一種巖石災變聲發射優勢頻段確定方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于巖石災變聲發射頻段領域，尤其與一種適用于為礦山工程服務的巖石力學試驗的采用多傳感器技術確定巖石壓縮條件下聲發射優勢頻段的方法有關。
【背景技術】
[0002]聲發射(Acoustic Emiss1n，簡稱AE)技術是利用巖石變形過程中，內部破裂的產生和破裂面之間的摩擦滑動所輻射的超聲波信息，連續不斷地觀測巖石材料內部微破裂的動態演化，以此來研究巖石變形、破壞的微觀機制，在巖體的穩定性研究方面有重要作用，被廣泛應用于研究巖石等材料的破壞研究。近些年來，學者們開始從聲發射波譜分析的角度對巖石破裂發生機理進行研究，尋求巖石破裂的充分必要條件。聲發射波形攜帶有巖石受力狀態、結構、物理力學性質等全部信息，分析波譜信息能夠更好了解巖石破壞機制及破壞前兆。目前，關于巖石聲發射頻譜特征研究出現困境，表現為針對某種巖石我們難以精確確定觀測系統本身(主要是傳感器)的響應頻段，無法選擇合適的聲發射傳感器。上述問題出現的根本原因在于對巖石破裂過程聲發射監測的優勢(適宜)頻段缺乏認知，因此，探索巖石聲發射主頻段顯得尤為重要，確定哪個頻段的聲發射信號更能揭示(體現)巖石的破裂過程，獲取巖石破裂過程聲發射監測的適宜頻段。總的來講，巖土體材料的聲發射頻率范圍大致在1kHz?500kHz，然而不同巖性及不同實驗條件下巖石的聲發射頻率不盡相同。而我們目前巖石的聲發射監測試驗中運用的多為單一諧振頻率的聲發射傳感器，且往往是根據經驗判斷，任意選擇某一頻段用于無損檢測的聲發射傳感器，盲目地直接用于對巖石進行聲發射監測，不夠科學合理。因此亟需提供一種新型的巖石災變聲發射優勢頻段確定方法，因此本專利申請人就是在這種情況下，開發了一種基于多傳感器技術確定巖石災變聲發射優勢頻段的方法。
【發明內容】
[0003]針對上述問題，本發明的目的旨在提供一種基于多傳感器技術確定巖石災變聲發射優勢頻段的方法，以揭示巖石災變過程的聲發射優勢頻段特征，進一步獲取巖石破裂過程聲發射監測的適宜頻段。
[0004]為此，本發明采用以下技術方案:一種巖石災變聲發射優勢頻段確定方法，其特征是，包括以下步驟:
[0005]1)制備不同巖性的標準長方體試樣；
[0006]2)將三種不同類型聲發射傳感器貼在制備好的長方體試樣上，傳感器和試樣之間涂凡士林，增強二者之間的耦合性，減少聲發射信號的衰減；
[0007]3)利用巖石力學試驗機對試樣施加載荷，利用三種不同類型聲發射傳感器同時接收試樣破裂全過程產生的聲發射信號；
[0008]4)利用聲發射頻譜分析系統，對接收到聲發射信號進行快速傅里葉變換，獲得二維頻譜圖；二維頻譜圖中最大幅值對應的頻率為該聲發射信號的主頻；最大幅值為此信號主頻幅值；
[0009]5)選擇試樣從加載到破壞整個過程三種類型傳感器接收的聲發射波形信號，對所有波形進行FFT變換，獲得不同時刻聲發射信號主頻和主頻幅值信息，繪制三種類型傳感器條件下聲發射信號幅值-主頻關系圖；
[0010]6)對比分析三種類型傳感器條件下聲發射信號幅值-主頻關系圖，觀察三種類型傳感器接收聲發射信號頻率范圍，確定該類巖石災變聲發射監測優勢頻段。
[0011]作為對上述技術方案的補充和完善，本發明還包括以下技術特征。
[0012]三種所述長方體試樣分別為花崗巖、大理巖和泥質粉砂巖。
[0013]長方體試樣尺寸為50mmX50mmX 100mm的標準長方體，試樣兩端面不平整度誤差小于0.05mm，沿高度兩對邊長度誤差小于0.3mm。
[0014]所述巖石力學試驗機TAW-3000微機控制電液伺服巖石力學試驗機。
[0015]三種類型聲發射傳感器的型號分別為R6 a，Nano30和WD型傳感器，其工作頻率為35kHz ?100kHz，125kHz ?750kHz 和 100kHz ?1000kHz。
