一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法

1.本发明涉及采矿技术领域，尤其是一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法。


背景技术：

2.随着矿山开采范围的扩展，开采深度也随之不断增加，矿岩条件与开采环境逐渐恶化。尤其是存在高应力作用下，岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来，岩爆愈发成为矿山开采过程中难以避免且频繁发生的动力灾害。在矿山开采、铁路修建、隧道施工等工程中，由于围岩中岩石应力不断重新调整，岩爆时有发生。岩爆发生时，往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，影响工程进度，造成重大的经济损失。为了预防岩爆造成的危害，国内外学者先后提出了10多种假设和判据，从强度、刚度、能量、稳定、断裂、损伤、分形等方面对岩爆现象进行分析，阐述了岩爆的发生机理，指出了岩爆发生的必要条件，为岩爆的预测和防治工作奠定了理论基础。岩石作为岩爆灾害发生的承载体，其本身的弹脆性及储能特性是引发岩爆的主要内在因素。为此，如果可以考虑从岩石破坏前内部能量变化情况加以分析，就可以提供一种简便快捷的岩爆前兆判别方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是针对上述情况，提供一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，本发明的方法利用岩爆前岩石失稳破坏的前兆信息，对岩石失稳破坏进行预测预警，以解决岩爆造成开挖工作面严重破坏、设备损坏和人员伤亡的问题，并指导实际工程的安全评价工作，保障地下工程的作业安全。
4.本发明的具体方案是：一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，具体包括以下步骤：s1、从矿岩岩体中获取岩块，将取得的岩块加工制备成圆柱形标准岩石试样；s2、对上述试样进行单轴压缩声发射试验，获得岩石试样的应力-应变曲线、单轴抗压强度和声发射各项参数基础数据；s3、对获得的实验数据进行处理分析，得到岩石试样的应力、声发射b值、振铃计数率进行相对应的数据挖掘；s4、依据数据挖掘后做出应力、声发射b值、振铃计数率和时间变化曲线图，标定岩爆前兆声发射b值特征点范围，根据岩石的声发射振铃计数率与声发射b值对比分析，标定波动中值作为岩石试样受载作用下失稳破坏的前兆点；波动中值的最低点对应的加载应力集中在应力峰值强度的80%～90%范围内，此后振铃计数率与声发射b值若在短时间内出现明显波动回落现象，则视为岩石试样受载作用下失稳破坏的前兆信息。
5.进一步的，本发明中步骤s1中，取得岩石试样为深部巷道围岩并钻取进深为10m的未扰动岩芯作为岩石试样。
6.进一步的，本发明中步骤s1中，圆柱形标准岩石试样为直径50mm、高100mm的标准试件，试件两端面不平行度误差小于0.05 mm，沿试件高度直径误差小于0.3mm，同时端面垂直于试件轴线，偏差小于0.25
°
。
7.进一步的，本发明中步骤s2中，对圆柱形标准岩石试样进行单轴压缩试验，圆柱形岩石试样置于刚性电液伺服材料控制试验机上，以0.5n/s的速率竖直加载至5n，并保持5n垂直加载力60s，上述压力加载过程中是以0.001mm/s的速率竖直加载在岩石试样上至破坏，获得岩石试样的应力-应变曲线和单轴抗压强度。
8.进一步的，本发明中步骤s2中，声发射试验中所使用的声发射探头采用了上下两组沿直径布置的方式，布置方式覆盖声波的有效监测范围，以便高效捕捉岩石声发射信号。
9.进一步的，本发明中步骤s3中，使用g-r关系式进行数据处理，其中，m为地震震级；n为震级在之间的地震频度；a和b均为常数；对g-r公式进行声发射b值数据挖掘：其中，声发射b值描述了岩体内部裂纹扩展尺度的比例，为声发射事件的最大振幅，单位为分贝，n为相应的声发射事件振幅值的事件率。
10.进一步的，本发明中步骤s3中，声发射试验样本数大，在计算声发射b值时是采用最大似然法，其中，为声发射b值的近似值，n为声发射样本数，mk为分档间隔，n为分档后震级总数，ni为第i个震级的声发射样本数。
