测数据中的特征值恢复速度变慢时,则该岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变;
对岩石实时声发射检测数据,采用滑动窗口法获取多个新序列,形成依次变化的多个相态,提取各个新序列的表征扰动的特征值,并绘制特征值-时间曲线;
计算各个新序列的表征扰动的特征值的相对变化指标,当相对变化指标高于预设的相对变化指标阈值时,则该特征值为特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值,触发岩石破坏预警信号。
优选的,所述提取各个新序列的表征扰动的特征值,包括以下步骤:
根据采样频率和数据量,确定岩石实时声发射检测数据的窗口长度和滞后步长,获取窗口长度的序列滞后步长得到的多个新序列;
计算各个新序列的方差,作为表征扰动的特征值。
优选的,所述计算各个新序列的方差包括:
方差D表示为:
D为方差,n为数据的总数量,表示第i个数据,/>为数据的平均值,s为均方差;
将滞后长度为j的自相关系数表示为:
存在周期为的受扰波动,在波动过程中,恢复速率为/>,在回归模型中表示为:
其中,为系统变量到平衡态偏移量,/>为符合正态分布的随机量。若/>不依赖于/>,则/>表示为:
其中,;
当岩石向破坏临界点趋近时,扰动导致的恢复速率趋近于0,且自相关系数趋近于1,方差趋近于无限大,将方差增大作为岩石趋于破坏临界点的前兆;
方差计算公式为:
。
优选的,特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值的判断,包括以下步骤:
预设方差的相对变化指标,并计算相邻新序列的方差的相对变化指标;
当相邻新序列的方差的相对变化指标高于预设的方差相对变化指标,则该方差为恢复速度变慢的特征值。
优选的,所述相邻新序列的方差的相对变化指标表示为:
其中,为方差的变化速率,/>为方差的极限变化速率。
优选的,提取各个新序列的表征扰动的特征值还包括:
计算各个新序列的自相关系数,作为表征扰动的特征值。
优选的,所述计算各个新序列的自相关系数包括:
方差D表示为:
D为方差,n为数据的总数量,表示第i个数据,/>为数据的平均值,s为均方差;
将滞后长度为j的自相关系数表示为:
。
本发明提供一种岩石破坏预警系统,用于实现任一项所述的一种岩石破坏预警方法,所述岩石破坏预警系统包括:
获取数据模块,用于获取岩石实时声发射检测数据;
临界慢化判断模块,用于基于临界慢化理论,并根据岩石实时声发射检测数据对岩石状态进行判断,当岩石实时声发射检测数据中的特征值恢复速度变慢时,则该岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变;
数据处理模块,用于对岩石实时声发射检测数据,采用滑动窗口法获取多个新序列,形成依次变化的多个相态,提取各个新序列的表征扰动的特征值,并绘制特征值-时间曲线;
监测预警模块,用于计算各个新序列的表征扰动的特征值的相对变化指标;
当相对变化指标高于预设的相对变化指标阈值时,则该特征值为特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值,触发岩石破坏预警信号。
本发明提供一种岩石破坏预警装置,其特征在于,所述装置包括:
处理器;
存储器,其上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序;
其中,所述计算机程序被所述处理器执行时实现任一项所述的一种岩石破坏预警方法的步骤。
本发明提供一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有数据处理程序,所述数据处理程序被处理器执行时实现任一项所述的一种岩石破坏预警方法的步骤。
与现有技术相比,本发明提供的岩石破坏预警方法、系统、装置及介质具备以下有益效果:直接在岩石现场获取岩石实时声发射检测数据,根据滑动窗口法获得声发射检测数据的方差变化,根据预设的规则设定方差变化的预警特征点,进而直接触发预警信号,避免了提前采样、采样数据不具备普适性的问题。
附图说明
图1为第一实施例提供的岩石破坏预警方法的流程图。
图2为第一实施例涉及的窗口长度和滞后步长的示意图。
