一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法及系统 (Rock acoustic emission parameter determination method and system based on moment tensor analysis ) 是由 翟梦阳 薛雷 步丰畅 黄晓林 张珂 许超 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法及系统,该方法包括：根据宏观力学参数构建待测试岩石试样的数值模型；通过PFC软件加载数值模型,模拟待测试岩石试样的破坏过程,在PFC软件加载数值模型的过程中识别各微裂纹的破裂时间和位置；在PFC软件加载数值模型的过程中,若依次产生的两个微裂纹的岩石晶粒中有共同的岩石晶粒,且两个微裂纹产生的时间间隔小于当前声发射事件的持续时间,则两个微裂纹为同一声发射事件；将声发射事件的空间范围内的所有微裂纹位置的几何中心作为对应声发射事件的震源位置；根据矩张量分析的方法确定各声发射事件的声发射参数。本发明能够确定各声发射事件的震源位置和声发射参数。(The invention relates to a rock acoustic emission parameter determination method and a system based on moment tensor analysis, wherein the method comprises the following steps: constructing a numerical model of the rock sample to be tested according to the macroscopic mechanical parameters; loading a numerical model through PFC software, simulating the damage process of the rock sample to be tested, and identifying the fracture time and position of each microcrack in the process of loading the numerical model through the PFC software; in the process of loading the numerical model by the PFC software, if the rock grains of the two sequentially generated microcracks have a common rock grain and the time interval generated by the two microcracks is less than the duration of the current acoustic emission event, the two microcracks are the same acoustic emission event; taking the geometric centers of all microcrack positions within the spatial range of the acoustic emission event as the seismic source positions corresponding to the acoustic emission event; and determining the acoustic emission parameters of each acoustic emission event according to a moment tensor analysis method. The method can determine the seismic source position and the acoustic emission parameters of each acoustic emission event.)
技术领域
本发明涉及声发射监测技术领域，特别是涉及一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法及系统。
背景技术
岩石是一种典型的非均匀材料，其变形破坏是渐进发生的，理解岩石的渐进破坏过程对于很多工程具有重要意义。然而，岩石材料的累进损伤是由于微裂纹的起裂、扩展以及贯通而产生的，难以被直接观测和量化，为此，学者和工程师需要借助其他手段进行研究。其中，声发射监测作为一种无损监测技术在岩石力学和工程领域得到了广泛的应用。声发射是岩石在破裂过程中由于应变能释放所产生的一种弹性波，通过对这些弹性波的进一步分析可以获取各种声发射参数，包括声发射计数，声发射能量，b值等，这些参数可以用于量化岩石损伤程度，捕捉岩石失稳前兆等。
鉴于室内岩石声发射实验存在的缺陷，采用数值模拟方法重现岩石声发射现象成为岩石渐进破裂过程研究的有力手段。在各种数值模拟方法中，颗粒流离散单元程序PFC（Particle Flow Code）可以通过粘结颗粒模型BPM（Bonded-particle model）重现岩石渐进破裂过程中的微裂纹起裂、扩展及贯通的全过程，可以直接模拟岩石材料的大变形，成为岩石力学领域主流的软件之一。BPM采用非均匀尺寸的刚性圆形颗粒模拟岩石晶粒，采用粘结接触模拟岩石晶粒之间的胶结行为，这些粘结接触被赋予一定的刚度和强度，颗粒的运动满足牛顿第二定律，每个粘结接触所受的力和力矩随颗粒的运动而更新，当接触力超过接触强度时，会产生微裂纹，随着加载进行，微裂纹不断起裂和丛集，最终模型发生破坏。
