大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法技术

一种大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法，属于主动型探测，该方法基于真三轴应力与超声波关联特征识别岩体损伤和反演应力场变化，主要利用超声波在被测物内部传播时遇到声阻抗存在差异的破裂、滑移界面会产生反射的原理，相当于是传统微震法的逆过程，激发点位置已知，激发点到空间任意阵列点的相对位置已知，由此根据超声波传播时间确定波速，可有效感知潜在岩爆区应力聚集程度。超声波空间阵列是超声探头压电陶瓷晶体的组合，由多个压电晶片以空间阵列方式分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个压电晶片，使所有压电晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，控制波阵面形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。偏转和聚焦。偏转和聚焦。

【技术实现步骤摘要】
大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法


[0001]本专利技术属于岩石力学试验
，特别是涉及一种大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法。

技术介绍

[0002]随着深地资源、能源及深部基础设施需求的日益增加，水工、矿山、公路、铁路等领域的地下工程均向深部发展，并且高地应力的赋存环境，带来了许多深部工程灾害，其中岩爆危害最为突出。
[0003]岩爆是高应力条件下聚积于岩体中的弹性变形势能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。在强烈动力扰动作用下，深部地下洞室围岩动力灾害的频次和强度明显增加，岩爆及围岩动力失稳破坏是深部地下工程施工中的重大安全隐患，已成为制约深部工程施工安全的关键性灾害问题。
[0004]为深入研究深埋高地应力隧道岩爆破坏特征，更好地解决地下工程施工过程中的围岩稳定性问题，深部工程多类型岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验技术是极其重要的研究手段。
[0005]目前，对于深部工程岩爆的特征感知，现场以微震监测技术为主，室内岩块压缩试验以声发射监测为主。以微震监测、分析预警为主的研究，虽然促进了深部岩石工程动态调控方法的进展，但由于岩爆的重复性不强，岩爆监测和现场调查研究多是一种后验性的分析，对多类型岩爆孕育全过程的数据获取能力及分辨率有限。声发射是岩石中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，采用不同频谱特性的压电陶瓷传感器接受此类信号，由于其信号频谱特性，多适用于岩石试块的破裂信号监测。因此，现有的岩体破裂信号的监测手段，多为被动型监测，即岩石内部必须首先出现破裂信号，才能获知声学信息，通常无法主动获得岩石在复杂荷载诱发应力集中作用下，高能量密度岩体的空间和时间上的变化过程，而该变化过程恰恰是岩爆孕育机制的基础。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法，属于主动型探测，该方法基于真三轴应力与超声波关联特征识别岩体损伤和反演应力场变化，主要利用了超声波在被测物内部传播时，遇到声阻抗存在差异的破裂、滑移界面会产生反射的原理，相当于是传统微震法的逆过程，激发点位置已知，激发点到空间任意阵列点的相对位置已知，由此根据超声波传播时间确定波速，可有效感知潜在岩爆区应力聚集程度。超声波空间阵列是超声探头压电陶瓷晶体的组合，由多个压电晶片按设定规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个压电晶片，使所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，可有效控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，进而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种大型三维物理模型岩爆孕育
过程超声波空间阵列感知方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：制备大型三维物理模型试样，在大型三维物理模型试样制备过程中预埋入多个压电晶片，多个压电晶片以空间阵列方式分布排列；
[0009]步骤二：从空间阵列中选取一个压电晶片，向该压电晶片发送超声波激励信号，由该压电晶片向大型三维物理模型试样的表面发送超声波，空间阵列中的其余压电晶片均用于接收超声波回波信号；
[0010]步骤三：从空间阵列中选取另一个压电晶片，向该压电晶片发送超声波激励信号，由该压电晶片向大型三维物理模型试样的表面发射超声波，空间阵列中的其余压电晶片均用于接收超声波回波信号；依次类推，直到空间阵列中的所有压电晶片均完成一次超声波发送过程；
[0011]步骤四：对大型三维物理模型试样开展真三轴加载试验，在真三轴加载过程中对大型三维物理模型试样进行微型隧道的开挖，在微型隧道开挖过程中收集和整理各种单一超声波信号和混合超声波信号，进而编录成特征波信号数据库；
[0012]步骤五：对特征波信号数据进行分析，形成声数域的静态解析数理模型、动态响应迭代模型和约束优化修正模型；
