爆破震动与岩石破裂微震信号能量分布特征研究

 以矿山现场微震数据为基础,选取矿山爆破震动信号与岩石破裂微震信号对比研究。首先,运用Matlab的小波包分析模块对微震信号进行5层多尺度分解,分别求取各节点处重构信号的小波包频带能量,对爆破震动信号与岩石破裂信号的频带能量分布特征进行研究;其次,通过建立新的频带空间,对比二者的能量分布特征。结果表明,矿山现场微震信号的频带能量分布特征为：岩体破裂信号的能量多集中于S5,0～S5,7低频频带(0～125 Hz),爆破震动信号的能量则在S5,24～S5,31频带(375～500 Hz)表现得较为集中。该分析方法为矿山识别爆破震动事件与岩石破裂事件提供了一种思路,利用二者能量分布差异大、特征对比明显的特点,通过对比新频带空间内的能量分布特征,可以实现对两类微震波形的初步辨识。     

砂岩单轴压缩微震响应小波包能谱特征

选取砂岩岩样,通过装有ESG微震监测系统的MTS液压伺服试验机进行单轴压缩实验,分析在加载模式下的岩石强度及变形破坏特征。运用小波包能量谱理论,提取了突变信号的频带能量和事件数,获得了砂岩单轴压缩条件下的应力应变曲线以及应力应变过程曲线中4个阶段的微震响应特征。在初始压密和弹性阶段,没有微震信号、频带归一化能量为零、事件数为零;在应力屈服阶段,微震信号多、频带归一化能量大、有大量事件数产生;在破坏阶段,微震信号丰富、频带归一化能量达到峰值后降低、事件数减少。砂岩破裂微震信号频率响应主要集中在375~625 Hz。由于岩石每个变形阶段具有不同的微震响应特征,因此,可用微震动态响应小波包能谱特征来表征岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。     

基于FSWT时频分析的矿山微震信号分析与识别

采用频率切片小波变换技术(frequency slice wavelet transform,FSWT)对典型的矿山岩体微震信号和爆破振动信号进行了研究。首先利用FSWT分解一组信号,对两类波形进行了时频特性分析;然后利用其逆变换能切割任意频率区间的特点,构造6个连续的子频带并得到重构信号,并通过划分更细化的子频带,进行了两类信号不同的能量分布特性对比研究。研究结果表明:该矿山岩体微震信号和爆破振动信号的能量主要都分布于100 Hz以下,其中岩体微震信号的能量主要集中在0~50 Hz,爆破振动信号则主要集中在50~100 Hz;对于高于100 Hz区域,爆破振动信号所占能量比例更大。     

基于EMD_SVD的矿山微震与爆破信号特征提取及分类方法

针对矿山微震与爆破信号难以识别的问题,提出了基于经验模态分解(EMD)和奇异值分解(SVD)的矿山信号特征提取及分类方法。首先对微震与爆破信号进行EMD分解,再借助相关系数和方差贡献率筛选得到主要本征模态分量为IMF1~IMF6,进而利用SVD计算主要本征模态分量构成矩阵的奇异值σ_i(i=1,2,...,6),最后应用支持向量机(SVM)对用沙坝矿微震与爆破信号进行分类。结果表明:微震与爆破信号的奇异值σ_1,σ_2和σ_3差异较大,且σ_1(28)7.5作为识别分界值时准确率达到了88.25%;SVM法识别效果优于BP神经网络法、Bayes法和单一奇异值分界值法,且SVM法准确率达到了93.0%。由此,该方法可为矿山微震与爆破信号特征提取和分类提供一种新方法。     

基于ST时频分析的地下厂房微震信号识别研究

利用S变换(S Transform,ST)分析地下厂房岩石破裂、爆破振动信号的频率特征,通过频带能量分布比例对其进行量化研究,并作为信号特征,建立基于遗传算法优化的BP神经网络模型,实现信号的准确分类。在白鹤滩水电站左岸地下厂房微震监测资料的基础上,通过MATLAB编制相应程序,对信号进行ST时频分解,并求解各子频段的能量分布比例。通过信号的频带能量分布特征,结合遗传算法优化的BP神经网络对400组地下厂房2类拾取信号进行训练,建立分类识别模型,并对100组测试信号进行分类预测。研究结果表明:岩石破裂与爆破振动信号表现出明显的频带能量分布差异;建立的基于遗传算法优化的BP神经网络模型能对2类信号进行有效识别,识别精度达98%,研究方法可为类似工程的微震监测波形识别模型的建立提供参考。     

