CN111999171A - 基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，涉及岩土工程技术领域，实现了对硬岩节理面突然错动失稳时间的预警。步骤包括：A.设置声发射监测主机的幅值门槛值，并安装声发射探头；B.进行节理面剪切试验，采集剪切过程中的声发射信号；C.接收声发射探头的信号，将每个声发射探头连续接收到的声发射撞击事件分组；D.根据撞击信号的幅值分布特征，拟合幅值和撞击事件出现频率的关系，计算各个分组的b值；E.将各组内的撞击事件持续时间的中间时间记为时间点，b值作为数据点，得到剪切过程中b值随时间变化的规律；F.重复上述步骤处理多个声发射探头的监测数据，确定当b值持续降低并低于0.5时预警；该方法更加安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法。
背景技术
目前，随着对能源、资源、地下空间等的需求的增加，煤炭、金属矿山等逐渐转向深部开采，另外国防洞室、核废料处置库、深埋引水隧洞等也需要布置在深埋岩体中，深部地下空间利用和深部地下资源开采在岩土工程技术领域中也变得越来越重要。
在深部地下岩体工程中广泛分布各种尺度的节理面，如层理、节理面、断层等，在高应力环境下，由于开挖作用、注水作用或油气开采等扰动了地下原有的应力平衡状态，容易造成节理面、断层活化，从而诱发滑移型岩爆、断层型冲击地压和诱发地震等动力灾害。岩爆和冲击地压灾害是地下岩体工程围岩发生强烈脆性破坏的一种动力失稳现象，具有围岩突然猛烈的向开挖空间弹射、抛掷等特征，岩爆会造成围岩崩塌、隧道或巷道堵塞、伤害施工人员、损坏机械设备、延误工期，严重时甚至引起地表塌陷而造成局部地震。诱发地震则常常发生在页岩气开采、废水注入地层、地热开采等深层能源工程中出现，震级较小的诱发地震往往不会造成损害，甚至地面没有震感，而震级较大的地震则会产生较大的破坏性，使地面建筑物倒塌，造成严重损害和社会影响。可见无论滑移型岩爆、断层型冲击地压还是诱发地震，一旦发生都是造成巨大损失，因此对上述由于节理面、断层面突然错动失稳引起的动力灾害进行有效预警具有重要的科学意义和工程意义。对滑移型岩爆、诱发地震成灾机理与预测预报问题已成为岩石力学领域必须致力解决的关键科学问题和技术难题，并先后提出了岩爆发生的强度理论、刚度理论、能量理论、岩爆倾向性理论和突变理论等来解释岩爆这一动力灾害。现有技术中，人们通过岩石的单(三)轴加(卸)载试验对岩块进行压缩测试，获得岩石的储能条件、脆性性质等评价和预测应变型岩爆的岩爆倾向性；针对断层活化诱发地震则通过有效应力理论和摩尔库伦理论从机理上进行解释。然而，对于这种高应力下由于节理面、断层面的突然错动失稳导致的动力灾害还缺乏有效的预警方法。
发明内容
为了对硬岩节理面突然错动失稳时间提供安全可靠的预警，本发明提供了一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，具体的技术方案如下。
一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，步骤包括：
A.设置声发射监测主机的幅值门槛值，并在靠近岩石节理面的位置安装声发射探头；
B.对节理面岩石试样施加法向应力，进行节理面剪切试验，采集剪切过程中的声发射信号；
C.接收声发射探头的信号，将每个声发射探头连续接收到的声发射撞击事件分组；
D.根据撞击信号的幅值分布特征，拟合各个分组内撞击幅值和撞击事件出现频率的关系，并计算各个分组的b值，其中：
AdB是声发射撞击的最大振幅，并且
Amax是声发射撞击的最大幅值，N为幅值大于等于AdB的声发射撞击事件个数；
E.将各组内的撞击事件持续时间的中间时间记为时间点，各组内的b值作为数据点，得到剪切过程中b值随时间变化的规律；
F.重复步骤C至E，处理多个声发射探头的监测数据，确定当b值出现持续降低时，进行预警。
优选的是，b值出现持续降低时，b值小于1，最低达到0.5。
