岩石断裂模式对声发射频谱特征影响实验研究

The different fracture model has not been distinguished out by AE time-domain characteristic because of the similar characteristic in different fracture model. In the experimental of different fracture model, AE test system has been used to monitor the rock failure in different fracture model. The information of time- and frequency- domain has been researched. The low of dominant frequency and frequency domain has been searched in evolution process of rock fracture. Combined with the consequence of Infrared, stress and strain, the rock fracture and its auspice in AE has been revealed. Auspice information has been ascertained through the deeply analyzed in AE frequency-domain characteristic. Relationship between fracture model and auspice dominant frequency has been built, further research has been done in the field of multi-index abnormal recognition and forecasting model. Expected results of the project can accurate recognition instability of rock fracture model, and promote the AE technology used in the study of stability in rock mass engineering.

岩石不同断裂模式下的声发射时序特征类似，无法根据时序特征判别不同断裂模式。本项目采用声发射时频分析，通过开展劈裂(I型)、剪切(II型)、扭裂(III型)三种典型的断裂实验，建立声发射频率信息与断裂模式之间的关系。在岩石不同的断裂试验中，采用声发射监测系统，监测不同断裂模式下岩石断裂过程中的声发射现象。研究不同断裂模式下的岩石声发射时频信息，寻找岩石断裂演化过程中的主频、信号频带分布等特点，结合红外、应力、应变等监测结果，揭示在不同断裂模式下岩石破坏及声发射前兆信息规律。通过深入分析声发射频域特征，探寻岩石不同断裂模式下的声发射前兆优势频段，建立断裂模式与声发射前兆优势频率之间的关系，进一步建立岩石断裂前兆的多指标异常识别及预判模型。本项目研究成果有利于提高岩石断裂类型的有效识别与声发射监测的准确性，并推动声发射技术在矿山等工程岩体的应用，具有重要的理论及现实意义。

本项目针对声发射频域特征的唯一性，依据声发射频率成分与岩石裂隙扩展形态存在关联性，通过捕捉I型张开型、II型剪切型、III型扭裂型模式下岩石破裂过程声发射实验，分析不同频段的前兆响应特征，围绕岩石破裂过程的声发射特征及状态评价，利用声发射、红外、快速照相等同步监测实验过程，捕捉不同断裂模式下岩石破坏特征，达到了预期目标。研究成果如下：（1）根据岩石破裂过程中各阶段声发射参数的相关性和差异性，探讨岩石断裂模式与声发射特征之间的关系，对声发射信号分频处理。分析了岩石损伤破裂演化过程中声发射信号频段分布规律，证明岩石断裂模式与声发射频率存在一定的对应关系，提出声发射前兆优势频段的概念并构建其计算办法，为提出具备一定普适性的前兆优势频段提供依据；（2）对比声发射不同频段的前兆特征优势，探究某一频段在各种工况条件下岩石破裂前兆识别方面的优势。利用小波分析、小波包分析等信号处理方法，针对岩石破裂灾变预警，定义了声发射前兆优势频段，并建立了相应的提取规则，最终形成了基于分频特征的岩石破裂灾变前兆预警方法；（3）根据现阶段III型断裂实验无法有效开展，开发了岩石扭裂实验机，并形成了相关技术，已形成专利产品，该技术实现了岩石III型断裂，丰富了室内岩石破裂实验装置。