11.本发明的有益效果是：本发明综合考虑了引起岩爆发生的关键因素：应力和能量，提供了一种基于声发射特性指标的岩爆前兆判别方法；岩石声发射试验中，通过收集岩石内部状态变化的微弱信号，对其进行处理和分析等数据挖掘，便可以推断和评估岩石内部微裂纹的发展演化历程，借此获取岩石失稳破坏的前兆信息；相比于岩石三轴压缩条件下的声发射，本发明提供的方法降低了设备复杂程度，操作简单；通过岩石声发射振铃计数率与b值对比分析，将声发射b值与振铃计数率进行联合分析，将“波动中值”作为岩样受载作用下失稳破坏的前兆，实现对岩体承载状态的精准监测预警，以防止岩爆或冲击地压事故的发生。
附图说明
12.图1为本发明岩爆前兆判别方法的流程示意图；图2为圆柱形试样立体示意图；图3为单轴压缩声发射试验传感器布置示意图；图4为应力和声发射同步监测系统示意图；图5为应力与时间关系曲线；图6为应力与轴向应变关系曲线；图7为应力、振铃计数率与时间关系曲线（a-1）；图8为应力、振铃计数率与时间关系曲线（a-2）；图9为应力、振铃计数率与时间关系曲线（a-3）；
图10为花岗闪长斑岩试样声发射b值示意图；图11为花岗闪长斑岩试样应力、b值、振铃计数率与时间变化关系曲线（a-1）；图12为花岗闪长斑岩试样应力、b值、振铃计数率与时间变化关系曲线（a-3）。
13.图4中：1-荷载控制系统，2-岩样，3-压力机，4-声发射探头，5-全信息声发射仪主机，6-声发射测试分析系统。
具体实施方式
14.下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚完整的描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明或简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
15.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
16.下面结合附图来具体说明本发明的实施方式：参见图1本发明是一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，具体过程如下：现场取样，取得花岗闪长斑岩岩芯为深部巷道围岩并钻取进深为10m的未扰动岩芯作为试验岩样，保证待测岩样符合实验的科学性、可靠性。将取得的岩样岩块加工成直径为50mm、长度为100mm的圆柱形岩石试样，如图2所示。
17.在进行单轴压缩声发射试验开始前，将声发射探头采用了上下两组沿直径布置方式，该布置方式基本全面覆盖声波的有效监测范围，能够高效捕捉岩石声发射信号，如图3所示，图3中的四个黑色圆点即为声发射探头在岩石试样侧壁上的展开示意图。
18.试验前先对系统进行调试，单轴压缩加载系统、声发射监测系统同步监测示意图如图4所示；采用ae声发射监测系统，设置前置放大器增益40db，门阀值55db，采样率1mhz。为减缓传感器与岩石试样表面摩擦造成的影响，在传感器端面涂抹凡士林进行耦合，并用胶布或橡皮泥固定传感器。
19.进行单轴压缩声发射试验，首先以0.5n/s的恒定速率竖直加载至5n，并保持5n的垂直加载力60s。然后将岩石试样以0.001mm/s恒定速率加载至岩石试样破坏，根据试验机测试系统得到的数据获得岩石试样的单轴抗压强度、应力-应变曲线以及声发射各项初始数据，如图5、图6所示。
20.使用origin软件对试验数据进行初步处理分析，如图7、图8、图9所示。
21.以g-r关系式，其中，m为地震震级；n为震级在之间的地震频度；a和b均为常数。
22.对声发射b值数据处理进一步挖掘：。其中，b值描述了岩体内部裂纹扩展尺度的比例；为声发射事件的最大振幅，单位为分贝；n为相应的声发射事件振幅值的事件率。
23.由于试验所获取的声发射样本数大，采用最大似然法进行声发射b值计算，其中，为声发射b值的近似值，n为声发射样本数，mk为分档间隔，n为分档后震级总数，ni为第i个震级的声发射样本数。
24.根据、、中关系式处理数据，采用合适的采样窗口（本次试验设为400个声发射数据）和步长（本次试验设为200个数据）进行计算，b值计算结果如图10所示。利用matlab软件工具，开展岩样受载失稳破坏全过程中声发射b值的演变规律研究。
25.将数据进行整合对比，如图11、12所示。将声发射b值峰值之后较短时间段内的直线式下降现象称之为“断崖式”回落。而声发射b值“断崖式”回落过程中出现的稳定波动点称之为“波动中值”。分析发现，“断崖式”回落过程中都会经历一个“波动中值”现象，且“波动中值”的最低点对应的加载应力集中在应力峰值强度的80%～90%范围内，此后振铃计数率与b值会在较短时间内出现明显波动回落现象，可以视为岩样受载作用下失稳破坏的前兆信息，岩样即将产生宏观破坏。
26.在mts-815电液伺服测试系统进行岩石常规静载单轴压缩试验以及采用北京软岛时代科技公司的ds5-32b型全信息声发射信号分析仪系统进行声发射试验，对岩石进行判别。
