[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

说明书

本发明提供一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法，包括标准岩石试件的制备，声发射震源定位，声发射震源类型辨识，不同类型震源对应的声发射主频的计算与岩石破坏预测方法。本发明解决了目前基于声发射主频特征的岩石破坏预测方法，存在声发射主频带宽，声发射主频特征不显著的缺陷。该方法适用于单轴与三轴压缩条件下、巴西劈裂试验、剪切试验，以及蠕变试验岩石破坏的预测。

技术领域

本发明属于岩石破坏预测技术领域，具体涉及一种基于声发射震源主频唯一性的岩石破坏预测方法。

背景技术

目前，我国各类矿井深度超过700m的井筒已占1/3以上，深部矿产资源开发利用已进入实施阶段，多个金属矿山的开拓已超过千米，新一批超千米大型矿山正在规划和建设中。深部开采已成为矿山企业的新常态、采矿科技的新挑战与采矿业的新发展。因此，在深井开采过程中，对由岩石(体)破坏所诱发的工程地质灾害进行预测，具有重要有工程价值与现实意义。

岩石发生变形和破坏时，快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为岩石声发射。在岩石破坏过程中所产生的诸多信号里，声发射信号与微裂纹演化活动的机制接近。声发射技术业已成为预测岩石破坏的重要手段。目前，采用声发射技术对岩石破坏进行预测的方法总体分类两类。

第一类，以建立声发射参数时间序列，如声发射事件率、声发射率、声发射振铃计数、声发射b值、声发射分形维数与岩石应力、应变的关系为基础，通过分析岩石临近破坏时的声发射参数的增大或减小来预测岩石的破坏。但该方法总体处于定性分析阶段，从而导致不同的分析人员，所得到结果可能不尽相同。其次，以声发射b值、声发射分形维为代表的、相关计算结果存在一定的人为因素的影响。例如，声发射b值的计算不仅与选择的样本容量有关，而且与选择的声发射振幅的步距大小有关。

第二类，以小波分析方法、傅里叶变换等为主要分析手段，通过研究岩石临近破坏时，声发射波形对应的主频或主频带来预测岩石的破坏。该方法在一定程度上克服了第一类方法的不足，属定量分析的范畴。然而，岩石在不同受力条件与物理状态下，其破坏可能主要是由剪切型裂纹引起，也可能由张拉裂纹型引起，或者在剪切-张拉型裂纹共同作用下引起。因此，在没有建立该声发射波形所对应的主频或主频带与声发射震源，即拉张型微裂纹、剪切型微裂纹与混合型微裂纹的对应关系的前提下，直接计算声发射主频或主频带将导致声发射主频来源对应的声发射震源模糊，声发射主频带宽，声发射主频特征不显著。因此，在一定程度上，限制了该方法的使用。

现有技术之一，通过定性分析岩石临近破坏时，对应的声发射事件率、声发射率、声发射振铃计数、声发射b值、声发射分形维数等变化特点，实现对岩石破坏的预测。技术方案如下：

以单轴压缩条件下岩石声发射试验为例：

图1为红砂岩在单轴压缩条件下应力-应变曲线与声发射事件率曲线。从图中可以看出：岩石单轴抗压强度约为75MPa，即岩石能承受的最大压应力为75MPa。若对岩石继续加载，岩石将发生宏观破坏。因此，岩石临近破坏时的对应的应力略小于75MPa。

由岩石破坏过程中的声发射事件率曲线可知：声发射事件率存在两个剧增区。第Ⅰ个剧增区对应的轴向应变为0～0.5％，相应的轴向应力为0～10MPa。第Ⅱ剧增区对应的轴向应变为1.5％～1.7％，相应的轴向应力为61.5～75.0MPa。

根据现有技术方案，在岩石应力-应变曲线已知的条件下，可将声发射事件率第Ⅱ剧增区作为预测岩石破坏的方法，即声发射事件率突然增大作为预测岩石破坏的方法。类似的，也可由声发射振铃计数、声发射b值等的增大或减小预测岩石破坏。

由于在现场应用过程中，岩石的应力-应变曲线难于获取。因此，仅根据声发射事件率的突然增大来预测岩石的破坏，其精确性难以保证。例如，不同观测人员可能将声发射事件率第Ⅰ剧增区作为预测岩石破坏的方法。但实际上第Ⅰ剧增区对于的轴向应力为0～10MPa，其数值远小于岩石单轴抗压强度75.0MPa。