一种岩石灾变声发射优势频段确定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩石灾变声发射频段领域，尤其与一种适用于为矿山工程服务的岩石力学试验的采用多传感器技术确定岩石压缩条件下声发射优势频段的方法有关。
【背景技术】
[0002]声发射(Acoustic Emiss1n，简称AE)技术是利用岩石变形过程中，内部破裂的产生和破裂面之间的摩擦滑动所辐射的超声波信息，连续不断地观测岩石材料内部微破裂的动态演化，以此来研究岩石变形、破坏的微观机制，在岩体的稳定性研究方面有重要作用，被广泛应用于研究岩石等材料的破坏研究。近些年来，学者们开始从声发射波谱分析的角度对岩石破裂发生机理进行研究，寻求岩石破裂的充分必要条件。声发射波形携带有岩石受力状态、结构、物理力学性质等全部信息，分析波谱信息能够更好了解岩石破坏机制及破坏前兆。目前，关于岩石声发射频谱特征研究出现困境，表现为针对某种岩石我们难以精确确定观测系统本身(主要是传感器)的响应频段，无法选择合适的声发射传感器。上述问题出现的根本原因在于对岩石破裂过程声发射监测的优势(适宜)频段缺乏认知，因此，探索岩石声发射主频段显得尤为重要，确定哪个频段的声发射信号更能揭示(体现)岩石的破裂过程，获取岩石破裂过程声发射监测的适宜频段。总的来讲，岩土体材料的声发射频率范围大致在1kHz?500kHz，然而不同岩性及不同实验条件下岩石的声发射频率不尽相同。而我们目前岩石的声发射监测试验中运用的多为单一谐振频率的声发射传感器，且往往是根据经验判断，任意选择某一频段用于无损检测的声发射传感器，盲目地直接用于对岩石进行声发射监测，不够科学合理。因此亟需提供一种新型的岩石灾变声发射优势频段确定方法，因此本专利申请人就是在这种情况下，开发了一种基于多传感器技术确定岩石灾变声发射优势频段的方法。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的旨在提供一种基于多传感器技术确定岩石灾变声发射优势频段的方法，以揭示岩石灾变过程的声发射优势频段特征，进一步获取岩石破裂过程声发射监测的适宜频段。
[0004]为此，本发明采用以下技术方案:一种岩石灾变声发射优势频段确定方法，其特征是，包括以下步骤:
[0005]1)制备不同岩性的标准长方体试样；
[0006]2)将三种不同类型声发射传感器贴在制备好的长方体试样上，传感器和试样之间涂凡士林，增强二者之间的耦合性，减少声发射信号的衰减；
[0007]3)利用岩石力学试验机对试样施加载荷，利用三种不同类型声发射传感器同时接收试样破裂全过程产生的声发射信号；
[0008]4)利用声发射频谱分析系统，对接收到声发射信号进行快速傅里叶变换，获得二维频谱图；二维频谱图中最大幅值对应的频率为该声发射信号的主频；最大幅值为此信号主频幅值；
[0009]5)选择试样从加载到破坏整个过程三种类型传感器接收的声发射波形信号，对所有波形进行FFT变换，获得不同时刻声发射信号主频和主频幅值信息，绘制三种类型传感器条件下声发射信号幅值-主频关系图；
[0010]6)对比分析三种类型传感器条件下声发射信号幅值-主频关系图，观察三种类型传感器接收声发射信号频率范围，确定该类岩石灾变声发射监测优势频段。
[0011]作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。
[0012]三种所述长方体试样分别为花岗岩、大理岩和泥质粉砂岩。
[0013]长方体试样尺寸为50mmX50mmX 100mm的标准长方体，试样两端面不平整度误差小于0.05mm，沿高度两对边长度误差小于0.3mm。
[0014]所述岩石力学试验机TAW-3000微机控制电液伺服岩石力学试验机。
[0015]三种类型声发射传感器的型号分别为R6 a，Nano30和WD型传感器，其工作频率为35kHz ?100kHz，125kHz ?750kHz 和 100kHz ?1000kHz。
