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岩石变形声发射数据处理方法研究

巴晶  
【摘要】:声发射(Acoustic Emission,缩写为AE)技术是现代岩石力学和实验地震学的一种重要手段。AE源定位及相关技术是AE研究中的核心技术,精确地确定AE源的位置,是依据AE资料分析岩石变形破坏过程的基础。国内外学者在此方面已做了大量工作、取得了重要进展。然而,随着AE观测设备技术水平的提高和岩石标本结构的复杂化,海量实验数据的高效和精确处理依然是需要深入研究的问题。结合笔者所在实验室AE研究的需求,在此方面开展了一些研究,其中包括:在实验室已有工作的基础上,建立了一套实验室AE数据处理系统,提高了AE数据处理的效率;采用虚拟震源、“落珠”实验、岩石变形实验数据的处理分析等手段,对实验室开发的几种定位方法的精度进行了系统的检测,并评价了它们的特长与适用性,为AE源定位技术的进一步的改进、应用与选择提供了依据。 1.声发射实验数据处理系统的建立 AE源定位研究可分为到时拾取、定位运算、定位结果的后处理三部分。实验室现有定位程序中,有些程序由于到时拾取依靠人工识别获得,耗时费力,无法满足大量数据的有效处理;由于各种定位方式的输出结果格式各异,后处理工作难以进行。鉴于这些问题的存在,本文基于VC++平台与Matlab小波工具箱开发了预处理与后处理程序,在集成已有三种定位方法的基础上,提出了一套集信号预处理、定位运算、结果后处理、时间过程分析等各种功能在内的AE数据处理系统,降低了AE数据处理的繁杂程度,提高了实验室AE研究的工作效率。 2.对三种声发射定位方法的检测 实验室现有三种AE源定位方法是不同作者根据自身的研究需要独立开发的,对不同定位方法的定位精度、优劣点及适用性缺乏系统的比较和评价,因此难以根据实验标本的特点选择有效的定位方法。本文从三个方面对三种不同的定位方法进行了系统的比较分析。 (1)在假定空间设置虚拟震源,计算走时进行虚拟定位实验,将理论计算得到的到时数据用不同大小的偏差进行扰动,再代入三种定位方法,对定位结果进行检测,各种方法的定位效果如下:①慢度离差法,虽然无法做到精确定位,而且可能出现误定情况,但是这种方法稳定性最好,定位精度始终保持在一定的较小范围内;②联合反演法,对于高精度的到时数据可能达到精确定位,但随着误差扰动的增加,定位精度有所下降;③绝对定位法,随着误差扰动的增加定位精度有明显下降,而且定位结果在深度方向误差很大,可信度低,相对定位法比绝对定位法在定位精度上有所提高,但相对定位结果与主事件坐标的选取相关。 lI (2)在完整岩石样品表面,用小钢珠对岩样表面的固定检测点进行落体实验, 记录钢珠与岩表碰撞产生的振动信号,使用不同定位方法进行处理。结果如下: ①慢度离差法,定位结果有向标本中部偏移的趋势,标本内固定存在误差较大的 “误定区域”;②联合反演法,在给定震源深度及预测波速情况下,这种定位方 法精度最高,并且定位结果不会出现向标本中部偏移的趋势;③绝对定位法误差 较大,定位结果可信度低,定位结果有明显向标本中部偏移的趋势,而在绝对定 位法基础上,使用相对定位法会造成数据损失。 (3)利用三种定位方法对岩石变形实验数据进行了处理,结果表明:①慢度离 差法有比较大的几率出现误定情况,而且这种方法缺乏对有效信号的判别能力, 但是,这种方法有较好的适用性与稳定性,适用于各种尺寸与各种结构的岩石样 品;②联合反演法,定位结果在主破裂带附近呈现聚集现象,但是这种方法仍不 能清晰地表现次生破裂带与标本构造,因此不适合处理含复杂构造岩石样品的实 验数据;③绝对定位法,虽然定位结果在深度方向误差较大,但是定位结果有可 能揭示实验过程中主破裂带以外的次生破裂带与标本内预置断层的滑动,因此, 这种方法可以辅助研究标本破裂变形过程中的断层运动,对于含复杂构造的岩石 力学实验的数据处理,有特殊意义。其次,相对定位法在精度上并未比绝对定位 法有明显提高,而且相对定位结果中的AE丛集带有向主事件位置偏移的现象, 随着标本尺寸的增加,这一现象越发明显,因此,对于较大的岩石样品,相对定 位方法不适宜使用。 3.对三种声发射定位方法的综合评价和使用建议 (l)由蒋海昆开发的慢度离差法应用了遗传算法,因遗传算法迭代过程中收敛 于局部最小值,定位结果中易出现误定,同时,这种方法缺乏对AE有效信号的 判别能力,因此在使用该方法之前,可设置较高门槛值,对原始数据进行筛选, 以此来提高到时数据的质量,减少误定的可能。这种定位方法对误差扰动的稳定 性好,适用于各种岩石标本。 (2)由雷兴林开发的联合反演法速度较快、精度较高,但目前这种方法只能进 行二维定位,震源深度与波速需作为确定参数输入,因此使用这种定位方法,必 须在实验中精确测量波速。由于波速与震源深度被设为定值,这种方法能适用于 厚度较薄、构造简单的样品。 (3)由胡新亮开发的绝对定位算法与相对定位算法,绝对定位结果在深度上可 信度低,相对定位结果有向主事件坐标偏移的现象,因此对于尺寸较大、破裂区 域较大的样本,不适宜使用相对定位算法,


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