[发明专利]基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法

说明书

本发明属于岩土工程测试技术领域，具体涉及一种基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法，包括：获取岩石/岩体破坏过程的声发射/微震信息；基于声发射/微震数据进行矩张量反演；基于反演结果对裂纹形成过程中形成的动能、表面能、摩擦能进行量化计算并对量化结果进行修正计算，在声发射数据驱动下利用云图形式表现的空间分布。本发明能有效的量化分析岩石破坏过程中耗散能的时空分布规律，与以往的耗散能计算方法相比不引入裂纹尺寸，使计算过程更加简洁，减少因裂纹尺寸量化结果不准确带来的误差，为从能量角度探究岩石的变形破坏机理提供了新思路。

技术领域

本发明属于岩土工程测试技术领域，涉及基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法。

背景技术

岩石力学行为研究与矿山开采等地下工程密切相关，岩石破坏及突然失稳的现象广泛存在于岩石工程实践中，岩石变形与破坏是岩石力学研究的根本问题。岩石在变形破坏过程中应力应变状态是一个复杂的过程，在不同应力条件下，岩石失稳破坏特征呈现复杂变化。不同应力路径下岩石具有完全不同的破坏方式，现有的强度理论与破坏准则很难有效解释岩石局部变形特征和整体破坏行为，简单的以应力或应变大小作为破坏判据是不合适的，传统弹塑性理论研究煤岩体的破坏机理很难达到令人满意的结果。

实际上，岩体的破坏归根结底是能量驱动下的一种时间、空间状态下的失稳现象，能量作为岩石变形破坏全过程的内在变量，其演化规律能较好的反映岩体内部损伤情况，因此，从能量的角度研究煤岩变形破坏过程，会更为真实地反映其损伤破坏机理。岩体本身性质及所处地质环境的复杂性决定了从理论上分析岩体的破坏过程是很困难的，必须结合现场监测手段。利用微震监测可以接收岩体破裂时释放出的弹性波，通过分析计算岩石破坏过程中释放的动能、表面能、摩擦能，进而分析岩石破坏过程中耗散能的时空演化规律。

目前，对于摩擦能、表面能的量化计算广泛采用的公式如下：

式中：μ_f为裂纹面的摩擦系数；σ_ni为裂纹i上的法向应力；为裂纹i在平行其所在平面方向上发生的平均错动位移量；r_i为裂纹i上任一点与裂纹面中心之间的距离；a_i为裂纹i对应的半径。

式中：K_C为第i个裂纹的断裂韧度(C＝I或II)，取决于裂纹的破裂机制(剪切破裂或张拉破裂)。

对于以上的计算方法，引入参数a_i为裂纹i对应的半径，因裂纹量化困难且量化结果不准确，导致计算结果与真实的岩石破坏相差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法，在对检测到的声发射数据进行反演的基础上，通过引入裂纹体积变化量实现对耗散能量化方法的改进，从而达到更加真实的演化岩石破裂过程中耗散能的时空分布特征的目的。

本发明提供一种基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法，包括以下步骤：

步骤1、在岩石/工程现场安装声发射/微震监测系统，监测岩石/岩体破坏过程中的声发射/微震定位信息以及波形信息；

步骤2、从声发射波形信息中提取初动振幅、进行矩张量反演、解算破裂面张拉角；

步骤3、将裂纹形成过程中的不可逆耗散能简化为裂纹形成或错动过程中释放的动能、裂纹错动过程中的摩擦耗能以及形成新裂纹耗散的表面能，基于矩张量反演结果分别对其量化计算；

步骤4、基于声发射可用率对步骤3中的动能进行修正，基于裂纹体积比对步骤3中的摩擦耗能、表面能进行修正；

步骤5、基于以上步骤对耗散能的量化结果，利用云图的形式来表现耗散能的空间分布，并通过不同时刻的能量空间分布来再现能量耗散的时空分布。