一种考虑裂缝能量衰减影响的岩石破裂能量反算方法

本发明属于岩石力学与岩土工程监测分析，具体而言，涉及一种考虑裂缝能量衰减影响的岩石破裂能量反算方法，用于岩体损伤演化分析、地下工程稳定性评价、岩爆灾害预警和复杂岩体结构安全监测。

背景技术：

1、在岩石工程和地质监测领域，声发射/微地震监测技术被广泛用于捕捉岩石内部破裂事件。通过在岩体表面或内部布设振动传感器阵列，采集岩石破裂产生的弹性波信号，可对破裂源进行定位并估算其释放能量。破裂能量是评价岩体损伤程度、预测岩爆等动力灾害的重要参数，其反算精度直接关系到工程安全性评估的可靠性。

2、现有岩石破裂能量反算方法通常以破裂源定位结果为基础，根据弹性波传播距离、介质衰减特性和传感器接收响应估算破裂源释放能量。此类方法多将破裂源与传感器之间的传播介质视为连续均匀介质，主要考虑材料内部吸收、传播距离和品质因子q等因素引起的能量衰减，通过建立传播距离与振幅衰减之间的经验或半经验关系，将传感器接收能量外推至破裂源位置。

3、然而，实际岩体中普遍存在不同尺度、不同方向的天然裂缝和采掘诱导裂缝。弹性波由破裂源向传感器传播并经过裂缝区域时，会在裂缝界面发生散射、反射、透射和局部能量耗散，导致传感器接收的有效能量相对于无裂缝条件进一步降低。因此，即使破裂源定位准确，若能量反算未计入传播路径中裂缝造成的附加能量损失，所得破裂源释放能量仍可能被显著低估，进而影响岩石破裂能量评价的准确性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供的一种考虑裂缝能量衰减影响的岩石破裂能量反算方法，能够解决现有岩石破裂能量反算方法将传播介质视为连续均匀介质，未考虑传播路径上裂缝散射引起的附加能量损失，导致破裂源释放能量被低估；同时，裂缝散射衰减与基质吸收衰减未解耦、多裂缝共同作用缺乏表征、能量补偿未体现裂缝频率相关特征、衰减与频散未协同修正，影响反算结果的准确性的技术问题。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明提供一种考虑裂缝能量衰减影响的岩石破裂能量反算方法，其中，包括以下步骤：

4、s01获取已有的岩石破裂源定位结果、多通道传感器采集的弹性波波形信号以及传感器空间布置参数，确定破裂源至各传感器的传播路径；

5、s02获取岩石内部裂缝检测信息，提取传播路径上裂缝的数量、尺度、空间分布及几何形态参数，采用裂缝密度和等效裂缝尺度表征裂缝分布特征；

6、s03将弹性波沿传播路径的总能量衰减分解为岩石基质吸收衰减和裂缝散射附加衰减两个相互独立的分量，建立与频率相关的等效品质因子，使裂缝散射附加衰减从总衰减中分离；

7、s04：根据裂缝密度、等效裂缝尺度与弹性波波长的相对关系，选择对应的散射模型，建立裂缝结构参数与裂缝散射附加衰减之间的定量映射关系；

8、s05：基于有效介质理论，根据裂缝密度水平对裂缝群共同作用下的有效波数和传播速度进行修正，表征多裂缝相互作用及多次散射对弹性波传播特征的影响；

9、s06：构造包含裂缝散射附加衰减项的频率相关补偿函数，对各通道接收信号按频率成分施加差异化的能量补偿，并通过补偿稳定性约束确定有效补偿频段，以抑制高频过度补偿；

10、s07：依据弹性波衰减与频散之间的因果物理关系，计算裂缝散射引起的传播速度变化量，并沿传播路径修正弹性波传播时间；

11、s08：基于经补偿和修正后的波场信号，在有效补偿频段内计算破裂源释放能量估计值，并以裂缝衰减特征和传播速度特征的实测值与模型值偏差最小为目标，联合优化裂缝参数，迭代收敛后输出结果。

12、上述技术方案产生的技术效果如下：

13、构建了裂缝影响识别—衰减机制解耦—裂缝能量补偿—频散走时修正—破裂能量反算的技术链路，通过将传播路径上的裂缝结构从被忽略的背景因素提升为独立的能量衰减影响因子，对总衰减进行基质吸收与裂缝散射的解耦分离，并依次完成散射定量表征、多裂缝修正、分频能量补偿、走时修正和联合优化，解决了现阶段因忽略裂缝附加衰减而导致破裂源能量被低估的问题。使反算结果能够真实反映含裂缝岩体中非均匀弹性波传播的能量损失特征。

14、在上述技术方案的基础上，本发明的一种考虑裂缝能量衰减影响的岩石破裂能量反算方法还可以做如下改进:

15、其中，裂缝密度根据单位体积内裂缝数量与裂缝等效尺度的三次方确定，以综合表征裂缝的数密度与空间占据程度；对于不规则三维裂缝，将三个主轴方向的尺度按几何均值折算为等效裂缝尺度，使非规则裂缝的散射能力等效为标准圆盘裂缝。