基于矿山钻孔应变观测数据时程分形特征的冲击地压前兆分析

开采诱发的冲击地压活动与区域应力场之间存在着密切相关关系,为探究冲击地压孕育过程中相关区域岩体内部应力场的演化机制及灾害发生前兆信息,研究将钻孔应变观测技术首次应用到矿山动力灾害监测中,并采用分形盒维数定量分析钻孔应变数据时程变化特征及其与冲击地压的相关关系。结果表明,钻孔应变观测技术应用到矿山动力灾害监测中,可直接、准确地记录冲击地压发生前后区域内岩体的应变微动态变化过程;运用分形方法处理具有固体潮趋势背景的钻孔应变数据简单而有效,分形盒维数可量化评价应变数据的复杂变化和固体潮畸变异常程度;钻孔应变数据的分形盒维数时程变化,定量表征了冲击地压的非线性时空演化过程,可将盒维数的"升高→降低"变化作为冲击地压发生的前兆判据。     

矿山微震波形特征自动模式识别算法研究

微震监测技术在矿山的应用需求日益增加,但还没有实现对有效信号与噪音信号的自动识别,严重制约了其应用效果与推广普及.深入研究与梳理了矿山强噪音环境下各主要待识别模式类,分别为凿岩、无轨设备行驶、溜井倒矿、电磁干扰、爆破与有效信号共六类,将有效信号模式类分为小能量事件与大能量事件2个子集,详细研究了各模式类的发生机制.通过...     

深部岩体隧洞即时型岩爆微震震源体积的分形特征研究

根据即时型岩爆孕育及发生过程中微震信息的自相似性,提出了一种震源体积的分形计算方法。运用上述方法,基于锦屏二级水电站施工排水洞及4条引水隧洞施工过程中的大量不同类型、等级的即时型岩爆案例,展开微震事件震源体积分布的分形行为研究。研究结果表明:即时型岩爆孕育及发生过程中的微震信息震源体积分布是具有分形结构的;即时性应变型岩爆体积分形维数大于0.7,即时性应变–结构面滑移型岩爆体积分形维数小于0.6,这意味着根据微震事件体积分形维数可以对即时性岩爆的类型进行区分;对于即时型岩爆来说,岩爆等级越强则微震体积分形维数值越大;对于即时性应变–结构面滑移型岩爆,结构面数越多则震源体积分形维数值越小。上述研究结果可以为高地应力条件下不同类型岩爆的预测与防治提供合理的科学依据。     

双江口水电站地下厂房顶拱开挖围岩损伤分析及变形预警研究

以双江口水电站左岸地下厂房为研究对象,构建三维空间"体"微震监测系统,对顶拱开挖过程围岩微震信号进行实时拾取,依据微震活动特征圈定围岩损伤区域,结合常规监测结果与现场探勘情况分析微震活动时空演化与施工动态响应关系;引入分形–岩石力学理论,揭示围岩渐进损伤直至宏观变形全过程分形维值演化规律。研究结果表明:微震活动与施工工况、地质条件密切相关,安装间段厂横0-57m～0-43m下游侧拱肩微震事件聚集由爆破开挖强度及长大岩体裂隙控制;围岩损伤表现出非剪切破裂特征,破裂尺度增大时微震信号呈现低频特征;分形维值出现陡降是岩体发生宏观变形的前兆信号。研究结果可为类似地下厂房开挖围岩损伤分析及变形预警提供参考。     

泡沫混凝土分形维数与抗压强度的关系研究

研究了泡沫混凝土孔结构的分形特征,并利用盒维数法计算泡沫混凝土微观结构图片的分形维数,分析不同孔结构的泡沫混凝土分形维数的变化规律。通过抗压强度试验,研究了分形维数与抗压强度的关系,建立了分形维数与密度的回归方程,对理论值与实测值进行对比。结果表明:泡沫混凝土的孔结构具有分形特征;随着分形维数增大,泡沫混凝土的28d抗压强度和密度逐渐减小;28d抗压强度和密度的计算值与实测值较为接近。     

地震检测波的分形神经网络模式识别

基于分形理论提出了尺度窗分配维的概念,与单一分形维相比,尺度窗分配维集合能更好地对自然界中的无规分形进行全面、细致的描述,形成其分形特征向量。将分形特征向量作为输入矢量,通过标准样本集的学习,建立基于分形分析的复杂非线性系统 RBF 神经网络辨识模型。以地震检测波为分析对象,尝试将该模型应用于混凝土地下连续墙的区域物性预测,实例证明它的可行性。该方法将分形理论与神经网络的优势联合,提出了一条非线性系统检测识别的新技术路线,在无损检测等多个领域具有应用价值。     