图3为第二实施例中采用岩石破坏预警方法在实验室模拟环境下的方差预警曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
本发明第一实施例提供一种岩石破坏预警方法。以下结合图1-图2对本发明第一实施例提供的一种岩石破坏预警方法进行详细说明。
步骤S101,获取岩石实时声发射检测数据。
本步骤用于获取实时的岩石声发射检测数据。
声发射检测是一种用于检测岩石内部微小位移和裂缝扩展的技术,当岩石受到应力作用时,会发出微小的声波,通过检测这些声波可以了解岩石的状态。获取岩石实时声发射检测数据通常需要使用专门的设备和技术。声发射检测设备通常包括传感器、放大器、数据采集系统等设备。其中,数据采集系统会记录岩石内部的声波信号,并将其转换成数字数据进行存储和分析。
本发明中获取的岩石声发射检测数据类型包括上升时间、持续时间、、峰值频率、振铃计数,考虑到振铃计数可以捕捉到岩石破坏时产生的微小振动,对于岩石破坏的监测更为敏感和准确,因此,优选的数据类型为振铃计数。
步骤S102,基于临界慢化理论,并根据岩石实时声发射检测数据对岩石状态进行判断,当岩石实时声发射检测数据中的特征值恢复速度变慢时,则该岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变。
所述临界慢化理论,是指在自然和人工系统中,当系统接近临界点时,系统对外部干扰的敏感性增加,表现为系统恢复到平衡状态的速度变慢的现象。在本发明中,若岩石破坏,即岩石从稳定状态向破坏状态转变时,就会在靠近破坏临界点附近出现有利于新相态形成的分散涨落现象,这种分散涨落表现为幅度的增大和涨落时间的拉长,扰动后恢复速度变慢以及恢复到旧相的能力变小等现象,该现象称为临界慢化现象。
步骤S103,对岩石实时声发射检测数据,采用滑动窗口法获取多个新序列,形成依次变化的多个相态,提取各个新序列的表征扰动的特征值,并绘制特征值-时间曲线。
本步骤用于岩石实时声发射检测数据中获取表征扰动的特征值。多个新序列可看做临界慢化理论中依次变化的多个相态,用多个相态中表征扰动的特征值的变化来观测岩石扰动后出现恢复速度变慢的现象。
所述提取各个新序列的表征扰动的特征值,包括以下步骤:
根据采样频率和数据量,确定岩石实时声发射检测数据的窗口长度和滞后步长,获取窗口长度的序列滞后步长得到的多个新序列;
计算各个新序列的方差,作为表征扰动的特征值。
窗口长度和滞后步长可以影响临界慢化的观察和检测。窗口长度指的是在时间序列中取样的时间段长度,而滞后步长则是指在计算自相关性系数时所采用的时间间隔。这两个参数的选择可以影响到对临界慢化的观察和检测:较长的窗口长度可以提供更多的数据用于分析,有助于更准确地观察到临界慢化的特征。然而,过长的窗口长度可能会导致数据的平均化,使得临界慢化的信号被模糊化。
较小的滞后步长可以提供更高的时间分辨率,有助于更精细地观察到临界慢化的特征。然而,过小的滞后步长可能会导致噪音增加,使得信号被掩盖。因此,滞后步长的选择也需要考虑到信号和噪音的平衡。
在本发明中,窗口长度和滞后步长还需要考虑到信号的采样频率和数据量,具体设置视实际预警情况而定。
请参看图2,该图为窗口长度和滞后步长的示意图。在声发射检测数据中,根据实际预警情境设定窗口长度B,得到选定窗口长度的序列C,设定滞后步长A,得到滞后长度为A的新序列D,在声发射检测的总数据中,将会得到滞后步长A多个新序列。
本申请主要通过方差的变化来预警岩石转变的临界点,来观测临界慢化现象,即当岩石相态改变时,方差表现出增加的趋势。
获取到上述多个新序列后,逐一对其计算方差,计算方式为:
方差是描述样本中数据对平均值偏离程度的特征量,方差D表示为:
D为方差,n为数据的总数量,表示第i个数据,/>为数据的平均值,s为均方差;
自相关系数是描述同一变量不同时刻之间的相关性统计量,将滞后长度为j的自相关系数表示为:
存在周期为的受扰波动,在波动过程中,恢复速率为/>,呈近似指数关系,在回归模型中表示为:
其中,为系统变量到平衡态偏移量,/>为符合正态分布的随机量。若/>不依赖于,则/>表示为:
其中,;
当岩石向破坏临界点趋近时,扰动导致的恢复速率趋近于0,且自相关系数趋近于1,方差趋近于无限大。因此,方差增大可作为岩石趋于破坏临界点的前兆;
方差计算公式为:
。
