基于全相位多次互相关的Geiger声发射源定位方法

直接互相关在岩石声发射源定位中,会出现多次峰值与波形密集的问题,在求解过程中会出现无解的情况且定位精度不足,为了解决这些问题,提出一种基于全相位快速傅里叶变换（FFT）分析及多次互相关的岩石声发射源定位的算法。通过对50 mm×100 mm×50 mm的花岗岩进行断铅试验,利用小波变换对互相关分析的频谱进行预处理,同时发挥全相位FFT的相位不变性的优点,找出波形峰值,得到时间差,最后利用最小二乘法得到定位初始点,再通过Geiger迭代,得到最终定位坐标。在选取8个测点的基础上,经声发射监测试验结果表明：该方法比单独直接互相关更容易找到波峰,且波形清晰,初始点的选择有效解决了Geiger迭代法对初始值要求严格的问题,通过全相位分析及多次互相关计算,然后Geiger程序迭代,得到的定位结果比直接互相关精度更高,平均绝对误差比美国生产PCI–2型声发射仪器Geiger定位的结果低 2.40 mm,比基于多次互相关和Geiger算法的声发射源定位结果低3.31 mm,比全相位相位差法声发射测试时间延迟定位结果低1.74 mm 。     

基于小波变换的岩石声发射信号互相关分析及时延估计

声发射全波形采集为基于波形分析的声源定位方法提供了可能。声发射源定位方法中最常用的是时差定位方法,因此,时差获取精确与否直接影响定位的精度。借助于小波变换和互相关技术研究声发射信号的时延估计,首先利用小波分析技术对信号进行分解,确定有意义信号的频带宽度,再提取分解后的相应频带的小波系数,利用互相关技术计算出该频带信号到达各传感器的时差,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。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,为准确反演声发射源提供了一种有效途径。     

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。     

基于改进灰狼算法的岩石声发射定位研究

针对岩石力学试验中传统的声发射定位算法存在局限性,将灰狼算法(GWO)引入声发射定位研究中,该算法模仿了狼群的领导阶层与狩猎机制,用α、β、δ和ω 4种灰狼来模拟头狼领导,通过搜寻猎物、包围猎物和攻击猎物3个步骤实现目标的发现到捕获的全过程。在原始灰狼算法的基础上,针对其局部搜索能力欠佳的缺陷,修改收敛因子递减方式和淘汰最劣个体,提出基于种群记忆淘汰制的改进灰狼算法(BGWO)。基于预制裂隙岩石试件单轴压缩声发射试验结果,对比分析BGWO、GWO、引力搜索法(GSA)、Geiger算法、最小二乘法(LS)算法等5种定位算法的性能,发现改进后的BGWO算法在声发射定位搜索效率、搜索精度、稳定性和试验结果模拟方面效果优于其他算法。     

基于岩石声发射信号的指数衰减型小波基构造

通过对小波变换中原函数与小波基函数关系描述发现,通用小波基函数Morlet小波、Marr小波、DOG小波、Haar小波、Daubechies小波等在满足容许条件的基础上,光滑性和紧支撑性不能同时具备的问题。在用小波分析方法研究岩石声发射信号中,困难的是找到合适的小波基函数。根据试验所得岩石声发射信号特征,采用冲击脉冲作用于二阶弱阻尼振动单位脉冲函数作为岩石声发射信号小波分析的基础函数。为拟合岩石声发射信号,提出3个构造条件,并逐一证明、优化,最后构造出带有岩石特征参数的小波基函数。经应用验证,新构造的小波基函数在处理岩石声发射信号方面比通用小波基函数更具优势,为小波分析在岩石声发射方面应用奠定了理论基础。     

岩体的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下,讨论了4种岩石的声发射特征;在静态胀裂剂作用下,讨论了岩体的声发射特征。研究表明,在低应力阶段,岩石几乎没有声发射活动,一般当强度达到80 %以上,即临近破坏时,声发射活动才显著增加;岩体破坏的声发射过程分为4个阶段,即初始区(Ⅰ)、剧烈区(Ⅱ)、下降区(Ⅲ)和沉寂区(Ⅳ);有的岩石的凯瑟效应不明显;岩石的声发射主频与岩石的强度有关,强度越高,主频也越高;随着应力的增加,岩石的声发射主频不会平移;应用1 kHz的探头,能满足工程岩体的稳定性分析和冒落预报的要求。     

岩石断裂过程的声发射试验研究

根据N-t,φ-t,E-t,A(t)-t曲线,并结合读数显微镜实测观察,可较准确地判定开裂点。在计算大理岩临界应力强度因子时,考虑了裂纹扩展长度的影响.导出了低脆性岩石N-K_1关系的一般表达式,并与Harris公式进行了比较.研究了声发射事件数与裂纹扩展长度增量的关系。     

岩石声发射特性试验研究

对取自柿竹园矿的花岗岩、矽卡岩,进行声发射特性试验研究以及岩石的声波波速测试,得到岩石的纵波速度及在受单轴压力下岩石破坏过程中的应力-应变以及声发射参数与应力、时间之间的关系,为矿山的安全生产、避免地压灾害提供了决策依据。     

岩石声发射技术的应用现状

介绍了我国内外岩石声发射技术在测定地应力、钻进监测、岩石力学与岩石破碎学研究、坑道岩体稳定性监测等方面的应用现状及发展趋势。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

煤岩破坏声发射强度长程相关性和多重分形分布研究

通过单轴加载煤岩破坏全过程声发射试验,运用多重分形消除趋势波动分析法（MF-DFA）,分析了声发射强度序列的长程相关性及多重分形特征,在此基础上研究了不同应力水平下声发射强度序列长程相关指数H的变化趋势。结果表明：声发射强度时间序列内部波动不是完全随机的现象,而是由内在自相似机制决定的长程相关过程,其波动是一个有序的多重分形分布;H的变化与煤岩体的变形破坏过程能够较好的对应,声发射强度H值的“最大-减小”模式可以作为煤岩体失稳事件的前兆,这为利用声发射进行煤岩体稳定性现场监测预报提供了新的理论依据及方法     

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.     

基于逾渗模型的盐岩损伤与破坏研究

逾渗是一种分形模型,利用声发射点定位盐岩内部破坏网格来建立逾渗模型,可以分析三轴压缩条件下盐岩逾渗特征以及损伤演变发展。研究发现,各试样逾渗模型团簇(cluster)数与最大团簇占有率关系曲线斜率在70%应力峰值后基本相等,利用最大团簇沿试样轴向的延伸来描述裂缝的扩展规律,并通过最大团簇在轴向的延伸终点得到了各试样逾渗的临界破坏比率,它对于研究渗透陡增点非常重要。提出利用逾渗关联长度(关联长度?代表处于同一团簇中的两个点的平均距离)确定试样损伤起始点,并通过计算逾渗模型破坏比率得到损伤变量,它和基于AE振铃计数以及AE能量计算得到的损伤变量结果相近。研究结果表明,逾渗可以形象地表述岩石内部破裂过程和损伤情况,为研究岩石破坏失效及裂缝衍生发展提供了新的思路。