不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法技术

本发明专利技术提供一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法，通过对不同孔径的煤岩体待测试块进行应力加载破坏试验，采集煤岩体待测试块在试验过程中的声发射信号，并根据声发射信号的能量贡献率对声发射信号进行筛选，然后根据筛选后的信号在应力应变曲线中选取煤岩体迅速破裂阶段，并对其进行时频分析，从而确定煤岩体上通孔的孔径大小对煤岩体破裂程度的影响情况，能够确定单轴加载作用下不同孔径煤岩体内部迅速破裂阶段损伤破坏模式的规律，为煤炭开采过程提供数据支撑，从而实现对应力集中部分进行有效的疏导卸压。

Time-frequency damage evolution analysis method of coal rock mass with different pore size under uniaxial loading

【技术实现步骤摘要】
不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法
本专利技术涉及煤炭资源开发领域，具体涉及一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法。
技术介绍
煤炭资源是我国重要的战略资源，同时也是我国能源资源结构组成不可或缺的一部分。而在伴随着煤炭资源的需求量日益增加，煤矿的开采深度也在逐步增加，深部采场所受的地应力也将急剧增大。并且在矿井采掘推进过程中，采场和巷道的围岩受到采掘扰动，对其造成不同程度破坏损伤，造成能量的积聚。当所积聚的能量达到煤岩体所能承受的极限，则会产生煤矿的动力灾害的显现，造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，对其应力集中部分进行疏导卸压，降低由于采掘所带来的应力集中的研究变得尤为重要。采场在高地应力采掘中，煤岩体在其开挖的轴向上表现出应力增加，而在其径向上则表现出应力的卸荷释放。同时大量的实验和工程实测的结果表明煤岩体损伤可划分为煤岩体的变形、裂隙的萌发和破裂演化，直至煤岩体宏观裂缝扩展破坏的全过程。而煤岩体的破裂力学表征则是关于能量积聚、损散等复杂岩石力学问题。国内众多学者就针对煤岩体损伤破坏进行了大量的基础性研究，通过研究表明：从细观角度分析大部分针对煤岩体的裂隙发育损伤、能量耗散与煤岩体的本构关系进行考量论证，以及从煤岩体内部能量释放所造成的破损来进行煤岩体的力学损伤分析，但是针对煤岩体有关应力集中区域不同孔径声发射波形时频特征分析的实验手段对损伤至破坏演化规律的分析研究尚不多见。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，从而提供一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法，具体方案如下：一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法，包括以下步骤：步骤一、选取N个煤岩体待测试块，在其中N-1个所述待测试块上设置不同孔径的通孔；步骤二、对N个所述待测试块分别进行应力加载破坏试验，在所述应力加载破坏试验过程中采集所述待测试块的声发射信号；步骤三、每个所述待测试块采集到的n个声发射信号，计算每个声发射信号的能量与其对应频率的乘积，从而得到n个声发射信号的能量贡献率并对所述n个声发射信号的能量贡献率按照大小降序排列，然后计算每个声发射信号的累计能量贡献率；其中，βi为第i个声发射信号的累计能量贡献率，ek为第k个声发射信号的能量，fk为第k个声发射信号对应的频率；i＝1，2，3，···，n；步骤四、计算累计能量贡献率在设定阈值范围内的声发射信号的能量平均值，根据所述能量平均值计算能量遴选阈值；QS＝maxE·R2+Q其中Q为所述能量平均值，E为声发射信号的能量集合，QS为所述能量遴选阈值，maxE为声发射信号中的最大能量值，R为能量大于所述能量平均值的声发射信号数量与声发射信号总数量的比值；步骤五、将能量大于所述能量遴选阈值的声发射信号作为对应待测试块的特征能量信号；在所述应力加载破坏试验过程中还采集所述待测试块的应力和振铃计数，从而得到每个待测试块的应力、振铃计数、累计能量和特征能量信号的时间变化图，根据所述时间变化图中应力的大小确定待测试块在进行所述应力加载破坏试验时的煤岩体迅速破裂阶段，对所述煤岩体迅速破裂阶段进行时域分析和频域分析。基于上述，从所述应力加载破坏试验过程中得到的时域波形中将所述煤岩体迅速破裂阶段对应的波形提取出来，绘制提取出来波形的时域波形图，结合所述煤岩体迅速破裂阶段的振铃计数和特征能量信号，对待测试块进行内部损伤破裂形态时域分析。基于上述，对所述煤岩体迅速破裂阶段对应的时域波形进行傅里叶变换，得到反应频率和幅值的频谱图，根据所述频谱图对待测试块在应力加载破坏试验过程中内部损伤破裂形态进行频域分析。基于上述，根据所述时域分析和所述频域分析确定所述煤岩体迅速破裂阶段的特征信号损伤劣化时序，然后利用RA-AF关联分析法分析不同孔径下待测试块的损伤演化关系。基于上述，所述时域分析的结果包括：无孔的待测试块损伤破坏为间断式，有孔的待测试块损伤破坏为连续式；待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段内应力集中使得待测试块最终发生整体剧烈破裂；孔径的增大使得待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段内集中的应力快速释放导致待测试块快速损伤破坏。基于上述，所述频域分析的结果包括：傅里叶变换后随着孔径的增大主频减少，幅值表现出先减小后增大的趋势，有孔待测试块比无孔待测试块的振幅大；无孔的待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段频谱图频率变化单一，主频表现为高频振动的疲劳损伤，大破裂面贯通造成破坏，有孔待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段频域构成表现为台阶状多级连续降低；孔径的增加不会减缓待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段的破坏，反而会使有孔的待测试块在最终毁坏前出现一次大的损伤破裂引发幅值异变。基于上述，所述RA-AF关联分析的结果包括：随着孔径的增大待测试块最终破坏时呈现多种劣损形式纠缠并发；孔径的增大使所述煤岩体迅速破裂阶段内待测试块破裂数量明显下降，通过应力变化情况得出裂纹发育的减少避免了应力的积聚；随着孔径的变大从特征能量信号分布确定待测试块关键破坏由单一破坏转变为分级多模式加载破坏，使待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段积聚的应力得到疏导；孔径大的待测试块出现局部应力快速释放，不足以产生新的关键损伤破坏。与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有如下优异效果：本专利技术通过对不同孔径的煤岩体待测试块进行应力加载破坏试验，采集煤岩体待测试块在试验过程中的声发射信号，并根据声发射信号的能量贡献率对声发射信号进行筛选，然后根据筛选后的信号在应力应变曲线中选取煤岩体迅速破裂阶段，并对其进行时频分析，可以确定煤岩体上通孔的孔径大小对煤岩体破裂程度的影响情况，能够确定单轴加载作用下不同孔径煤岩体内部迅速破裂阶段损伤破坏模式的规律，为煤炭开采过程提供数据支撑，从而实现对应力集中部分进行有效的疏导卸压。附图说明图1为本专利技术实例的方法流程图；图2为本专利技术实例中待测试块示意图；图3为本专利技术实例中C0的应力-应变-振铃计数-累计能量-特征信号响应曲线图；图4为本专利技术实例中C1的应力-应变-振铃计数-累计能量-特征信号响应曲线图；图5为本专利技术实例中C2的应力-应变-振铃计数-累计能量-特征信号响应曲线图；图6为本专利技术实例中C0煤岩体迅速破裂阶段波形图；图7为本专利技术实例中C1煤岩体迅速破裂阶段波形图；图8为本专利技术实例中C2煤岩体迅速破裂阶段波形图；图9为本专利技术实例中C0煤岩体迅速破裂阶段频谱图；图10为本专利技术实例中C1煤岩体迅速破裂阶段频谱图；图11为本专利技术实例中C2煤岩体迅速破裂阶段频谱图；图12为本专利技术实例中C0煤岩体RA-AF损伤分析图；图13为本专利技术实例中C1煤岩体RA-AF损伤分析图；图14为本专利技术实例中C2煤岩体RA-AF损伤分析图。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、选取N个煤岩体待测试块，在其中N-1个所述待测试块上设置不同孔径的通孔；/n步骤二、对N个所述待测试块分别进行应力加载破坏试验，在所述应力加载破坏试验过程中采集所述待测试块的声发射信号；/n步骤三、每个所述待测试块采集到n个声发射信号，计算每个声发射信号的能量与其对应频率的乘积，从而得到n个声发射信号的能量贡献率并对所述n个声发射信号的能量贡献率按照大小降序排列，然后计算每个声发射信号的累计能量贡献率；/n