16、上述技术方案产生的技术效果如下：

17、裂缝密度和等效半径的定义为不同尺度、不同形态裂缝提供了统一的定量表征参数。裂缝密度将裂缝数量和尺度综合为一个可沿传播路径积分的标量场，等效半径将非规则三维裂缝的散射能力等效为圆盘模型，使得后续散射衰减计算不依赖裂缝的具体取向和复杂几何形状，大幅提高了方法的工程适用性。

18、其中，在步骤s03中，岩石基质吸收衰减采用频率幂律模型表征，裂缝散射附加衰减采用与裂缝密度和裂缝尺度相关的频率高次幂模型表征；利用品质因子的可加性，将两类衰减对应的品质因子倒数叠加，得到随频率变化的等效品质因子，使基质吸收项和裂缝散射项在频域上具有可辨识的不同频率依赖特征。

19、上述技术方案产生的技术效果如下：

20、总衰减解耦模型及品质因子可加性关系，将岩石基质的粘弹性吸收与裂缝的弹性散射两种物理机制截然不同的衰减从数学上严格分离；

21、频率相关等效品质因子中基质项随变化（γ≈1时近似频率无关）而裂缝项随增长，两者频率依赖性的显著差异使裂缝影响可被明确辨识，能够解决将裂缝衰减混入基质q值导致参数物理含义不清的问题。

22、其中，在步骤s04中，根据裂缝等效尺度与弹性波波长的比值选择散射模型：当裂缝尺度远小于波长时，采用瑞利散射模型，使裂缝散射附加衰减与裂缝密度成正比、与频率的四次方成正比；当裂缝尺度与波长处于同一数量级时，切换至米氏散射模型并引入尺度修正因子，以覆盖瑞利模型不适用的中等尺度裂缝范围。

23、上述技术方案产生的技术效果如下：

24、通过构建瑞利散射模型给出小尺度裂缝条件下散射衰减与裂缝密度成正比、与频率成正比的定量关系：

25、和

26、该解析表达式将裂缝几何参数直接映射为频率相关衰减系数，计算效率高，为裂缝影响下的能量补偿提供了精确的衰减参数输入。的频率依赖特性解释了高频信号穿过裂缝区域后能量损失更为剧烈的实测现象。

27、进一步的，对于非等径裂缝，在散射模型中引入裂缝长宽比形状修正因子，对扁平状或椭圆状裂缝的散射衰减进行修正；对于存在连续尺度分布的裂缝群，对裂缝尺度分布函数在全尺度范围内分段积分，以累计不同尺度裂缝各自的散射贡献；

28、上述技术方案产生的技术效果如下：

29、通过对米氏散射修正函数和非等径裂缝形状修正函数的引入，将散射衰减的适用范围从小尺度瑞利散射区（）扩展至裂缝与波长同量级的米氏散射区，并覆盖了扁平、椭圆等非圆盘状裂缝。使得该方法具备在裂缝尺度分布范围广的工程场景，如现场隧道微地震监测中裂缝尺度从0.1m到数米的场景中仍能准确计算散射衰减，避免了瑞利模型在不满足远小于1条件时的系统性高估。

30、其中，在步骤s05中，当裂缝密度低于预设阈值时，采用一阶有效介质近似计算有效波数和等效传播速度；当裂缝密度高于预设阈值时，采用考虑裂缝间多次散射和相干效应的多次散射模型修正复有效波数，并以复有效波数的虚部作为多次散射条件下的有效衰减参数，实现根据裂缝密度水平自适应选择修正策略；

31、上述技术方案产生的技术效果如下：

32、采用foldy有效介质模型将离散裂缝群等效为均匀有效介质，通过有效波数和有效速度表征了裂缝密度对传播速度的系统性降低效应；

33、采用waterman-truell多次散射模型进一步考虑了高裂缝密度下裂缝间的多重散射和相干效应，取复波数虚部作为有效衰减。两级修正策略使方法能够自适应不同裂缝密度水平，在低裂缝密度时保持计算简洁，在高裂缝密度时保证精度，提高了对复杂裂缝岩体的适用性。

34、其中，在步骤s06中，补偿函数同时包含基质吸收补偿项和裂缝散射补偿项，其中裂缝散射补偿项的补偿量随频率升高而非线性增长，使高频成分获得与裂缝散射损失相匹配的更大补偿；以预设最大补偿增益为约束条件求解补偿上限频率，仅在有效补偿频段内执行补偿，超出该频段的频率成分予以截断或衰减，防止高频噪声被过度放大。