27.利用上述方法，以及对花岗闪长斑岩的岩爆前兆判别实例所示，可以将声发射b值与振铃计数率进行联合分析，将“波动中值”作为岩样受载作用下失稳破坏的前兆，从而实现对岩体承载状态的精准监测预警，防止岩爆或冲击地压事故发生。
28.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。本发明采用岩石声发射振铃计数率与b值联合对比分析的方式在前人研究中尚未提及，本发明在本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，其特征在于，具体包括以下步骤：s1、从矿岩岩体中获取岩块，将取得的岩块加工制备成圆柱形标准岩石试样；s2、对上述试样进行单轴压缩声发射试验，获得岩石试样的应力-应变曲线、单轴抗压强度和声发射各项参数基础数据；s3、对获得的实验数据进行处理分析，得到岩石试样的应力、声发射b值、振铃计数率进行相对应的数据挖掘；s4、依据数据挖掘后做出应力、声发射b值、振铃计数率和时间变化曲线图，标定岩爆前兆声发射b值特征点范围，根据岩石的声发射振铃计数率与声发射b值对比分析，标定波动中值作为岩石试样受载作用下失稳破坏的前兆点；波动中值的最低点对应的加载应力集中在应力峰值强度的80%～90%范围内，此后振铃计数率与声发射b值若在短时间内出现明显波动回落现象，则视为岩石试样受载作用下失稳破坏的前兆信息。2.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，其特征在于，步骤s1中，取得岩石试样为深部巷道围岩并钻取进深为10m的未扰动岩芯作为岩石试样。3. 根据权利要求1所述的一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，其特征在于，步骤s1中，圆柱形标准岩石试样为直径50mm、高100mm的标准试件，试件两端面不平行度误差小于0.05 mm，沿试件高度直径误差小于0.3mm，同时端面垂直于试件轴线，偏差小于0.25
°
。4.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，其特征在于，步骤s2中，对圆柱形标准岩石试样进行单轴压缩试验，圆柱形岩石试样置于刚性电液伺服材料控制试验机上，以0.5n/s的速率竖直加载至5n，并保持5n垂直加载力60s，上述压力加载过程中是以0.001mm/s的速率竖直加载在岩石试样上至破坏，获得岩石试样的应力-应变曲线和单轴抗压强度。5.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，其特征在于，步骤s2中，声发射试验中所使用的声发射探头采用了上下两组沿直径布置的方式，布置方式覆盖声波的有效监测范围，以便高效捕捉岩石声发射信号。6.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，其特征在于，步骤s3中，使用g-r关系式进行数据处理，其中，m为地震震级；n为震级在之间的地震频度；a和b均为常数；对g-r公式进行声发射b值数据挖掘：其中，声发射b值描述了岩体内部裂纹扩展尺度的比例，为声发射事件的最大振幅，单位为分贝，n为相应的声发射事件振幅值的事件率。7.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，其特征在于，步骤s3中，声发射试验样本数大，在计算声发射b值时是采用最大似然法，其中，为声发射b值的近似值，n为声发射样本数，m
k
为分档间隔，n为
分档后震级总数，n
i
为第i个震级的声发射样本数。

技术总结
本发明涉及一种基于声发射b值特性指标的岩爆前兆获取方法，具体包括以下步骤：S1、从矿岩岩体中获取岩块，将取得的岩块加工制备成圆柱形标准岩石试样；S2、对上述试样进行单轴压缩声发射试验，获得岩石试样的应力-应变曲线、单轴抗压强度和声发射各项参数基础数据；S3、对获得的实验数据进行处理分析，得到岩石试样的应力、声发射b值、振铃计数率进行相对应的数据挖掘；S4、依据数据挖掘后做出应力、声发射b值、振铃计数率和时间变化曲线图，标定岩爆前兆声发射b值特征点范围；本发明的方法利用岩爆前岩石失稳破坏的前兆信息，对岩石失稳破坏进行预测预警。进行预测预警。进行预测预警。


技术研发人员：梅甫定 郑能 汤雁斌 岑佑华 胡传宇 何邹俊 曹文钢 熊国雄 李东阳
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2023.08.29
技术公布日：2023/10/15