【技术特征摘要】
1.一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、选取N个煤岩体待测试块，在其中N-1个所述待测试块上设置不同孔径的通孔；
步骤二、对N个所述待测试块分别进行应力加载破坏试验，在所述应力加载破坏试验过程中采集所述待测试块的声发射信号；
步骤三、每个所述待测试块采集到n个声发射信号，计算每个声发射信号的能量与其对应频率的乘积，从而得到n个声发射信号的能量贡献率并对所述n个声发射信号的能量贡献率按照大小降序排列，然后计算每个声发射信号的累计能量贡献率；



其中，βi为第i个声发射信号的累计能量贡献率，ek为第k个声发射信号的能量，fk为第k个声发射信号对应的频率；i＝1，2，3，···，n；
步骤四、计算累计能量贡献率在设定阈值范围内的声发射信号的能量平均值，根据所述能量平均值计算能量遴选阈值；



QS＝maxE·R2+Q
其中Q为所述能量平均值，E为声发射信号的能量集合，QS为所述能量遴选阈值，maxE为声发射信号中的最大能量值，R为能量大于所述能量平均值的声发射信号数量与声发射信号总数量的比值；
步骤五、将能量大于所述能量遴选阈值的声发射信号作为对应待测试块的特征能量信号；在所述应力加载破坏试验过程中还采集所述待测试块的应力和振铃计数，从而得到每个待测试块的应力、振铃计数、累计能量和特征能量信号的时间变化图，根据所述时间变化图中应力的大小确定待测试块在进行所述应力加载破坏试验时的煤岩体迅速破裂阶段，对所述煤岩体迅速破裂阶段进行时域分析和频域分析。


2.根据权利要求1所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法，其特征在于：从所述应力加载破坏试验过程中得到的时域波形中将所述煤岩体迅速破裂阶段对应的波形提取出来，绘制提取出来波形的时域波形图，结合所述煤岩体迅速破裂阶段的振铃计数和特征能量信号，对待测试块进行内部损伤破裂形态时域分析。


3.根据权利要求1或2所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法，其特征在于：对所述煤岩体迅速破裂阶段对应的时域波形进行傅里...

【专利技术属性】
技术研发人员：来兴平，任杰，单鹏飞，崔峰，曹建涛，张帅，代晶晶，许慧聪，王泽阳，张云，张楠，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61