岩石声发射Kaiser点信号频带能量分布和分形特征研究

通过单轴加载岩石破坏全过程声发射试验,根据Kaiser效应原理采用参数法确定了Kaiser点.在此基础上,首先采用小波包频带分解方法,对岩石声发射Kaiser点信号的能量分布特征进行了研究,分析了砂岩声发射信号的不同频带能量分布规律,得到了Kaiser点特征频带能量百分比大于相邻点的重要结论.其次,采用G-P算法计算了声发射过程关联分维数,结果表明声发射过程不仅具有分形特征,而且Kaiser点声发射信号关联分维数小于其相邻点,其结论可作为通过波形分析识别Kaiser点的特征.     

基于小波包分析的岩石声发射测量地应力

根据目前岩石声发射确定Kaiser点存在的问题采用小波包分析研究方法,在单轴加载岩石声发射试验的基础上,首先提出了基于小波包变换的Kaiser点信号的信噪分离方法,其次确定了Kaiser点信号的频率范围,最后利用小波包分析对岩石声发射信号的能量分布特征进行研究,得到了砂岩Kaiser点信号的特征频带。结果表明,小波包分析是处理岩石声发射Kaiser点信号的一种有效的方法,进而为AE法测量地应力确定Kaiser点奠定了一定的试验基础。     

声发射测量地应力方法中Kaiser点确定方法的优选与分析

准确确定Kaiser点是研究声发射测量地应力的关键.通过对模拟岩心的水泥块进行单轴受压破坏过程的声发射试验,得到了试件在试验过程中的应力-应变曲线、应力、声发射强度、声发射累积数与时间的关系图.分别对试样用突变点法、最大曲率法、双切线法、重加载法（抹录不尽现象、两次加载相减法）、多方面综合判定法以及声发射强度信号的统计分析法进行了分析.从不同的方面认识了试样的Kaiser点的特性,总结并分析了确定Kaiser点的方法以及各自的适应性,并进行了优选.研究表明,试验确定了试样的物理特性,各种方法都能从不同角度和机理上解释Kaiser点现象,综合判定法能相对更加全面、准确地确定Kaiser点.     

岩石声发射混沌特征分析

岩石等脆性材料在加载过程中,随着荷载的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料破坏的良好工具。对砂岩、细砂岩和高丽山砂岩3类岩石进行了声发射试验,记录了加载及破坏过程中产生的声发射信号,并且采用混沌动力学理论研究了3类岩石的声发射活动规律,计算了岩石的关联维数和最大Lyapunov指数。研究结果表明,岩石加载及破坏过程具有混沌特征,用相空间重构法可以较好地揭示岩石破坏过程的动力学特征,这为混沌理论在岩石、岩体声发射其他领域的研究及应用奠定了基础。     

声发射Kaiser效应在地应力测量中的应用现状

对近20年来岩石声发射测量地应力的研究现状进行了分析,介绍了声发射的原理和机理及试样的空间定位方法。利用弹性力学原理推导了声发射方法测定地应力的空间6向和4向的计算过程,对应有两种常用的取样方式。系统地阐述了影响声发射地应力测量的因素、Kaiser点的确定方法以及信噪处理技术,简单介绍了不同于传统利用声发射测量地应力的另外两种方法。对声发射测量地应力中存在的问题和研究趋势进行了分析。      

单轴压缩条件下闪长岩的声发射特征

外荷作用下的岩石变形破坏过程可以用岩石声发射特征来反映。本文以闪长岩为研究对象,将岩芯沿与岩芯轴线夹角分别为0°、45°、90°方向加工成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱状试样,进行了试样的单轴压缩试验和声发射试验,将声发射特征参数(包括振铃计数、事件数、能量)用瞬时参数与累计参数来表征,分析了岩石变形破坏过程中声发射特征参数的变化情况,研究了传感器位置对声发射参数的影响,提出了Kaiser点的确定方法。结果表明,根据振铃计数与声发射事件数,声发射过程可分成声发射活跃期和声发射平静期;声发射活跃期共有三次,每次持续时间均短暂且均伴随着裂隙的产生与扩展,声发射平静期共有两次、分别发生于新生裂隙出现之后和岩石完全破坏之前;能量在岩石完全破坏前一段时间内释放较少,在岩石破坏时释放很多;传感器位于试样上部和下部时声发射特征参数整体变化趋势一致,但位于下部时声发射参数变化更具有明显的三次声发射活跃期和两次声发射平静期; Kaiser点可以结合声发射特征瞬时与累计参数准确确定。研究成果对分析岩石的变形破坏机理具有一定的参考价值。 更多还原     

