[發(fā)明專利]一種基于聲發(fā)射震源主頻唯一性的巖石破壞預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010892403.7
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN111879858B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龔囪;趙奎;曾鵬;趙坤;包涵;楊道學(xué);王萬銀
• 申請（專利權(quán)）人: 江西理工大學(xué)
• 主分類號: G01N29/14
• 分類號: G01N29/14;G01N29/44;G01N29/48
• 代理公司: 成都方圓聿聯(lián)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51241
• 代理人: 宋紅賓

本發(fā)明提供一種基于聲發(fā)射震源主頻唯一性的巖石破壞預(yù)測方法，包括標(biāo)準(zhǔn)巖石試件的制備，聲發(fā)射震源定位，聲發(fā)射震源類型辨識，不同類型震源對應(yīng)的聲發(fā)射主頻的計算與巖石破壞預(yù)測方法。本發(fā)明解決了目前基于聲發(fā)射主頻特征的巖石破壞預(yù)測方法，存在聲發(fā)射主頻帶寬，聲發(fā)射主頻特征不顯著的缺陷。該方法適用于單軸與三軸壓縮條件下、巴西劈裂試驗、剪切試驗，以及蠕變試驗巖石破壞的預(yù)測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖石破壞預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聲發(fā)射震源主頻唯一性的巖石破壞預(yù)測方法。

背景技術(shù)

目前，我國各類礦井深度超過700m的井筒已占1/3以上，深部礦產(chǎn)資源開發(fā)利用已進(jìn)入實施階段，多個金屬礦山的開拓已超過千米，新一批超千米大型礦山正在規(guī)劃和建設(shè)中。深部開采已成為礦山企業(yè)的新常態(tài)、采礦科技的新挑戰(zhàn)與采礦業(yè)的新發(fā)展。因此，在深井開采過程中，對由巖石(體)破壞所誘發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，具有重要有工程價值與現(xiàn)實意義。

巖石發(fā)生變形和破壞時，快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為巖石聲發(fā)射。在巖石破壞過程中所產(chǎn)生的諸多信號里，聲發(fā)射信號與微裂紋演化活動的機(jī)制接近。聲發(fā)射技術(shù)業(yè)已成為預(yù)測巖石破壞的重要手段。目前，采用聲發(fā)射技術(shù)對巖石破壞進(jìn)行預(yù)測的方法總體分類兩類。

第一類，以建立聲發(fā)射參數(shù)時間序列，如聲發(fā)射事件率、聲發(fā)射率、聲發(fā)射振鈴計數(shù)、聲發(fā)射b值、聲發(fā)射分形維數(shù)與巖石應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系為基礎(chǔ)，通過分析巖石臨近破壞時的聲發(fā)射參數(shù)的增大或減小來預(yù)測巖石的破壞。但該方法總體處于定性分析階段，從而導(dǎo)致不同的分析人員，所得到結(jié)果可能不盡相同。其次，以聲發(fā)射b值、聲發(fā)射分形維為代表的、相關(guān)計算結(jié)果存在一定的人為因素的影響。例如，聲發(fā)射b值的計算不僅與選擇的樣本容量有關(guān)，而且與選擇的聲發(fā)射振幅的步距大小有關(guān)。

第二類，以小波分析方法、傅里葉變換等為主要分析手段，通過研究巖石臨近破壞時，聲發(fā)射波形對應(yīng)的主頻或主頻帶來預(yù)測巖石的破壞。該方法在一定程度上克服了第一類方法的不足，屬定量分析的范疇。然而，巖石在不同受力條件與物理狀態(tài)下，其破壞可能主要是由剪切型裂紋引起，也可能由張拉裂紋型引起，或者在剪切-張拉型裂紋共同作用下引起。因此，在沒有建立該聲發(fā)射波形所對應(yīng)的主頻或主頻帶與聲發(fā)射震源，即拉張型微裂紋、剪切型微裂紋與混合型微裂紋的對應(yīng)關(guān)系的前提下，直接計算聲發(fā)射主頻或主頻帶將導(dǎo)致聲發(fā)射主頻來源對應(yīng)的聲發(fā)射震源模糊，聲發(fā)射主頻帶寬，聲發(fā)射主頻特征不顯著。因此，在一定程度上，限制了該方法的使用。

現(xiàn)有技術(shù)之一，通過定性分析巖石臨近破壞時，對應(yīng)的聲發(fā)射事件率、聲發(fā)射率、聲發(fā)射振鈴計數(shù)、聲發(fā)射b值、聲發(fā)射分形維數(shù)等變化特點，實現(xiàn)對巖石破壞的預(yù)測。技術(shù)方案如下：

以單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射試驗為例：

圖1為紅砂巖在單軸壓縮條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射事件率曲線。從圖中可以看出：巖石單軸抗壓強(qiáng)度約為75MPa，即巖石能承受的最大壓應(yīng)力為75MPa。若對巖石繼續(xù)加載，巖石將發(fā)生宏觀破壞。因此，巖石臨近破壞時的對應(yīng)的應(yīng)力略小于75MPa。

由巖石破壞過程中的聲發(fā)射事件率曲線可知：聲發(fā)射事件率存在兩個劇增區(qū)。第Ⅰ個劇增區(qū)對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?～0.5％，相應(yīng)的軸向應(yīng)力為0～10MPa。第Ⅱ劇增區(qū)對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.5％～1.7％，相應(yīng)的軸向應(yīng)力為61.5～75.0MPa。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，在巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線已知的條件下，可將聲發(fā)射事件率第Ⅱ劇增區(qū)作為預(yù)測巖石破壞的方法，即聲發(fā)射事件率突然增大作為預(yù)測巖石破壞的方法。類似的，也可由聲發(fā)射振鈴計數(shù)、聲發(fā)射b值等的增大或減小預(yù)測巖石破壞。

由于在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線難于獲取。因此，僅根據(jù)聲發(fā)射事件率的突然增大來預(yù)測巖石的破壞，其精確性難以保證。例如，不同觀測人員可能將聲發(fā)射事件率第Ⅰ劇增區(qū)作為預(yù)測巖石破壞的方法。但實際上第Ⅰ劇增區(qū)對于的軸向應(yīng)力為0～10MPa，其數(shù)值遠(yuǎn)小于巖石單軸抗壓強(qiáng)度75.0MPa。