35、上述技术方案产生的技术效果如下：

36、采用包含裂缝散射衰减项的分频反q补偿函数：

37、

38、使补偿量随裂缝衰减的频率特性自适应变化—高频成分因裂缝散射衰减更大而获得更多补偿，低频成分补偿量较小，克服了恒定q补偿无法表征裂缝频率选择性衰减的缺陷；

39、补偿稳定性约束方程以最大增益为上限自动确定截止频率，有效抑制了高频端反q滤波固有的噪声放大问题，在裂缝衰减补偿与数值稳定性之间取得平衡。

40、其中，在步骤s07中，依据衰减与频散的因果约束关系，将裂缝密度引起的静力速度降低和频率相关的动态速度频散分别计算后叠加，得到各频率成分的速度变化量；沿破裂源至传感器的实际传播路径，以修正后的频率相关速度逐段积分传播时间，使能量补偿所依据的走时参数与裂缝频散特征保持一致；

41、上述技术方案产生的技术效果如下：

42、基于kramers-kronig因果关系的频散修正将衰减与速度变化统一在同一物理框架内，保证了补偿后的波场满足因果律。速度变化量中静力项和频散分别表征裂缝密度引起的长期速度降低和频率相关的瞬态频散，沿路径积分修正传播时间使走时与衰减补偿相互一致，避免了仅修正能量而不修正走时导致的相位畸变和定位偏差。

43、进一步的，在步骤s08中，将补偿函数作用于接收信号频谱得到补偿后波场，在有效补偿频段内对补偿后波场的能量谱积分获得破裂源释放能量估计值；联合优化以实测衰减特征和实测速度特征与模型预测值之间的偏差加权最小化为目标，同步迭代更新裂缝密度场和裂缝尺度参数，当相邻两次迭代的裂缝参数变化量小于预设收敛阈值时终止迭代并输出优化结果；

44、上述技术方案产生的技术效果如下：

45、频域能量积分在有效补偿频段内完成了从接收能量到破裂源释放能量的定量映射。联合优化目标函数同时约束衰减特征和速度特征，利用多通道、多物理量的冗余信息反演裂缝密度和尺度参数；

46、闭环迭代收敛条件保证了优化结果的稳定性。该双重约束机制降低了单一观测量反演的多解性和裂缝参数不确定性对能量结果的影响。

47、进一步的，本发明还提供一种考虑裂缝能量衰减影响的岩石破裂能量反算系统，用于执行上述步骤并处理数据，包括：

48、破裂定位结果输入与信号获取模块：用于获取已有的破裂源定位结果、多通道弹性波波形信号和传感器空间布置参数，并确定传播路径；

49、裂缝参数获取与传播路径构建模块：用于提取传播路径上的裂缝结构参数，以裂缝密度和等效裂缝尺度表征裂缝分布并构建路径模型；

50、裂缝衰减解耦计算模块：用于将总能量衰减分解为岩石基质吸收衰减和裂缝散射附加衰减并建立频率相关等效品质因子；

51、裂缝散射衰减定量表征模块：用于根据裂缝尺度与波长的关系选择散射模型，建立裂缝结构参数与散射附加衰减的定量映射；

52、多裂缝有效介质修正模块：用于基于有效介质理论按裂缝密度水平自适应修正有效波数、传播速度和有效衰减；

53、裂缝影响反q能量补偿模块：用于构造含裂缝散射项的频率相关补偿函数并在稳定性约束下执行分频能量补偿；

54、频散走时修正模块：用于依据衰减与频散的因果关系修正传播速度并沿路径积分修正传播时间；

55、破裂能量反算与参数优化模块：用于在有效补偿频段内计算破裂源释放能量估计值并联合优化裂缝参数；

56、其中，该系统中的各模块按数据流依次连接，以形成工程部署的系统架构，执行上述方法和对数据进行处理。

57、与现有技术相比较，本发明提供的一种考虑裂缝能量衰减影响的岩石破裂能量反算方法的有益效果是：

58、通过将总衰减严格解耦为基质吸收和裂缝散射两部分，利用瑞利/米氏散射模型建立裂缝密度、尺度、形态与频率相关散射衰减之间的定量解析关系，将传播路径上的裂缝结构参数转化为可计算的附加能量损失，并通过分频反q补偿函数逐项补偿。与现阶段均匀介质方法相比，能够显著减小裂缝传播损耗引起的能量低估，提高反算结果与实际破裂能量的吻合程度。

59、通过引入foldy有效介质理论和waterman-truell多次散射模型，可根据裂缝密度水平自适应选择修正策略，覆盖从稀疏裂缝到密集裂缝带的宽广范围，同时通过米氏修正和形状修正函数处理多尺度、非等径裂缝，增强了方法在实际工程岩体中的适用性。

60、通过最大增益约束自动截断高频补偿，抑制噪声放大；同时利用kramers-kronig关系将衰减补偿与速度频散修正协同处理，保证补偿后波场的因果性和传播参数的自洽性。联合优化机制利用衰减和速度双重约束反演裂缝参数，降低了参数不确定性对最终能量估计的影响。

61、本发明输出的经裂缝影响修正的破裂源释放能量、裂缝附加衰减参数和传播特征参数，可直接用于岩体损伤演化分析、地下工程稳定性评价、岩爆灾害预警和复杂裂缝岩体安全监测，具有显著的工程实用价值。