[0016]使用本發明可以達到以下有益效果:本發明利用多頻段傳感器耦合信息為確定依據，保證了求解的科學性。本發明去除了用戶的主觀判斷，通過多傳感器技術確定巖石災變過程的聲發射優勢頻段特征，揭示巖石破裂過程聲發射監測的適宜頻段，為巖石聲發射監測選擇合適的傳感器提供科學依據。本發明可以準確快速的確定巖石聲發射優勢頻段，簡單高效，易于推廣應用。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的流程圖；
[0018]圖2為本發明中單軸壓縮條件下聲發射傳感器的位置圖；
[0019]圖3為本發明中單軸壓縮條件下實驗現場圖；
[0020]圖4為本發明中某一聲發射信號主頻提取過程圖，圖4(a)為原始聲發射波形信號圖，圖4(b)為對波形信號進行快速傅里葉變換，獲得該信號的二維頻譜圖；
[0021]圖5為本發明中單軸壓縮條件下花崗巖主頻與幅值的關系曲線圖；
[0022]圖6為本發明中單軸壓縮條件下泥質粉砂巖主頻與幅值的關系曲線圖；
[0023]圖7為本發明中單軸壓縮條件下大理巖主頻與幅值的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細描述。
[0025]如圖1-圖7所示，本發明一種基于多傳感器技術的巖石災變聲發射優勢頻段確定方法，包括以下步驟:
[0026]步驟S1:制備不同巖性的標準長方體試樣，選擇巖石試樣，并制備成50mmX50mmX 100mm的標準長方體試樣。
[0027]步驟S2:如圖2所示，放置試樣，固定聲發射傳感器。
[0028]將巖石試件安裝在壓力機的試樣臺1上，在長方體試樣2中部安裝三個不同類型聲發射傳感器，三種類型傳感器的型號分別為R6 α 3，WD 4和Nano305型傳感器，其工作頻率為35kHz?100kHz，125kHz?750kHz和100kHz?1000kHz。試驗時在傳感器和試樣之間涂上凡士林6，增強二者耦合性，減少聲發射信號的衰減。
[0029]步驟S3:如圖3所示。采用壓力機對試件進行單軸加載，利用R6 a，Nano30和WD三種類型聲發射傳感器采集巖石試樣破裂全過程的聲發射信號。
[0030]試驗中采用的加載系統為TAW - 3000伺服巖石力學試驗機，單軸加載采用軸向等位移控制方式加載，為保證試樣與加載面完全接觸，避免接觸時所產生的接觸噪聲影響聲發射監測結果，先預加載至1.5kN，隨后以0.2mm/min的速率加載至破壞。試驗過程中采用聲發射系統實時同步監測試樣的破裂過程，聲發射采用美國物理聲學公司PAC生產的PC1- 2型多通道聲發射監測系統。
[0031]步驟S4:如圖4所示，利用自主研發的聲發射頻譜分析系統，提取聲發射信號的主頻。以某聲發射波形為例，來說明聲發射信號主頻提取過程。利用自主研發的聲發射頻譜分析系統，提取原始聲發射波形信號，如圖4(a)所示。對波形信號進行快速傅里葉變換，獲得二維頻譜圖，如圖4(b)所示。定義主頻為二維頻譜圖中最大幅值所對應的頻率。觀察此波形二維頻譜圖，可知該聲發射信號主頻為37.llkHzo
[0032]步驟S5:利用步驟S4方法，分別對巖石破壞過程三種類型傳感器接收的所有聲發射信號進行快速傅里葉變換，繪制三種傳感器條件下聲發射信號幅值-主頻關系圖。
[0033]選擇試樣從加載到破壞整個過程三種類型傳感器接收的聲發射波形信號，對所有波形進行FFT變換，獲得不同時刻聲發射信號主頻和主頻幅值信息，繪制三種類型傳感器條件下聲發射信號幅值-主頻關系圖。
[0034]步驟S6:對比分析三種類型傳感器條件下聲發射信號幅值-主頻關系圖，觀察其頻率范圍特征，確定此類巖石破裂過程聲發射監測優勢頻段。
[0035]為獲得更好效果，對如下實施例進行了試驗。
[0036]實施例1:
[0037]本實施例為單軸壓縮條件下采用多傳感器技術確定花崗巖的聲發射優勢頻段，現進行以下操作:
[0038](1)對山東萊州某礦區花崗巖進行加工，制備成50mmX50mmX 100mm的標準長方體試樣。
[0039](2)如圖2所示，將巖石試件安裝在壓力機的試樣臺上，在該巖樣1中部安裝三個不同類型聲發射傳感器，三