优选的是，声发射监测主机设置幅值的门槛值后，幅值小于门槛值的声发射信号被过滤去除，声发射监测主机仅接受幅值大于或等于门槛值的信号。
进一步优选的是，声发射探头在安装时通过耦合剂与岩石耦合固定，声发射探头同步接收岩石节理面剪切破裂过程中辐射出的弹性波。
进一步优选的是，节理面岩石试样按照同一剪切速率进行剪切，直至节理面岩石试样破坏；前置放大器将声信号放大，声发射探头将接收到的声信号转换为电信号。
还优选的是，分组中每个组包含500个撞击事件，相邻的分组中400个重合的撞击事件。
还优选的是，声发射监测主机设置幅值的门槛值为40dB，统计分组内幅值大于或等于(40+t×k)dB的撞击数目个数为Nt，其中k＝5,t取自然数，然后拟合各个分组内撞击幅值和撞击事件出现频率的关系，得到b值。
还优选的是，b值在硬岩节理面应力积累阶段时，维持在1.2-1.6之间波动；在应力增大至节理面剪切强度阶段，b值持续减小；所述b值增大表示小幅值撞击事件比例升高；b值减小表示大幅值撞击事件比例升高。
还优选的是，b值用于区分静力剪切破坏和动力失稳破坏；在静力剪切破坏中b值保持稳定，在动力失稳破坏中b值持续减小。
本发明提供的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法有益效果是：该方法克服了利用声发射撞击数、能量大小、事件数量等参数进行声发射监测中存在的仅通过参数变化趋势进行判断，无法获得准确的预警值，也就是说通过这些参数升高到多大值时失稳会发生，或者预警值不能适应不同地质条件，如不同岩性调价、加载方式、开挖顺序、工程地质条件等；其通过确定b值随时间的变化规律，可以准确的确定硬岩节理面突然错动失稳的时间，并区分静力剪切破坏(即峰值剪应力缓慢降低至残余强度，无应力降发生)和动力失稳破坏(即峰值剪切强度瞬时跌落至一个极小值)，当节理面发生静力剪切破坏时，b值整个加载过程中保持在相对稳定的水平，不会出现b值的持续降低，从而可以保证监测的可靠性和可靠性。
附图说明
图1是硬岩节理面试验的示意图；
图2是现场声发射监测示意图；
图3是声发射撞击事件分组情况示意图；
图4是花岗岩节理面剪切试验中实测的剪应力、计算的b值之间的对应关系图；
图中：1-岩石试样2-节理面3-声发射探头4-剪切盒5-压头6-前置放大器7-声发射采集仪，8-处理器，9-工程岩体10-岩体中节理面11-现场中声发射探头12-钻孔13-开挖隧洞14信号传输导线。
具体实施方式
结合图1至图4所示，对本发明提供的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法具体实施方式进行说明。
结合现有的声发射监测技术，结合试验研究内容，对声发射监测预警的方法进行改进，实现硬岩节理面突然错动的失稳预警，从而保证工程安全。
一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，具体的步骤包括：
A.设置声发射监测主机的幅值门槛值，并在靠近岩石节理面的位置安装声发射探头。其中声发射监测主机设置幅值的门槛值后，幅值小于门槛值的声发射信号被过滤去除，声发射监测主机仅接受幅值大于或等于门槛值的信号，一般设置幅值的门槛值为40dB。
B.对节理面岩石试样施加法向应力，进行节理面剪切试验，采集剪切过程中的声发射信号。进行室内试验时，在岩石节理面的附件设置不少于两个的声发射探头，声发射探头在安装时通过耦合剂与岩石耦合固定，声发射探头同步接收岩石节理面剪切破裂过程中辐射出的弹性波。如果在工程现场岩体中布置声发射探头，需要提前钻孔，钻孔后将声发射探头送至钻孔内部，然后灌注水泥浆，钻孔、声发射探头和水泥浆耦合在一起，其中声发射探头应该尽量靠近节理面布置。
C.接收声发射探头的信号，将每个声发射探头连续接收到的声发射撞击事件分组。