[0013]步骤六：根据声数域的约束优化修正模型生成声压分布图，确定岩爆孕育位置三维体元模型的位置和大小，任意调节断面的角度、扫查深度和扫查角度，对岩爆可能发生的聚焦位置进行动态捕捉，在扫查时根据岩爆孕育位置的超声波回波信号和运动特征，调整扫查速度以感知微裂隙和断面形成，实时跟踪岩爆的孕育状况；
[0014]步骤七：将不同压电晶片采集的超声波回波信号以灰阶的形式显示，形成岩爆孕育位置的二维动态实时图像，并获取连续的二维断面图；
[0015]步骤八：通过获取的连续二维断面图，生成三维立体图像数据库，以补充声数域的修正模型，进而形成图像域的噪音+结构模型，用以实时掌握大型三维物理模型试样内部的岩爆孕育过程，实现对围岩能量聚集、耗散与释放过程的识别，感知潜在岩爆区应力聚集程度，实现岩爆孕育过程的高分辨率感知。
[0016]在步骤一中，选用的压电晶片需要与大型三维物理模型试样的材料声阻抗特性相配。
[0017]在步骤二中，向该压电晶片发送的超声波激励信号包括幅值、波形、频率、放大倍数及带通滤波频率，超声波激励信号需要经过放大处理后再发送至压电晶片。
[0018]在步骤三中，当空间阵列中的所有压电晶片均完成一次超声波的发射过程后，所有的压电晶片发射的超声波则形成一个整体波阵面，通过控制波阵面的形状和方向，用于实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。
[0019]在步骤四中，微型隧道开挖过程中产生的各种单一超声波信号和混合超声波信号，由岩体裂纹损伤、碎石及滚落、渗流及水滴、岩爆、开挖碎石声及人员施工噪声产生超声波信号的不同特征。
[0020]在步骤五中，形成声数域的静态解析数理模型、动态响应迭代模型和约束优化修正模型之前，需要先建立各种超声波信号的频率、幅值、相位及波速作为输入参数，之后对混合信号进行解译和再合成，调整合适的滤波函数对各种噪声信号进行滤除，直至提取出超声波频段中对岩爆识别有用的信号特征和开挖碎石的行为特征。
[0021]在步骤六中，声压分布图用于表征岩爆孕育的剧烈程度。
[0022]在步骤七中，连续的二维断面图的获取通过扫查平面的移动实现。
[0023]在步骤八中，三维立体图像数据库生成后，当选择一个参考切面对三维立体图像数据库进行任意方向的切割和观察时，即可完成对岩爆孕育位置的三维重建与显示。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025]本专利技术的大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法，属于主动型探测，该方法基于真三轴应力与超声波关联特征识别岩体损伤和反演应力场变化，主要利用了超声波在被测物内部传播时，遇到声阻抗存在差异的破裂、滑移界面会产生反射的原理，相当于是传统微震法的逆过程，激发点位置已知，激发点到空间任意阵列点的相对位置已知，由此根据超声波传播时间确定波速，可有效感知潜在岩爆区应力聚集程度。超声波空间阵列是超声探头压电陶瓷晶体的组合，由多个压电晶片以空间阵列方式分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个压电晶片，使所有压电晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，可有效控制发射超声束(波阵面)的形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：制备大型三维物理模型试样，在大型三维物理模型试样制备过程中预埋入多个压电晶片，多个压电晶片以空间阵列方式分布排列；步骤二：从空间阵列中选取一个压电晶片，向该压电晶片发送超声波激励信号，由该压电晶片向大型三维物理模型试样的表面发送超声波，空间阵列中的其余压电晶片均用于接收超声波回波信号；步骤三：从空间阵列中选取另一个压电晶片，向该压电晶片发送超声波激励信号，由该压电晶片向大型三维物理模型试样的表面发射超声波，空间阵列中的其余压电晶片均用于接收超声波回波信号；依次类推，直到空间阵列中的所有压电晶片均完成一次超声波发送过程；步骤四：对大型三维物理模型试样开展真三轴加载试验，在真三轴加载过程中对大型三维物理模型试样进行模拟隧道孔的开挖，在模拟隧道孔开挖过程中收集和整理各种单一超声波信号和混合超声波信号，进而编录成特征波信号数据库；步骤五：对特征波信号数据进行分析，形成声数域的静态解析数理模型、动态响应迭代模型和约束优化修正模型；步骤六：根据声数域的约束优化修正模型生成声压分布图，确定岩爆孕育位置三维体元模型的位置和大小，任意调节断面的角度、扫查深度和扫查角度，对岩爆可能发生的聚焦位置进行动态捕捉，在扫查时根据岩爆孕育位置的超声波回波信号和运动特征，调整扫查速度以感知微裂隙和断面形成，实时跟踪岩爆的孕育状况；步骤七：将不同压电晶片采集的超声波回波信号以灰阶的形式显示，形成岩爆孕育位置的二维动态实时图像，并获取连续的二维断面图；步骤八：通过获取的连续二维断面图，生成三维立体图像数据库，以补充声数域的修正模型，进而形成图像域的噪音+结构模型，用以实时掌握大型三维物理模型试样内部的岩爆孕育过程，实现对围岩能量聚集、耗散与释放过程的识别，感知潜在岩爆区应力聚集程度，实现岩爆孕育过程的高分辨率感知。2.根据权利要求1所述的大型三维物理模型岩爆孕育过程超声波空间阵列感知方法，其特征在于：在步骤一中，选用的压电晶片需要与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张希巍，冯夏庭，薛淳元，姚志宾，石磊，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：