Fractal behaviour of the microseismic energy associated with immediate rockbursts in deep,hard rock tunnels

Rockbursts in tunnels can be a significant hazard. During the development of immediate rockbursts, a series of fractures is generated which can be monitored using microseismic events. A fractal calculation method has been proposed to study the self-similarity of the energy distribution of microseismic events during the development of immediate rockbursts. The proposed method was used to study the fractal behaviour of the energy distribution of microseismic events during the development of immediate rockbursts that occurred in four deep headrace tunnels and one drainage tunnel at the Jinping II hydropower project, China. The overburden of the studied tunnels, which are excavated in marble, is between 1900 m and 2525 m. The tunnels have a total length of 12.4 km. The results indicated that the energy distribution of microseismic events during the development of immediate rockbursts has a fractal structure. The fractal behaviour of microseismic energy during the development of immediate strainbursts and immediate strain-structure slip rockbursts are distinguishable. The energy fractal dimensions of immediate strainbursts were larger than 0.2 but those of immediate strain-structure slip rockbursts were less than 0.2. For both immediate strainbursts and immediate strain-structure slip rockbursts, if the intensity was higher, the energy fractal dimensions were larger. The daily energy fractal dimension for microseismic events increased as approach of the immediate rockbursts. The energy fractal behaviour was used as a guide to establish a dynamic warning system based on the evolution of microseismic events to reduce the risk of immediate rockbursts during excavation of deep, hard-rock tunnels.     

单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频段声发射耦合判据和前兆识别特征

为寻求岩石临界破坏判据和前兆特征,在粗砂岩单轴压缩声发射(AE)试验的基础上,研究了岩石破坏过程中AE信号频段占比随应力变化特征,重点分析高、低两个特征频段占比随应力变化规律,同时对两个特征频段中不同应力水平下AE幅值关联维数进行计算与分析,并建立了基于频段占比与应力间关系的多频段AE信号主频识别判据模型。研究表明:AE信号频段占比的分布特征能较好地诠释岩石破坏所经历的主要过程;岩石破坏过程中,较低频段AE信号(31.25~46.875 k Hz)占比先减小后增大,较高频段AE信号(140.625~156.25 k Hz)占比先增大后减小。在临界破坏状态下,高、低两个特征频段占比分别出现最大值和最小值,且二者中AE幅值关联维数都下降到最低。通过对特征频段占比与应力之间的耦合分析,利用特征频段占比、AE幅值关联维数的变化可更准确地对岩石临界破坏前兆进行判别和预测。     

岩石变形破裂微震、电荷感应、自电位和声发射实验研究

 为有效提取岩石失稳破坏的前兆信息,针对岩石试样在外载荷作用下失稳破坏前伴随有微震、电荷感应、自电位和声发射等信号的变化特性,建立岩石变形破裂过程多参量综合监测系统,对试样在不同加载速率下变形破裂过程微震、电荷感应、自电位和声发射进行同步监测。实验结果表明：试样在失稳破坏前都有明显的微震、电荷感应、自电位和声发射前兆信号,岩石性质不同,岩石变形破裂过程中微震、电荷感应、自电位和声发射信号明显不同,花岗斑岩的前兆信号比大理岩的前兆信号明显丰富。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,可利用声发射进行微裂纹的定位,可以较好地反映电荷感应和自电位前兆信息,试样变形破裂过程的电荷感应和自电位信号比微震信号更早发生,受到的干扰更小,可利用早期的电荷感应和自电位信号进行提前预警,当频繁出现同步且幅值较大的各参量信号时,表明岩石即将进入失稳破坏阶段,可利用微震和声发射对微裂纹进行定位,微震、电荷感应、自电位和声发射信号相互对比分析从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

动载作用下煤体损伤特性的电磁显现特征

电磁是煤岩动力灾害预测的重要手段,掌握电磁信号特征与煤体损伤程度间的关系是灾害预测的关键。通过原煤SHPB试验及瞬变电磁监测,分析煤体冲击破裂过程中的电磁信号(0~3 k Hz频段)特征,从破裂耗能及破碎程度两方面分析试件损伤特性,并探求电磁信号特征(幅值、能量)与煤体破裂损伤特性间的关系,研究发现:(1)分形维数与最终破裂程度规律相似,利用分形维数来定量评价煤体破裂程度是可行的;(2)煤岩冲击破裂电磁信号呈瞬时脉冲状,持续时间仅为微秒级,信号幅值及能量总体随着破碎程度的增大而增大;(3)煤岩冲击破裂电磁信号的幅值及能量与其损伤程度(分形维数)符合较好的线性关系,利用电磁信号特征监测煤岩损伤程度是可行的;(4)受煤岩材料固有缺陷的不确定性及共振破坏现象的影响,煤岩的损伤程度与冲击耗散能间的相关性较弱。研究成果对于利用电磁信号特征评价煤体损伤程度进而预测动力灾害的发生具有重要意义。     