步骤S104,计算各个新序列的表征扰动的特征值的相对变化指标,当相对变化指标高于预设的相对变化指标阈值时,则该特征值为特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值,触发岩石破坏预警信号。
该步骤用于利用特征值的变化获取岩石破坏的临界点,结合上文中对临界慢化理论的解释,扰动后恢复速度变慢,即特征值恢复速度变慢代表岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变。
当多个新序列的特征值为方差时,特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值的判断,包括以下步骤:
预设方差的相对变化指标,并计算相邻新序列的方差的相对变化指标;
当相邻新序列的方差的相对变化指标高于预设的方差相对变化指标,则该方差为恢复速度变慢的特征值。
相邻新序列的方差的相对变化指标表示为:
其中,为方差的变化速率,/>为方差的极限变化速率;若方差的相对变化指标高于预设值,则获取到恢复速度变慢的特征值。
在本发明中,将声发射检测数据的方差的相对变化指标与某个预先设定的阈值进行比较,以判断方差的变化是否显著或是否超过了某种标准。预设值可在实际预警场景中灵活调整。
本发明实施例二提供在实验室中针对岩石样本在单轴压缩试验环境下,采用实施例一中的岩石破坏预警方法的实施过程。
对岩石样品开展室内单轴压缩试验,并同时进行实时声发射检测,获取岩石实时声发射检测数据,其中岩石实时声发射检测数据为振铃计数;
将采集的声发射数据利用临界慢化理论计算声发射检测数据的方差;其中,将采集声发射数据的窗口长度和滞后长度分别设置为300和100。实际操作过程中,窗口长度和滞后长度可以有所变动,只要保证良好的统计效果即可。
绘制方差-时间曲线,方差-时间曲线中出现恢复速度变慢的特征值时,触发岩石破坏预警信号。
请参看图3,该图为采用实施例一中的岩石破坏预警方法在实验室模拟环境下的方差预警曲线图。将采集声发射数据的窗口长度和滞后长度分别设置为300和100后,得到数个滞后长度为100的新序列,采用临界慢化理论计算所有新序列的方差,以横轴为时间,纵轴为方差,绘制方差-时间曲线如图3。在实验中,计算方差的相对变化指标,与预设经验值比较,触发预警信号,此时,岩石样品处于破坏临界值,触发岩石样品破坏预警信号,从图中也可以看出,触发预警信号的点的恢复速度变慢。
提取各个新序列的表征扰动的特征值还包括:计算各个新序列的自相关系数。本申请还可以通过自相关系数的变化来预警岩石破坏。
计算各个新序列的自相关系数包括:
方差D表示为:
D为方差,n为数据的总数量,表示第i个数据,/>为数据的平均值,s为均方差;
将滞后长度为j的自相关系数表示为:
本发明实施例三提供一种岩石破坏预警系统,所述岩石破坏预警系统包括:
获取数据模块,用于获取岩石实时声发射检测数据;
临界慢化判断模块,用于基于临界慢化理论,并根据岩石实时声发射检测数据对岩石状态进行判断,当岩石实时声发射检测数据中的特征值恢复速度变慢时,则该岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变;
数据处理模块,用于对岩石实时声发射检测数据,采用滑动窗口法获取多个新序列,形成依次变化的多个相态,提取各个新序列的表征扰动的特征值,并绘制特征值-时间曲线;
监测预警模块,用于计算各个新序列的表征扰动的特征值的相对变化指标;
当相对变化指标高于预设的相对变化指标阈值时,则该特征值为特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值,触发岩石破坏预警信号。
本发明实施例四提供一种岩石破坏预警装置,所述装置包括:
处理器;
存储器,其上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序;
其中,所述计算机程序被所述处理器执行时实现如实施例一中任一项所述的一种岩石破坏预警方法的步骤。
本发明实施例五提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有数据处理程序,所述数据处理程序被处理器执行时实现如实施例一中任一项所述的一种岩石破坏预警方法的步骤。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种岩石破坏预警方法,其特征在于,包括:
获取岩石实时声发射检测数据;
基于临界慢化理论,并根据岩石实时声发射检测数据对岩石状态进行判断,当岩石实时声发射检测数据中的特征值恢复速度变慢时,则该岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变;
对岩石实时声发射检测数据,采用滑动窗口法获取多个新序列,形成依次变化的多个相态,提取各个新序列的表征扰动的特征值,并绘制特征值-时间曲线;
计算各个新序列的表征扰动的特征值的相对变化指标,当相对变化指标高于预设的相对变化指标阈值时,则该特征值为特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值,触发岩石破坏预警信号。
2.根据权利要求1所述的一种岩石破坏预警方法,其特征在于,所述提取
各个新序列的表征扰动的特征值,包括以下步骤:
根据采样频率和数据量,确定岩石实时声发射检测数据的窗口长度和滞后步长,获取窗口长度的序列滞后步长得到的多个新序列;
计算各个新序列的方差,作为表征扰动的特征值。
3.根据权利要求2所述的一种岩石破坏预警方法,其特征在于,所述计算
各个新序列的方差包括:
方差D表示为:
D为方差,n为数据的总数量,表示第i个数据,/>为数据的平均值,s为均方差;
将滞后长度为j的自相关系数表示为:
存在周期为的受扰波动,在波动过程中,恢复速率为/>,在回归模型中表示为:
其中,为系统变量到平衡态偏移量,/>为符合正态分布的随机量,若/>不依赖于/>,则/>表示为:
其中,;
当岩石向破坏临界点趋近时,扰动导致的恢复速率趋近于0,且自相关系数趋近于1,方差趋近于无限大,将方差增大作为岩石趋于破坏临界点的前兆;
方差计算公式为:
。
4.根据权利要求3所述的一种岩石破坏预警方法,其特征在于,特征值-
时间曲线中恢复速度变慢的特征值的判断,包括以下步骤:
预设方差的相对变化指标,并计算相邻新序列的方差的相对变化指标;
当相邻新序列的方差的相对变化指标高于预设的方差相对变化指标,则该方差为恢复速度变慢的特征值。
5.根据权利要求4所述的一种岩石破坏预警方法,其特征在于,所述相邻新序列的方差的相对变化指标表示为:
其中,为方差的变化速率,/>为方差的极限变化速率。
6.根据权利要求1所述的一种岩石破坏预警方法,其特征在于,所述提取各个新序列的表征扰动的特征值还包括:
计算各个新序列的自相关系数,作为表征扰动的特征值。
7.根据权利要求6所述的一种岩石破坏预警方法,其特征在于,所述计算各个新序列的自相关系数包括:
方差D表示为:
D为方差,n为数据的总数量,表示第i个数据,/>为数据的平均值,s为均方差;
将滞后长度为j的自相关系数表示为:
。
8.一种岩石破坏预警系统,其特征在于,用于实现如权利要求1-7任一项所述的一种岩石破坏预警方法,所述岩石破坏预警系统包括:
获取数据模块,用于获取岩石实时声发射检测数据;
临界慢化判断模块,用于基于临界慢化理论,并根据岩石实时声发射检测数据对岩石状态进行判断,当岩石实时声发射检测数据中的特征值恢复速度变慢时,则该岩石受扰动,从正常相态向破坏相态转变;
数据处理模块,用于对岩石实时声发射检测数据,采用滑动窗口法获取多个新序列,形成依次变化的多个相态,提取各个新序列的表征扰动的特征值,并绘制特征值-时间曲线;
监测预警模块,用于计算各个新序列的表征扰动的特征值的相对变化指标;
当相对变化指标高于预设的相对变化指标阈值时,则该特征值为特征值-时间曲线中恢复速度变慢的特征值,触发岩石破坏预警信号。
9.一种岩石破坏预警装置,其特征在于,所述装置包括:
处理器;
存储器,其上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序;
其中,所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种岩石破坏预警方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有数据处理程序,所述数据处理程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种岩石破坏预警方法的步骤。
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