其中在室内试验中节理面岩石试样按照同一剪切速率进行剪切，直至节理面岩石试样破坏；前置放大器将声信号放大，声发射探头将接收到的声信号转换为电信号。在工程现场中需要采集节理面周围的岩体因为开挖导致节理面剪切滑移过程中的声发射信号。另外在分组时，分组中每个组包含500个(具体分组数量还可以根据需要选择)撞击事件，相邻的分组中400个重合的撞击事件，还需要确定每个分组的前后时间点t1和t2。
D.根据撞击信号的幅值分布特征，拟合各个分组内撞击幅值和撞击事件出现频率的关系，并计算各个分组的b值，其中：
AdB是声发射撞击的最大振幅(以分贝表示)，并且
Amax是声发射撞击的最大幅值(以微伏表示)，N为幅值大于等于AdB的声发射撞击事件个数(表示撞击事件出现的频率)；其中b值的几何意义在于上述公式中拟合直线的斜率。
E.将各组内的撞击事件持续时间的中间时间记为时间点，各组内的b值作为数据点，得到剪切过程中b值随时间变化的规律。
如果声发射监测主机设置幅值的门槛值为40dB，统计分组内幅值大于或等于(40+t×k)dB的撞击数目个数为Nt，其中k＝5，t取自然数，然后拟合各个分组内撞击幅值和撞击事件出现频率的关系，得到b值。也就是假如设置的门槛值为40dB，统计该组内幅值大于等于40dB的撞击数目个数为N1；幅值大于等于45dB的撞击个数为N2，幅值大于等于50dB的撞击个数为N3，……，幅值大于等于95dB的撞击个数为N12，将幅值和对应的撞击个数进行线性拟合，从而得到b值。
F.重复步骤C至E，处理多个声发射探头的监测数据，从而可以根据不同声发射探头的监测数据处理结果之间进行相互验证，从而保证预警的可靠性。确定当b值出现持续降低时(一般该过程b值小于1，并且最低可到0.5左右)，说明节理面将要发生动力失稳破化，应当发出动力失稳破坏的时间预警，在工程现场中应该立刻停工，并马上撤离现场至安全位置。另外，b值在硬岩节理面应力积累阶段时，一般维持在1.2-1.6之间波动；在应力增大至节理面剪切强度阶段，b值持续减小；b值增大表示小幅值撞击事件比例升高；b值减小表示大幅值撞击事件比例升高。b值用于区分静力剪切破坏和动力失稳破坏；在静力剪切破坏中b值保持稳定，在动力失稳破坏中b值持续减小。
另外，声发射撞击数、能量、事件数等参数被广泛用来监测岩石的破坏过程，根据现有的研究可知，在岩体将要发生宏观的脆性破坏时，上述声发射参数都会急剧增加，并且在破坏发生时达到最大值。但这些参数增大到何种量值时节理面会发生破坏仍然无法确定，并且不同加载条件、不同岩性的岩石、不同地质条件下，上述参数的最大值都是不同的。因此采用上述参数作为预警指标时，很难确定从参数出现变大的趋势到最终的破坏发生时间。但对于声发射b值而言，在应力积累阶段(即应力缓慢上升阶段)，b值随加载时间变化不大，一般维持在较高水平(在1.2-1.6之间)，并出现一定波动性；随着应力逐渐增大，接近节理面剪切强度时，b值开始降低，并随加载时间持续减小。通过节理面试验得到，b值一般不会低于0.5，因此当b值持续降低，并且接近或达到0.5时，意味着最终的突然错动失稳的来临。b值的物理意义为一个分组内小幅值(幅值一般小于60dB)的撞击事件和大幅值(幅值一般大于90dB)的撞击事件的比例，该值越大，表示小幅值撞击事件占的比例越高，b值越小，表示大幅值的撞击事件占的比例越高。节理面发生剪切破坏过程中，剪切初期应力较小，声发射活动不活跃，发生的破裂和产生的声发射撞击数目较少，并且幅值很低，大幅值的撞击事件很少，因此b值相对较高；随着剪应力逐渐接近节理面的抗剪强度，节理面上部分起伏体被剪断，产生数量较多的大幅值的撞击事件，b值减小；在最后达到峰值强度时，阻碍节理面滑动的大的咬合的起伏体被瞬时剪断，释放出巨大能量，产生数量众多的极大幅值的事件，因此b值会达到整个过程中的最小值。
