[发明专利]煤样强度与加载速率及声发射参数的耦合模型的建立方法

权利要求书

1.一种煤样强度与加载速率及声发射特征参数的耦合模型的建立方法，其特征在于，其建立方法包括以下步骤：

第一步、设计煤样单轴压缩全过程声发射试验系统，该系统包括压缩电子材料试验机，用于根据试验需要选择采用载荷、位移或应变加载控制方式对煤样进行单轴压缩试验并采集力学信号；声发射传感器，用于对变形破坏中的声发射事件自动计数和储存，并采集声发射信号，实现对试验过程中的声发射实时监测；信号传输设备，用于将压缩电子材料试验机或声发射传感器采集的力学信号或声发射信号传送至计算机系统；计算机系统，用于根据信号传输设备输送的力学信号、声发射信号提取力学特征值以及声发射特征参数值，进而建立不同加载速率下煤样单轴抗压强度与声发射特征参数的耦合模型；转至第二步；

第二步、构建不同加载速率下煤样单轴压缩过程中声发射试验，按给定的加载速率完成单轴压缩试验并记录试验结果，同时实时采集试验过程中的力学信号和声发射信号；转至第三步；

第三步、构建煤样抗压强度关于加载速率、声发射特征参数之间的耦合模型。

2.根据权利要求1所述一种煤样强度与加载速率及声发射特征参数的耦合模型的建立方法，其特征在于，第二步中设计至少四级不同水平的加载速率，并按设定的加载速率进行单轴压缩试验，实时同步采集试验过程中的力学信号和声发射信号，力学信号包括应力和应变，声发射信号包括声发射撞击数和振铃计数。

3.根据权利要求2所述一种煤样强度与加载速率及声发射特征参数的耦合模型的建立方法，其特征在于，第三步中构建煤样抗压强度关于加载速率、声发射特征参数之间的耦合模型的具体方法按以下步骤顺序进行：

(一)根据压缩电子材料试验机采集的力学信号绘制不同加载速率下的应力-应变和应力-时间信号曲线，同时根据声发射传感器采集的声发射信号绘制不同加载速率下的撞击数-时间和振铃计数-时间曲线；

(二)分析应力-应变曲线确定不同加载速率下煤样的抗压强度，同时统计声发射试验的声发射信号数据得到不同加载速率下的声发射撞击数均值和振铃计数均值；

(三)获得不同加载速率下的力学参数和声发射特征参数，所述力学参数包括峰值载荷、抗压强度、弹性模量和压缩率，所述声发射特参数包括声发射撞击数均值和振铃计数均值；

(四)基于最小二乘法建立多元回归模型，得到煤样单轴抗压强度关于加载速率、声发射撞击数均值或振铃计数均值的耦合模型，其中回归模型的自变量为加载速率及对应加载速率下的声发射撞击数均值或振铃计数均值，回归目标变量为煤样抗压强度。

4.根据权利要求3所述一种煤样强度与加载速率及声发射特征参数的耦合模型的建立方法，其特征在于，步骤(四)中煤样单轴抗压强度关于加载速率、声发射撞击数均值的耦合模型为

其中，v为加载速率，h_a为声发射撞击数均值，为煤样单轴抗压强度的预测值，C、y、w是待定参数。

5.根据权利要求4所述一种煤样强度与加载速率及声发射特征参数的耦合模型的建立方法，其特征在于，计算煤样单轴抗压强度关于加载速率、声发射撞击数均值的耦合模型中待定参数C、y、w的具体方法按如下步骤顺序进行：

(a)对(1)式两端取对数得到(3)式；

(b)设试验次数为n，那么各次试验中实测的抗压强度值为σ_bi，其中i＝1,2…n；

(c)抗压强度预测值与实测值的对数误差公式如下所示，

(d)由最小二乘法，获得步骤(c)中误差的总平方和，总平方和公式如下：

(e)令

由获得式(6)～(8)；

(f)将式(6)～(8)转换成矩阵方程(9)，

(g)解出y、w、η，进而得到C、y、w的值。

6.根据权利要求3所述一种煤样强度与加载速率及声发射特征参数的耦合模型的建立方法，其特征在于，步骤(四)中煤样单轴抗压强度关于加载速率、声发射振铃计数均值的耦合模型为

其中，v为加载速率，n_a为声发射振铃计数均值，为煤样单轴抗压强度的预测值，C、y、w是待定参数。