利用岩石声发射凯塞效应测定岩体地应力

将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征可划分为加载初期、压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、砂岩破坏阶段5部分。利用岩样声发射信号的特征,确定出岩石的凯塞效应点与其裂纹稳定扩展阶段的起始点相对应,并进一步得出岩石凯塞效应点的上限为裂纹稳定扩展阶段的终点,裂纹非稳定扩展阶段的起始点。凯塞效应点受岩样两端面的平行度、压机加载速率等有关,岩样端面不平整,在加载初期会有强烈的声发射信号;压机加载速率过大,声发射信号可能显示不出来或被后续更强的声发射信号所掩盖。计算出深度为670m处巷道周围天然应力3个主应力的大小和方向,与在现场用应力解除法和水压致裂法测得的天然应力相比,其数值基本一致,但方向存在一定的偏差。     

利用定向岩心进行AE法原地应力测量

在北京市房山区迎风坡花岗闪长岩300m深钻孔中,采用以水泥端帽法为主的岩心定向技术,并在钻进和取心过程中采取特殊措施,在钻孔中距地表25m~301m整个深度段内取得了直径86mm的定向岩心。对深度294m的定向岩心进行了声发射Kaiser效应试验。岩石试件为圆柱形,直径30mm,高度75mm.在垂直方向,利用声发射Kaiser效应估计的垂直主应力为7.7MPa;在294m岩体静岩压力为7.9MPa;两者基本相同。在水平面内,对4个方向的试件进行声发射Kaiser效应试验,得到相应的各个方向的压应力,由此估算的水平最大和最小主应力分别为21.2MPa和12.1MPa.水平面内最大主应力的方向基本为SN方向。将声发射Kaiser效应测量结果与水压致裂法的测量结果进行对比,二者具有很好的一致性。      

不同加载条件下陕西华山花岗岩破坏过程的声发射特性

对陕西华山花岗岩试样进行单轴和常规三轴破坏过程的声发射参数测试,研究单轴和三轴两种应力条件下花岗岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,两种加载条件下,声发射特征均基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,单轴下峰值应力前声发射平台现象明显,三轴下未出现明显声发射平台。弹性阶段内声发射信号均比较少,进入塑性阶段后声发射信号开始密集出现;破坏过程中声发射幅值主要范围都集中在40~100dB;在岩样破坏之前,都会出现事件计数、振铃计数率和累计释放能量逐渐升高的过程;达到峰值强度时,均出现振铃计数率和累计释放能量跳跃性的增长,因此可以将振铃计数率和累计释放能量的突增作为岩样破坏的前兆。此外,研究发现此花岗岩的声发射特征与其承载的路径密切相关,从而进一步验证了岩石材料声发射中的Kaiser效应。     

岩石声速与其损伤及声发射关系研究

首先,建立了单轴压缩过程岩石损伤参量、应变与声速之间的定量关系式,分析了不同均质度对单轴压缩过程岩石声速的影响,结果表明,随着均匀度的增加,单轴压缩过程中声速由平缓变化到急剧变化,这与已有的岩石声发射数值模拟分析结果是一致的;其次,根据建立的声速与应变的关系公式,通过单轴压缩过程岩石声速与应变实测结果的回归分析,得到了具有较高精度的回归方程,从而通过试验验证了所建立的关系式的正确性;最后,从损伤的角度讨论了单轴压缩过程岩石声速与声发射的关系,得出了Kaiser点应位于声速初始下降点附近的结论,为岩石声发射测量地应力试验中Kaiser点的确定提供了新的方法。     

压裂微震数据初至拾取的时频谱熵法

在油气田开发过程中,微震监测是获得水力压裂引起裂缝分布的一种较为有效的方法。微震的定位成像与裂缝解释需要利用有效微震信号位置,而微震信号具有低信噪比的特点,传统信号拾取方法无法有效实现较低信噪比条件下初至时刻的准确拾取。本文提出一种基于时频谱熵的初至拾取新方法,该方法首先通过S变换获取含噪信号的时频谱;然后对谱内各个采样点沿频率方向进行分帧操作,并计算每帧频段内的近似负熵值,以最小近似负熵值作为该谱点的负熵值;最后沿时间方向比较各谱点的负熵值,最小值对应的时刻即为初至时刻。本文利用不同信噪比的合成地震数据对该方法进行效果验证,并与长短时窗能量比（STA/LTA）法进行拾取结果对比,结果表明：信噪比在-5 dB时,两种方法拾取效果都很好;信噪比在-10 dB时,时频谱熵法拾取效果更好。时频谱熵法更适合低信噪比情况下的信号初至拾取。     

