一种精细计算震动波时空破岩规律的量化方法与流程

1.本发明具体涉及冲击地压防治技术领域，具体是一种精细计算震动波时空破岩规律的量化方法。


背景技术：

2.冲击地压是井巷周围煤岩体由于弹性变形能的瞬间释放为而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常造成设备损坏、人员伤亡。国内外众多学者认为冲击地压是动静叠加作用的结果，关于静载的研究已形成相对完善的体系，而动载由于作用过程复杂，研究难度大，相关研究结果还不成熟。
3.煤岩体破裂产生的震动波作为动载的来源，对诱发冲击地压具有重要作用。相关学者根据冲击理论、动静载叠加理论及分离式霍普金森杆等研究了应力波等动载作用条件下煤岩体的破坏失稳特征，同时也利用flac
3d
等方法模拟研究了震动波在煤岩体中传播和衰减特性，以及震动波作用下煤岩体的内在破坏机制。但是以往研究主要将震动波按某一固定方向施加，与震动波中p波和s波辐射模式特征不一致，无法准确揭示震动波对岩体破坏的响应特征；同时，现在技术仅从时间或空间角度对震动波的作用规律进行定性分析，无法更精确量化揭示震动波对岩体的破坏特征。可见，有必要提出一种精细量化计算震动波对岩体的破坏规律，并基于此对巷道进行针对性支护，提高巷道稳定性。