基于到时差值的微震波异常信号识别方法

延迟信号和外部异常信号严重影响微震震源定位精度,为了对它们进行有效识别,基于震源定位理论和微震台网几何特性,建立震源定位的双曲线和双曲面控制方程,揭示到时不同震源定位方法所确定的震源轨迹是一系列二维平面中的双曲线或三维空间中的双曲面,且双曲线或双曲面的形状和位置与到时差值密切相关。论证传感器观测到时之间存在P波到时差值理论极限和延迟信号到时差值理论极限,根据到时差值、微震台网布设和监测空间几何特征,构建2种理论极限的求解模型,建立到时差值分析表,提出根据观测到时差值和2种到时差值理论极限内在关系识别延迟信号和外部异常信号的全新方法。现场爆破实验表明：基于到时差值的微震波异常信号识别方法能够对延迟信号和外部异常信号进行有效识别,在剔除2种异常信号后的震源定位精度得到极大提高,实现对震源的高精度定位,满足现场微震监测需求。     

煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别

 利用微震监测系统,采集平煤十一矿3次煤柱型冲击地压发生前后的微震信号,分析3次冲击地压期间微震信号的时序特征,并利用FFT方法、分形几何原理研究微震信号的频谱特征和分布变化规律。得到如下结论：(1) 煤柱形冲击地压发生前均有一段明显的微震活跃期,表明围岩系统正与外界交换能量,围岩结构处于非稳态的调整期,冲击地压为当次调整期中能量最大的震动,冲击地压发生后,微震活动程度明显下降,出现震后平静期。(2) 冲击地压的主震信号20 Hz以下低频成分占比例较多,波形图中尾波明显且持续时间长,震动能量级别较大。(3) 冲击地压前震主要频谱成分集中在40～100 Hz,前震发生时间距离主震越近,低频成分越多。(4) 微震事件分维值在大的震动(矿震或冲击地压)发生前会持续下降,在大震临近时会降到某个临界值以下。上述规律对确定预测冲击地压的预警指标以及对提高冲击危险程度判别的准确性具有重要意义。     

钢筋无机聚合物混凝土梁裂缝分形特征试验研究

在钢筋无机聚合物混凝土梁正截面抗弯试验过程中,取得各级荷载作用下梁侧面的裂缝图片;通过数字图像的盒计数法验证了钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的发展和分布具有分形特征,并确定了表征裂缝不规则发展的分形维数;证明了钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的盒维数与荷载、跨中挠度、混凝土应变、钢筋应变之间存在定量关系。试验结果表明:分形理论可以用来描述钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的发展过程,分形维数与梁的力学性能之间存在定量关系。     

基于粒子群算法的岩体微震源分层定位方法

 针对微震经典定位法速度模型给不准和联合定位法震源位置、发震时间和微震传播速度相互关联,解不唯一的问题,提出一种微震源定位分层处理方法,先对微震信号进行消噪、分波、到时修正和劣质信号剔除等一系列处理,初步获取正确的有效信号;然后以相邻两传感器监测到时之差与计算到时之差的残差平方和最小为目标,利用粒子群算法,识别微震源位置和速度模型;接着,根据识别到的微震源位置和速度模型,以传感器监测到时和计算到时的残差平方和最小为目标,直接求解微震源发震时间的解析解;最后,再次结合矿山实际开采现状反分析有效微震信号选取的正确性和微震源定位的准确性,必要时再次对微震信号进行处理和定位,较好地解决经典法速度模型给不准和联合法解不唯一的问题。与经典法相比提高了微震定位精度,与联合法相比提高收敛速度和解的稳定性;关联性分析表明某些震源坐标在使用分层法定位时和速度具有一定的关联性,并给出震源坐标和速度相互关联的必要条件和相互关联的几个特殊位置;算法性能分析表明为了进一步提高算法的收敛速度、定位精度和解的稳定性,传感器布置要尽量：(1) 使重点关注的区域位于传感器阵列之内,且距离传感器尽量近,(2) 避免可能发生微震的震源处于能使震源坐标和速度相互关联的位置上。现场爆破试验进一步验证微震源分层定位方法的可行性;最后讨论几种速度模型的选取,分析几种速度模型的优劣及工程应用的可能性。