Eigendecomposition of TDR waveforms: a novel method to determine water content and pore fluid concentration of sandy soils

In this study, an incident pulse signal of several harmonics (i.e., multiples of the fundamental frequency) was used as a source in the time domain reflectometry (TDR) probing technique. Reflected signals were captured by an oscilloscope and their characteristics were determined via eigendecomposition. Autoregressive modeling and singular value decomposition were used to calculate the eigenvalues and the most significant ones were identified based on power spectrum. A multivariate statistical analysis was performed for the two most dominant eigenvalues, which are dependent on water content and salt concentrations, and regression equations were obtained. To determine the water content and salt concentrations in terms of the first and second eigenvalues, a modified Powell hybrid algorithm was used to solve the obtained system of nonlinear equations. Actual and predicted results are in agreement indicating that the developed method is very successful in predicting water content and salt concentrations. Furthermore, on comparing the eigendecomposition method with Fourier spectral analysis, one can observe that the former is superior in predicting water content and salt concentrations.     

复小波频谱分析方法及在储层预测中的应用

针对短时窗傅立叶变换频谱分析方法存在窗函数选取不确定、分辨率固定、频谱分析精度较低等问题,采用了复小波分析方法对地震信号进行时频分析,选择复Morlet小波作为分析小波,对地震信号进行复小波变换,并将尺度域转换到频率域,获得了不同频率的时频特征水平切片;用理论模型说明了复小波频谱分析精度明显高于傅立叶变换的频谱分析.对新疆某油田实际资料的处理结果表明,复小波频谱分析能细致地反映储层的分布、位置及形态,其效果优于短时窗傅立叶变换方法.     

含水砂岩在破坏过程中的频谱特性分析

通过对含水砂岩进行单轴加载声发射试验,获取声发射信号。对整个加载过程声发射信号进行FFT变换,发现随着加载地进行,声发射信号的峰值频率由60 kHz下降到40 kHz,平均主频比自然状态下的砂岩平均主频降低了1 kHz;通过分析能量和岩石声发射事件数之间的关系,发现能量与对应声发射事件数之间的比值越大,说明能量是由较大的破裂导致的,而能量值与对应声发射事件数之间的比值越小（数量级在104以下）,说明能量是由多个小破裂同时产生积聚而成的;用Welch法做功率谱估计,发现得到的声发射信号其功率谱大致分为A、B两种,B类功率谱对应信号的相位突变性强。选取一些较大能量信号,计算这些信号出现之前的B类型功率谱出现的几率,发现越接近破裂出现B类型功率谱的几率越大。研究结果为分析岩石破裂全过程的声发射特性提供了一条新的思路,也为声发射应用于岩石破裂失稳预报奠定了一定的工作基础。     

基于相位差时延估计法的岩石声发射源定位研究

针对岩石力学试验声发射时差定位算法中时延估计精度受诸多不确定因素的影响问题,提出全相位相位差法时延估计,通过小波分解与全相位频谱分析相结合求解相位差得到声发射信号的时延估计。利用小波分解找到不同传感器接收到的声发射信号中的同一主频的子带信号;对这些同一主频的子带信号分别做全相位频谱分析,得到每个子带信号中间样点的相位,再根据相位差与时间差的关系求出声发射信号到达不同传感器之间的时间差;进而利用时差定位法反演声发射源,实现了声发射源更精确的定位。在花岗岩（50 mm×100 mm×50 mm）上进行断铅试验,选取10个测点,经声发射监测验证结果表明,该时延估计方法能有效地减小声发射源定位的误差,提高声发射源的定位精度,平均绝对误差比美国PCI-2型声发射仪器定位结果提高约3 mm,该方法为反演声发射源提供了一种有效途径。     

基于小波包的地下洞室群地震响应及其频谱特性研究

基于有限差分数值模拟,在合理选择地震动力分析阻尼参数的条件下,开展白鹤滩水电工程13#机组剖面地下洞群围岩地震响应研究,并结合小波包变换方法从加速度峰值及振动能量角度评价了地震波在岩体中的传播规律及洞室群不同区域地震响应的频谱特征。结果表明：地震波传播过程中强度随高程增加而增加,层间错动带有一定减震作用;小波包分解可以较全面地给出地震响应成分的频率分布;地震波的高频分量在岩体传播过程中逐渐衰减;在地下洞室群附近,岩体地震响应的加速度峰值和振动能量频谱特征以1～3 Hz频段为主,其他频段对岩体地震响应影响较小。