基于小波分析的巖石聲發(fā)射凱塞點修正及浮動閾值研究.pdf

1、由于采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路等工程需要，如何準確的測定地應力一直以來都是一個重要的課題。近年來，一方面在采礦、地下工程等方面進一步走向深部，另一方面，地下工程建設周邊環(huán)境也越來越復雜，這對常規(guī)原位測量地應力的方法帶來了巨大的挑戰(zhàn)。不少學者另辟蹊徑開始研究原位取樣、實驗室求值的方法。其中巖石聲發(fā)射的凱塞效應(Kaiser effect)測定地應力的方法，因為其經濟、便捷，發(fā)展?jié)摿涫荜P注。但在利用Kaiser效應測定地應力的實

2、踐中，很多問題一直都沒得到較好解決，阻礙了該方法的推廣。其中較為突出的問題就是關于試驗Kaiser點是否能準確反映地應力的問題。研究表明，試驗Kaiser點一方面可能由于試驗本身會產生偏差，另一方面由于試驗曲線拐點不明顯也會因人為選擇不準確而產生偏差。Kaiser點的準確性直接影響巖石聲發(fā)射成果的應用試驗，也影響該技術在實際工程中的推廣。
　　針對巖石聲發(fā)射Kaiser點問題，國內外學者做了大量研究工作，但大多數均建立在聲發(fā)射參數

3、分析的基礎上，一個聲發(fā)射脈沖對應一個聲發(fā)射計數（該脈沖信號超過系統閾值），而信號本身蘊含的信息卻往往被忽略。本文研究技術核心就是基于波形分析思想，分析Kaiser點（或其它特殊點）的瞬時信號特征，并以此為基礎判斷試驗Kaiser點真?zhèn)尾蜬aiser點進行修正。最后延伸討論了巖石聲發(fā)射試驗的浮動閾值。本文所作主要工作和結論如下：
　　①巖石聲發(fā)射試驗
　　試驗樣本全部選擇砂巖取自重慶市中梁山某采礦區(qū)，按深度劃分為三個區(qū)段：

4、70~130m為淺層段；130~230m為中層段；230~440m為深層段。采用PCI-2聲發(fā)射系統進行。共取282組樣本（選擇其中60組）經常規(guī)聲發(fā)射試驗、循環(huán)加載試驗、驗證試驗等三步進行，試驗結果作為本文的樣本依據。
　?、跇嬙鞄r石聲發(fā)射信號的專用小波基函數
　　選用波形與巖石聲發(fā)射原始信號相似的二階弱阻尼振動單位脈沖函數作為小波構造函數的基礎函數。提出構造函數必須具有非周期性、由多個不同振幅不同形式的振動函數組成、有突

5、變信號并在之后迅速衰減三個構造條件，經論證改造最終確定基于巖石聲發(fā)射信號特征的構造小波基函數。通過驗證，構造函數從與原始聲發(fā)射信號相似度比較值、信號保留的完整性、參數的實際意義等三方面均優(yōu)于通用小波基函數。
　?、蹘r石聲發(fā)射Kaiser點瞬時信號頻段能量特征研究
　　對樣本進行常規(guī)聲發(fā)射試驗，首先找出各樣本的試驗Kaiser點，對比理論計算出大致應力狀況；其次，對所有巖石樣本的聲發(fā)射試驗Kaiser點瞬時信號進行三層小波包分

6、解，分析每個樣本Kaiser點信號頻段能量，發(fā)現巖石聲發(fā)射信號在937.5kHz以下的低頻能量占該信號能量的絕大多數，同時真正Kaiser點信號頻帶能量主要集中0~312.50kHz頻率范圍內，非Kaiser點信號頻帶能量符合絕大部分集中在937.5kHz以下低頻的特點，但在0~312.50kHz頻率中并不占總能量的大部分。
　?、茉囼濳aiser點偏差修正研究
　　試驗得到Kaiser點可能存在很大偏差，通過推導分別明確了

7、聲發(fā)射信號中，能量E與頻帶振幅、能量E與聲發(fā)射振鈴計數、能量E與應力狀態(tài)的關系，最終得到試驗Kaiser點偏差修正函數。利用修正函數，以試驗樣本為例，分別進行了正、逆向修正，并將最終修正后的Kaiser點進行三層小波分解，確定其頻帶能量特征。
　?、菰囼灺暟l(fā)射累積能量曲線無拐點問題研究
　　從能量曲線光滑原因開始分析，提出在“高應力”狀態(tài)下基于大裂紋的Kaiser點研究。利用裂紋應力強度因子與應力之間的關系推導得到巖石開裂能

8、量釋放率與裂紋應力強度因子的關系，最終得出巖石開裂的過程就是一個裂紋巖石所儲存的應變能向外釋放的過程，而應力強度因子越大，裂紋能量釋放率也就越大的結論，并以試驗樣本為例進行了驗證。
　?、迬r石聲發(fā)射試驗的浮動閾值研究
　　為取得低能量點信號，本文在雙閾值試驗設計的基礎上，得到浮動閾值公式，建立了變化的閾值與荷載之間的關系。通過與固定閾值系統試驗結果的對比發(fā)現：采用浮動閾值公式降噪的樣本，能正確反映Kaiser點信號，同時，在