[发明专利]基于声发射的硬岩拉剪破裂识别方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于声发射的硬岩拉剪破裂识别方法及装置，主要解决岩溶地区硬岩拉剪破裂识别困难的问题。包括以下步骤：步骤S1：测定硬岩的几何物理参数；步骤S2：获取岩样张拉破裂和剪切破裂声发射信号；步骤S3：提取张拉和剪切两类声发射声纹图的HOG特征；步骤S4：将声纹图HOG特征构建训练样本集训练IVM；步骤S5：获取待识别的硬岩破裂声发射信号；步骤S6：将待识别声发射声纹的HOG特征带入已训练IVM确定硬岩破裂类型；步骤S7：将识别结果良好的预测样本加入到IVM新的训练集中重新训练IVM，并对之后监测所得的声发射信号进行预测。本发明可适用于岩溶地区的硬岩微观尺度至宏观尺度拉剪破裂的识别。

技术领域

本发明属于岩土工程灾害防治技术领域，涉及一种基于声发射的硬岩拉剪破裂识别方法及装置。

背景技术

我国国土范围内的三分之二以上为山区，山区内极易发生危岩落石、崩塌等自然灾害。由于危岩等灾害的大规模的破坏性，易造成巨大的生命财产损失，但受限于危岩等自然灾害突发性、快速性等特点，尚且较难精准预测。因此，如何能科学有效地识别硬岩，揭示危岩灾害的力学机制，预测危岩破坏路径已经成为当前研究的热门方向。

研究表明，硬岩的宏观破坏是从硬岩内的小尺度破裂开始孕育的，因此，加深岩石从小尺度脆性破裂到宏观大尺度破坏的研究，对于实现岩石宏观破坏的破坏机制的研究具有显著的意义。

硬岩的脆性破裂可分为张拉破裂和剪切破裂，拉剪破裂的研究对于再现硬岩内部的破裂演化以及对危岩的破裂预警具有重要的意义。通过研究硬岩的拉剪破裂演化，从拉剪破裂的角度进一步的揭示岩石破坏的机理。因此，对硬岩拉剪破裂进行分类识别，可以实现对硬岩从小尺度微观破裂至宏观破裂过程的及时预警，减少硬岩破裂造成的人员和财产的损失。

张拉破裂是硬岩在外荷载状态下，当硬岩某一承载面达到抗拉强度时，硬岩产生张拉破裂，张拉破裂是在能量急剧情况下，最后能量快速释放所表现出的急剧性宏观破坏；剪切破坏是指硬岩在外荷载状态下，硬岩某一接触面达到最大抗剪强度，硬岩产生剪切破裂，剪切破裂是硬岩是内部不同尺寸颗粒接触间相互摩擦产生的连续性破裂，相较于张拉破裂所表现出急剧短促的特点，剪切破裂属于连续，较长时间地破裂。由于上述两种破裂过程的根本性不同，因此通过分析硬岩张拉破裂和剪切破裂时所表现出的较为明显地特征，即能做到对两种不同破裂的显著区分。

传统上，当前对硬岩张拉破裂和剪切破裂的区分手段主要为数值模型分析，由于数值计算方法耗时较大，且数值模型的建立需要较多的人为假设，限制了数值分析的宏观应用。因此对于硬岩拉剪破裂类型的监测、识别，还需要进一步地完善。

已知岩石内部存在着大量随机分布的微裂纹，当岩石内部的微裂纹不断的发育时，会以弹性波形式的释放出局部能量，这一现象称为岩石声发射现象。与人耳所能听见的岩石破裂声音信号不同，声发射信号属于一种高频信号，频率范围在10³-10⁵Hz之间，在实际使用中，依靠于专门的声发射传感器进行信号的接收，相较于微震等其他监测手段，声发射信号能接收到更为岩石内部更为细小的破裂事件，具有极高的采集精度。自20世纪30年代声发射现象被美国矿山局的Osbert发现以来，声发射监测技术也取得了长足的进步，已被大量用于矿山、深部地下工程等监测任务中。当前常用基于声发射的硬岩拉剪破裂识别的手段包括，P波初动理论判别法、基于声发射参数特征判别法、SIGMA矩张量分析方法等，还会受到人为因素和监测设备数量等因素限制，因此，有必要探索岩石拉、剪破裂识别的新方法。

与传统的声发射拉剪识别方法相比，信号的声纹识别作为一种新的识别手段因具有低廉性和准确性受到了极大地关注。声纹识别技术避免了传统使用信号二维波形分布特征进行区分的手段，使用从三维声纹可视化的角度上进行更精确地识别。