基于小波分析的巖石聲發(fā)射凱塞點(diǎn)修正及浮動(dòng)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(zhǔn)確的測(cè)定地應(yīng)力一直以來都是一個(gè)重要的課題。近年來，一方面在采礦、地下工程等方面進(jìn)一步走向深部，另一方面，地下工程建設(shè)周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜，這對(duì)常規(guī)原位測(cè)量地應(yīng)力的方法帶來了巨大的挑戰(zhàn)。不少學(xué)者另辟蹊徑開始研究原位取樣、實(shí)驗(yàn)室求值的方法。其中巖石聲發(fā)射的凱塞效應(yīng)(Kaiser effect)測(cè)定地應(yīng)力的方法，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)、便捷，發(fā)展?jié)摿涫荜P(guān)注。但在利用Kaiser效應(yīng)測(cè)定地應(yīng)力的實(shí)

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(guān)于試驗(yàn)Kaiser點(diǎn)是否能準(zhǔn)確反映地應(yīng)力的問題。研究表明，試驗(yàn)Kaiser點(diǎn)一方面可能由于試驗(yàn)本身會(huì)產(chǎn)生偏差，另一方面由于試驗(yàn)曲線拐點(diǎn)不明顯也會(huì)因人為選擇不準(zhǔn)確而產(chǎn)生偏差。Kaiser點(diǎn)的準(zhǔn)確性直接影響巖石聲發(fā)射成果的應(yīng)用試驗(yàn)，也影響該技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣。
　　針對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser點(diǎn)問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作，但大多數(shù)均建立在聲發(fā)射參數(shù)

3、分析的基礎(chǔ)上，一個(gè)聲發(fā)射脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)聲發(fā)射計(jì)數(shù)（該脈沖信號(hào)超過系統(tǒng)閾值），而信號(hào)本身蘊(yùn)含的信息卻往往被忽略。本文研究技術(shù)核心就是基于波形分析思想，分析Kaiser點(diǎn)（或其它特殊點(diǎn)）的瞬時(shí)信號(hào)特征，并以此為基礎(chǔ)判斷試驗(yàn)Kaiser點(diǎn)真?zhèn)尾?duì)偽Kaiser點(diǎn)進(jìn)行修正。最后延伸討論了巖石聲發(fā)射試驗(yàn)的浮動(dòng)閾值。本文所作主要工作和結(jié)論如下：
　?、賻r石聲發(fā)射試驗(yàn)
　　試驗(yàn)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(gè)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(tǒng)進(jìn)行。共取282組樣本（選擇其中60組）經(jīng)常規(guī)聲發(fā)射試驗(yàn)、循環(huán)加載試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)等三步進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果作為本文的樣本依據(jù)。
　?、跇?gòu)造巖石聲發(fā)射信號(hào)的專用小波基函數(shù)
　　選用波形與巖石聲發(fā)射原始信號(hào)相似的二階弱阻尼振動(dòng)單位脈沖函數(shù)作為小波構(gòu)造函數(shù)的基礎(chǔ)函數(shù)。提出構(gòu)造函數(shù)必須具有非周期性、由多個(gè)不同振幅不同形式的振動(dòng)函數(shù)組成、有突

5、變信號(hào)并在之后迅速衰減三個(gè)構(gòu)造條件，經(jīng)論證改造最終確定基于巖石聲發(fā)射信號(hào)特征的構(gòu)造小波基函數(shù)。通過驗(yàn)證，構(gòu)造函數(shù)從與原始聲發(fā)射信號(hào)相似度比較值、信號(hào)保留的完整性、參數(shù)的實(shí)際意義等三方面均優(yōu)于通用小波基函數(shù)。
　?、蹘r石聲發(fā)射Kaiser點(diǎn)瞬時(shí)信號(hào)頻段能量特征研究
　　對(duì)樣本進(jìn)行常規(guī)聲發(fā)射試驗(yàn)，首先找出各樣本的試驗(yàn)Kaiser點(diǎn)，對(duì)比理論計(jì)算出大致應(yīng)力狀況；其次，對(duì)所有巖石樣本的聲發(fā)射試驗(yàn)Kaiser點(diǎn)瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行三層小波包分

6、解，分析每個(gè)樣本Kaiser點(diǎn)信號(hào)頻段能量，發(fā)現(xiàn)巖石聲發(fā)射信號(hào)在937.5kHz以下的低頻能量占該信號(hào)能量的絕大多數(shù)，同時(shí)真正Kaiser點(diǎn)信號(hào)頻帶能量主要集中0~312.50kHz頻率范圍內(nèi)，非Kaiser點(diǎn)信號(hào)頻帶能量符合絕大部分集中在937.5kHz以下低頻的特點(diǎn)，但在0~312.50kHz頻率中并不占總能量的大部分。
　　④試驗(yàn)Kaiser點(diǎn)偏差修正研究
　　試驗(yàn)得到Kaiser點(diǎn)可能存在很大偏差，通過推導(dǎo)分別明確了

7、聲發(fā)射信號(hào)中，能量E與頻帶振幅、能量E與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量E與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，最終得到試驗(yàn)Kaiser點(diǎn)偏差修正函數(shù)。利用修正函數(shù)，以試驗(yàn)樣本為例，分別進(jìn)行了正、逆向修正，并將最終修正后的Kaiser點(diǎn)進(jìn)行三層小波分解，確定其頻帶能量特征。
　?、菰囼?yàn)聲發(fā)射累積能量曲線無拐點(diǎn)問題研究
　　從能量曲線光滑原因開始分析，提出在“高應(yīng)力”狀態(tài)下基于大裂紋的Kaiser點(diǎn)研究。利用裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子與應(yīng)力之間的關(guān)系推導(dǎo)得到巖石開裂能

8、量釋放率與裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系，最終得出巖石開裂的過程就是一個(gè)裂紋巖石所儲(chǔ)存的應(yīng)變能向外釋放的過程，而應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，裂紋能量釋放率也就越大的結(jié)論，并以試驗(yàn)樣本為例進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　⑥巖石聲發(fā)射試驗(yàn)的浮動(dòng)閾值研究
　　為取得低能量點(diǎn)信號(hào)，本文在雙閾值試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，得到浮動(dòng)閾值公式，建立了變化的閾值與荷載之間的關(guān)系。通過與固定閾值系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：采用浮動(dòng)閾值公式降噪的樣本，能正確反映Kaiser點(diǎn)信號(hào)，同時(shí)，在