技术实现要素：

4.为此，本发明提出一种精细计算震动波时空破岩规律的量化方法以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种精细计算震动波时空破岩规律的量化方法，其包括以下步骤：
6.步骤1：搭建应力、声发射、ct一体化实验系统，进行岩体单轴加载破坏实验；
7.步骤2：通过ct对试样进行三维扫描确定岩体受载破裂源形态、空间位置；
8.步骤3：采集加载过程中岩样破裂产生的震动波数据，并将其分解为p波和s波；
9.步骤4：根据岩样尺寸与破裂源形态，建立精细化数值模型；
10.步骤5：将步骤3得到的位移矢量辐射模式不同的p波和s波按其固有分布特征加载至步骤4建立的数值模型破裂源；
11.步骤6：采集距离破裂源不同空间位置ppv；并基于ppv破坏准则从时间维揭示震动波对岩体破坏规律；
12.步骤7：根据应力f分布规律，计算距破裂源不同空间位置能量u分布特征，从空间维揭示震动波对岩体破坏规律；
13.步骤8：基于步骤6采集到的ppv与步骤7计算得到的能量构建三维可视化动态云图，从时、空联合维度揭示震动波对岩体作用规律。
14.进一步，作为优选，所述步骤1中，力学加载系统可对标准岩石试样进行单轴加载；
15.三维ct重构是利用x射线对试样进行扫描，并对扫描数据进行三维重构可得到试样内部破裂源；
16.声发射监测系统可将岩样破裂产生的振动转化为震动波信号。
17.进一步，作为优选，所述步骤3中，对岩样破裂产生的震动波，利用时频重分配及经验模态分解可将其分解为p波和s波。
18.进一步，作为优选，所述步骤4中，建立的岩样模型与步骤1中进行单轴加载实验的试样保持一致；
19.建立的破裂源模型与步骤2中ct扫描并三维重构后提取得到的破裂源形态保持一致。
20.进一步，作为优选，所述步骤5中，破裂源形态决定震动波中p波和s波的位移矢量辐射模式。
21.进一步，作为优选，当破裂源为剪切破裂时，震动波位移矢量辐射模式为：
[0022][0023]
当破裂源形态为拉伸破裂时，震动波位移矢量辐射模式为：
[0024][0025]
其中，d
l
为p波位移，dm为sv波位移，dn为sh波位移，ρ为岩石密度，υ
α
为p波速度，υ
β
为横波速度，d为距震源的距离，t为震动波传播时间，θ为位移矢与z轴夹角，为位移矢与x轴夹角，f为距震源距离d位置的力。
[0026]
进一步，作为优选，所述步骤6中，所述ppv为加载全程震动波峰值粒子振动速度。
[0027]
进一步，作为优选，所述步骤7中，破坏岩体所需最小能量为：
[0028][0029]
其中，e为岩体弹性模量，δc为岩石单轴抗压强度；
[0030]
所述空间位置能量u计算公式为：
[0031][0032]
其中，f为岩体弹性模量，ξ为岩体在力作用下产生的应变，当岩体空间位置能量大于岩体破坏所需最小能量即岩体储能极限时，岩体即发生破坏。
[0033]
进一步，作为优选，所述步骤8中，所构建ppv与能量三维可视化动态云图中，参数ppv和能量u确定不同时刻和不同空间位置岩体破坏特征，二者综合分析可量化计算震动波对岩体破坏规律。
[0034]
本发明采用以上技术,与现有的技术相比具有以下有益效果：
[0035]
1.本发明搭建加载应力、声发射、ct一体化实验系统，开展岩体受载破裂实验；通
过ct对试样进行三维扫描确定岩体受载破裂源形态、空间位置；通过试样表面安装的声发射传感器实时采集煤岩破裂产生的震动波波形，将对应破裂源产生的震动波进行拆分获得p波和s波；根据试样尺寸和破裂源形态构建精细化数值模型；按p波和s波空间位移场分布特征加载p波和s波至破裂源，开展动载模拟计算，以获取距离破裂源不同距离空间位置ppv；根据ppv岩体破坏准则、空间能量分布及基于二者的三维可视化云图确定震动波时空破岩规律。
[0036]
2.本发明能够精细化计算煤岩破裂产生的震动波在各时刻和各空间位置对岩体的破坏，为冲击地压或岩爆针对性防治起到指导作用。
附图说明
[0037]
图1为本发明方法的实施流程图；
[0038]
图2为本发明实施例中力学加载、三维ct扫描、声发射监测一体化系统示意图；
[0039]
图3为本发明实施例中典型剪切破裂源图；
[0040]
图4为本发明实施例建立的精细化数值模型；
[0041]
图5为本发明实施例的中心位置加载全程ppv结果及试样能量云图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例：请参阅附图1-5，本发明提供一种技术方案：一种精细计算震动波时空破岩规律的量化方法，其特征在于，其包括以下步骤：
[0044]
步骤1：搭建应力、声发射、ct一体化实验系统，进行岩体单轴加载破坏实验；
[0045]
具体的，利用三维ct扫描可对经过力学加载的试样进行重构，得到内部破裂源；同时声发射监测系统可将岩样破裂产生的振动转化为震动波信号；
[0046]
步骤2：通过ct对试样进行三维扫描确定岩体受载破裂源形态、空间位置；
[0047]
步骤3：采集加载过程中岩样破裂产生的震动波数据，并将其分解为p波和s波；
[0048]
具体的，利用时频重分配及经验模态分解可将其分解为p波和s波；
[0049]
步骤4：根据岩样尺寸与破裂源形态，建立精细化数值模型；
[0050]
具体的，建立的岩样模型与步骤1中进行单轴加载实验的试样保持一致；建立的破裂源模型与步骤2中ct扫描并三维重构后提取得到的破裂源形态保持一致；
[0051]
步骤5：将步骤3得到的位移矢量辐射模式不同的p波和s波按其固有分布特征加载至步骤4建立的数值模型破裂源；
[0052]
具体的，破裂源形态决定震动波中p波和s波的位移矢量辐射模式，当破裂源为剪切破裂时，震动波位移矢量辐射模式为：
[0053][0054]
当破裂源形态为拉伸破裂时，震动波位移矢量辐射模式为：
[0055][0056]
其中，d
l
为p波位移，dm为sv波位移，dn为sh波位移，ρ为岩石密度，υ
α
为p波速度，υ
β
为横波速度，d为距震源的距离，t为震动波传播时间，θ为位移矢与z轴夹角，为位移矢与x轴夹角，f为距震源距离d位置的力；
[0057]
步骤6：采集距离破裂源不同空间位置ppv；并基于ppv破坏准则从时间维揭示震动波对岩体破坏规律；
[0058]
具体的，其中ppv为加载全程震动波峰值粒子振动速度；不同ppv对岩体破坏程度见下表，可见，当ppv大于基础阈值300mm/s时，在ppv时刻岩体发生了破坏；
[0059]
ppv范围(mm/s)小于300300-500大于500破坏程度松散岩石掉落出现新裂纹宏观破坏
[0060]
步骤7：根据应力f分布规律，计算距破裂源不同空间位置能量u分布特征，从空间维揭示震动波对岩体破坏规律；
[0061]
具体的，破坏岩体所需最小能量为：
[0062][0063]
其中，e为岩体弹性模量，δc为岩石单轴抗压强度；
[0064]
所述空间位置能量u计算公式为：
[0065][0066]
其中，f为岩体弹性模量，ξ为岩体在力作用下产生的应变，当岩体空间位置能量大于岩体破坏所需最小能量即岩体储能极限时，岩体即发生破坏。
[0067]
步骤8：基于步骤6采集到的ppv与步骤7计算得到的能量构建三维可视化动态云图，从时、空联合维度揭示震动波对岩体作用规律；
[0068]
具体的，所构建ppv与能量三维可视化动态云图中，参数ppv和能量u确定不同时刻和不同空间位置岩体破坏特征，二者综合分析可量化计算震动波对岩体破坏规律。
[0069]
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
[0070]
本发明实施例以岩体单轴加载破坏实验为基础，利用本发明方法对原始数据处理分析，可从时空联合维度实时探测震动波对岩体的作用规律，具体流程如图1所示；
[0071]
单轴加载实验搭建的应力、声发射、ct一体化系统示意图，如图2所示；
[0072]
对加载破坏后经ct扫描的试样进行三维重构，并提取其中的破裂源，其中典型剪
切破裂源如图3所示；
[0073]
基于重构得到的破裂源形态与原始试样位置关系建立的精细化数值模型如图4所示；
[0074]
将p波和s波按其固有传播模式加载至破裂源，并采集加载全程的ppv与应力场特征，并基于此计算试样任意位置的能量大小，其中，中心位置加载全程ppv结果如图5中a所示，加载完成后试样能量云图如图5中b所示。
[0075]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。