声发射b值还可以区分静力剪切破坏(蠕变、缓慢剪切滑移等)和动力失稳破坏(断裂滑移型岩爆、断层冲击地压)。静力剪切破坏，即峰值剪应力缓慢降低至残余强度，无应力降发生；动力失稳破坏，即峰值剪切强度瞬时跌落至一个极小值。在地下工程施工过程中，节理面岩体发生的静力剪切破坏往往具有较小的破坏力，破坏过程缓慢可控，可通过施加锚杆、钢拱架等支护措施减小节理面的剪切变形；而动力失稳破坏因其具有的突发性、瞬时性、破坏性等特征。在静力剪切破坏过程中，剪应力达到峰值剪切强度后，随着剪切位移增大而缓慢下降(而非突然、剧烈的降低到某一很小值)，大幅值和小幅值的撞击事件的比例不会发生显著变化，因此整个剪切过程中b值相对稳定，不会发生显著、持续的降低过程；而节理面发生动力剪切失稳时，峰值强度发生应力跌落，即在极短的时间内(几秒甚至不足1秒)迅速降低到一个很的小值，该过程中释放出大量的大幅值的事件，造成b值降低。该预警方法可以根据b值随时间的演化规律，判定节理面岩体发生静力剪切破坏还是动力失稳破坏，从而有针对性的采取不同的治理措施，减小施工成本，保障施工人员的安全。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，步骤包括：
A.设置声发射监测主机的幅值门槛值，并在靠近岩石节理面的位置安装声发射探头；
B.对节理面岩石试样施加法向应力，进行节理面剪切试验，采集剪切过程中的声发射信号；
C.接收声发射探头的信号，将每个声发射探头连续接收到的声发射撞击事件分组；
D.根据撞击信号的幅值分布特征，拟合各个分组内撞击幅值和撞击事件出现频率的关系，并计算各个分组的b值，其中：
AdB是声发射撞击的最大振幅，并且
Amax是声发射撞击的最大幅值，N为幅值大于等于AdB的声发射撞击事件个数；
E.将各组内的撞击事件持续时间的中间时间记为时间点，各组内的b值作为数据点，得到剪切过程中b值随时间变化的规律；
F.重复步骤C至E，处理多个声发射探头的监测数据，确定当b值出现持续降低时，进行预警。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述b值出现持续降低时，b值小于1，最低达到0.5。
3.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述声发射监测主机设置幅值的门槛值后，幅值小于门槛值的声发射信号被过滤去除，声发射监测主机仅接受幅值大于或等于门槛值的信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述声发射探头在安装时通过耦合剂与岩石耦合固定，声发射探头同步接收岩石节理面剪切破裂过程中辐射出的弹性波。
5.根据权利要求4所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述节理面岩石试样按照同一剪切速率进行剪切，直至节理面岩石试样破坏；前置放大器将声信号放大，声发射探头将接收到的声信号转换为电信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述分组中每个组包含500个撞击事件，相邻的分组中有400个重合的撞击事件。
7.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述声发射监测主机设置幅值的门槛值为40dB，统计分组内幅值大于或等于(40+t×k)dB的撞击数目个数为Nt，其中k＝5，t取自然数，然后拟合各个分组内撞击幅值和撞击事件出现频率的关系，得到b值。
8.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述b值在硬岩节理面应力积累阶段时，维持在1.2-1.6之间波动；在应力增大至节理面剪切强度阶段，b值持续减小；所述b值增大表示小幅值撞击事件比例升高；b值减小表示大幅值撞击事件比例升高。
9.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的硬岩节理面突然错动失稳预警方法，其特征在于，所述b值用于区分静力剪切破坏和动力失稳破坏；在静力剪切破坏中b值保持稳定，在动力失稳破坏中b值持续减小。
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