[发明专利]一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法

权利要求书

1.一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1标准岩石试件的制备

S2声发射震源定位

标准岩石试件上布置6个发射传感器，声发射传感器采用对称布置；

采用RSM-RCT(B)声波仪对岩石纵波波速进行测试，测试次数不少于5次，并取平均值作为震源定位的计算参数；

根据试验目的不同，声发射震源定位试验加载方式选择位移控制或应力控制；其中，位移控制时试验机以一定的位移速率对岩石加载；力控制时试验机以一定的应力速率对岩石进行加载；

不同的岩石在不同测试环境下声发射参数不尽相同；

对岩石进行加载直至岩石破坏，在此过程中同时进行声发射监测；声发射震源坐标可通过最小二乘法、单纯形算法计算得到；同时，也可由声发射仪直接得到；

通过提取各震源坐标，得到岩石破坏过程中时空演化特征，得到岩石破坏过程中震源时空演化曲线；

S3声发射震源类型辨识

声发射震源类型辨识包括：(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取；(2)矩张量求解两部分；

采用矩张量分析方法对声发射震源类型辨识；

所述的声发射震源类型辨识，具体包括以下子步骤：

(1)P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取

1)根据赤池信息理准则(AIC)，采用F_C3作为拾取P波到达时间的特征函数，同时选择信号起点至能量变化最大点作为检测区间；按式(1)计算AIC函数值：

AIC(k_w)＝k_w·log(var(R_w(1,k_w)))+(n_w-k_w-1)·log(var(R_w(1+k_w,n_w))) (1)

式中：R_w、k_w—分别为所选窗口的时间序列与所有的时间序列；

var—为方差函数；

2)将AIC函数最小点作为P波到达时间t_i；

3)以t_i之后振幅中第一个最值点作为初动振幅A_i的值；

对于6个声发射传感器，可求出6组P波到达时间t_i和初动振幅A_i；

(2)矩张量求解

通过提取六个有效信号的初动振幅A_i，以及震源与传感器的距离R和方向余弦r；按式(2)求解矩张量M六个独立分量：

式中：A(x)—为初动振幅；

R,r—声源与传感器之的距离，及其方向余弦，可由传感器坐标与震源坐标计算得到；

C_S—传感器灵感度相关系数，可通过断铅方式进行标定；

Ref(t,r)—反应系数，可通过断铅试验进行标定，通常取2；

由于矩张量各元素关于对角线对称，即m_ij＝m_ji；在已知6个传感器对应的初动振幅A(x)、声源与传感器之的距离R，及其方向余弦r，传感器灵感度相关系数C_S与反应系数Ref(t,r)条件下，矩张量各元素m_ij可完成求解；

(3)震源类型辨识

1)由矩张量可求得对应的3个特征值，其中最大、中间与最小的特征值定义分别定义为λ_max、λ_int、λ_min；

2)对3个特征值进行归一化处理，可得到X,Y,Z；其中X＝λ_max/λ_max,Y＝λ_int/λ_max，Z＝λ_min/λ_max；

3)求解方程组(3)

4)根据X值，按式(4)对震源类型进行辨识

相应的在岩石破坏过程中震源时空演化曲线的基础上，通过提取不同类型震源X、Y、Z轴坐标，得到岩石破坏过程中不同类型震源的时空演化特征；

S4不同类型声发射震源主频或主频带的计算

(1)主频或主频带计算方法

声发射震源主频或主频带可采用小波分析方法、小波包分析方法、傅里叶变换等计算得到；

(2)选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，作为计算不同类型震源主频或主频带的对象

对同一个震源，选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，用于不同类型震源主频或主频带的计算；

在试验前需设置一阈值，该阈值用电压值表示；当外界信号引起的电压值大于设定的阈值时，声发射仪才会记录相应的信息，并将此时间作为声发射仪记录时间，并且该记录时间不是声发射信号真实到达相应传感器的时间，两者之间的差值Δt为P波到时t(i)，即Δt＝t(i)；

声发射信号真实达到传感器的时间T_or等于声发射仪记录的到达时间T_av与P波到时t(i)之和，见式(8)：

T_or＝T_av+t(i) (8)

式中：T_or—声发射信号真实达到传感器的时间；

T_av—声发射仪记录的到达时间，可由声发射仪直接读取；

t(i)—P波到时，可通过计算AIC，结合P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取得到；

对于同一个震源，选取最小的T_or所对应的波形文件，用于不类型震源主频或主频带的计算；

步骤(2)选取真实到达时间最小值所对应的波形文件，作为计算不同类型震源主频或主频带的对象，以采用小波包分析方法对不同类型震源主频进行计算：

1)提取震源真实到达时间最小值所对应的波形文件；

2)按(5)计算波形第4层各节的能量

式中x_j,k(j＝0,1,2,…15,k＝1,2,…m)——为信号S_4,j的离散点的幅值；

m——为信号离散采样点数；

3)则声发射总能量可由式(6)得到：

4)每个频带对应的能量占声发射信号总能量百分比为：

5)取E_j的最大值作为该震源的主频或主频带值；

S5岩石破坏预测方法：

1)建立不同类型震源主频或主频带与岩石破坏过程中应力、应变之间的关系；

2)将某类震源主频或主频带唯一性，作为预测某类岩石在某种加载方法或条件下破坏的定量预测方法。