[0016]使用本发明可以达到以下有益效果:本发明利用多频段传感器耦合信息为确定依据，保证了求解的科学性。本发明去除了用户的主观判断，通过多传感器技术确定岩石灾变过程的声发射优势频段特征，揭示岩石破裂过程声发射监测的适宜频段，为岩石声发射监测选择合适的传感器提供科学依据。本发明可以准确快速的确定岩石声发射优势频段，简单高效，易于推广应用。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的流程图；
[0018]图2为本发明中单轴压缩条件下声发射传感器的位置图；
[0019]图3为本发明中单轴压缩条件下实验现场图；
[0020]图4为本发明中某一声发射信号主频提取过程图，图4(a)为原始声发射波形信号图，图4(b)为对波形信号进行快速傅里叶变换，获得该信号的二维频谱图；
[0021]图5为本发明中单轴压缩条件下花岗岩主频与幅值的关系曲线图；
[0022]图6为本发明中单轴压缩条件下泥质粉砂岩主频与幅值的关系曲线图；
[0023]图7为本发明中单轴压缩条件下大理岩主频与幅值的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。
[0025]如图1-图7所示，本发明一种基于多传感器技术的岩石灾变声发射优势频段确定方法，包括以下步骤:
[0026]步骤S1:制备不同岩性的标准长方体试样，选择岩石试样，并制备成50mmX50mmX 100mm的标准长方体试样。
[0027]步骤S2:如图2所示，放置试样，固定声发射传感器。
[0028]将岩石试件安装在压力机的试样台1上，在长方体试样2中部安装三个不同类型声发射传感器，三种类型传感器的型号分别为R6 α 3，WD 4和Nano305型传感器，其工作频率为35kHz?100kHz，125kHz?750kHz和100kHz?1000kHz。试验时在传感器和试样之间涂上凡士林6，增强二者耦合性，减少声发射信号的衰减。
[0029]步骤S3:如图3所示。采用压力机对试件进行单轴加载，利用R6 a，Nano30和WD三种类型声发射传感器采集岩石试样破裂全过程的声发射信号。
[0030]试验中采用的加载系统为TAW - 3000伺服岩石力学试验机，单轴加载采用轴向等位移控制方式加载，为保证试样与加载面完全接触，避免接触时所产生的接触噪声影响声发射监测结果，先预加载至1.5kN，随后以0.2mm/min的速率加载至破坏。试验过程中采用声发射系统实时同步监测试样的破裂过程，声发射采用美国物理声学公司PAC生产的PC1- 2型多通道声发射监测系统。
[0031]步骤S4:如图4所示，利用自主研发的声发射频谱分析系统，提取声发射信号的主频。以某声发射波形为例，来说明声发射信号主频提取过程。利用自主研发的声发射频谱分析系统，提取原始声发射波形信号，如图4(a)所示。对波形信号进行快速傅里叶变换，获得二维频谱图，如图4(b)所示。定义主频为二维频谱图中最大幅值所对应的频率。观察此波形二维频谱图，可知该声发射信号主频为37.llkHzo
[0032]步骤S5:利用步骤S4方法，分别对岩石破坏过程三种类型传感器接收的所有声发射信号进行快速傅里叶变换，绘制三种传感器条件下声发射信号幅值-主频关系图。
[0033]选择试样从加载到破坏整个过程三种类型传感器接收的声发射波形信号，对所有波形进行FFT变换，获得不同时刻声发射信号主频和主频幅值信息，绘制三种类型传感器条件下声发射信号幅值-主频关系图。
[0034]步骤S6:对比分析三种类型传感器条件下声发射信号幅值-主频关系图，观察其频率范围特征，确定此类岩石破裂过程声发射监测优势频段。
[0035]为获得更好效果，对如下实施例进行了试验。
[0036]实施例1:
[0037]本实施例为单轴压缩条件下采用多传感器技术确定花岗岩的声发射优势频段，现进行以下操作:
[0038](1)对山东莱州某矿区花岗岩进行加工，制备成50mmX50mmX 100mm的标准长方体试样。
[0039](2)如图2所示，将岩石试件安装在压力机的试样台上，在该岩样1中部安装三个不同类型声发射传感器，三