在天然地震和微震监测中，在记录震源释放出的动力波时，常采用矩张量理论反演获取震源信息，在PFC模拟中，通过记录粘结破坏时周围接触力的变化可以获取矩张量，进而获取声发射的震级和能量。目前，采用矩张量分析方法无法确定单个声发射事件的震源位置和所含微裂纹数量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法及系统，能够确定各声发射事件的震源位置和声发射参数。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法，包括：
获取待测试岩石试样的宏观力学参数；
根据所述宏观力学参数构建所述待测试岩石试样的数值模型；所述数值模型包括多个岩石晶粒，各岩石晶粒之间通过胶结物粘结；
通过PFC软件加载所述数值模型，模拟待测试岩石试样的破坏过程，在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中识别各微裂纹的破裂时间和位置；在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中各岩石晶粒之间每个粘结点的断裂均表示一个微裂纹；
在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中，若依次产生的两个微裂纹的岩石晶粒中有共同的岩石晶粒，且两个微裂纹产生的时间间隔小于当前声发射事件的持续时间，则所述两个微裂纹为同一声发射事件；当前声发射事件的初始持续时间为当前声发射事件的第一个微裂纹产生的持续时间，微裂纹产生的持续时间为裂纹在产生微裂纹的两个岩石晶粒中的较大直径中的传播时间，裂纹的传播速度为待测试岩石试样剪切波速的一半；
将一个声发射事件对应的所有微裂纹覆盖的空间范围作为对应声发射事件的空间范围，将声发射事件的空间范围内的所有微裂纹位置的几何中心作为对应声发射事件的震源位置；
根据矩张量分析的方法确定各声发射事件的声发射参数。
可选地，所述根据矩张量分析的方法确定各声发射事件的声发射参数，具体包括：
在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中，当初始微裂纹产生后，在每个设定时间步，根据产生的微裂纹的岩石晶粒之间接触力的变化量以及接触位置确定微裂纹矩张量的各个分量；
根据微裂纹矩张量的各个分量确定微裂纹的标量矩；
将在一个声发射事件范围内的所有微裂纹中最大标量矩的值作为对应声发射事件的标量矩；
根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的声发射参数。
可选地，所述根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的声发射参数，具体包括：
根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的震级；
根据声发射事件的震级确定声发射事件的能量。
可选地，所述宏观力学参数包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和剪切波速。
可选地，所述根据所述宏观力学参数构建所述待测试岩石试样的数值模型，具体包括：
基于PFC软件构建所述待测试岩石试样的数值模型；
根据所述宏观力学参数，通过试错法标定所述数值模型中岩石晶粒和岩石晶粒之间接触的微观参数。
本发明还公开了一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定系统，包括：
宏观力学参数获得模块，用于获取待测试岩石试样的宏观力学参数；
数值模型构建模块，用于根据所述宏观力学参数构建所述待测试岩石试样的数值模型；所述数值模型包括多个岩石晶粒，各岩石晶粒之间通过胶结物粘结；
各微裂纹的破裂时间和位置确定模块，用于通过PFC软件加载所述数值模型，模拟待测试岩石试样的破坏过程，在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中识别各微裂纹的破裂时间和位置；在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中各岩石晶粒之间每个粘结点的断裂均表示一个微裂纹；
同一声发射事件确定模块，用于在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中，若依次产生的两个微裂纹的岩石晶粒中有共同的岩石晶粒，且两个微裂纹产生的时间间隔小于当前声发射事件的持续时间，则所述两个微裂纹为同一声发射事件；当前声发射事件的初始持续时间为当前声发射事件的第一个微裂纹产生的持续时间，微裂纹产生的持续时间为裂纹在产生微裂纹的两个岩石晶粒中的较大直径中的传播时间，裂纹的传播速度为待测试岩石试样剪切波速的一半；
空间范围和震源位置确定模块，用于将一个声发射事件对应的所有微裂纹覆盖的空间范围作为对应声发射事件的空间范围，将声发射事件的空间范围内的所有微裂纹位置的几何中心作为对应声发射事件的震源位置；
声发射参数确定模块，用于根据矩张量分析的方法确定各声发射事件的声发射参数。
可选地，所述声发射参数确定模块，具体包括：
微裂纹矩张量的各个分量确定单元，用于在所述PFC软件加载所述数值模型的过程中，当初始微裂纹产生后，在每个设定时间步，根据产生的微裂纹的岩石晶粒之间接触力的变化量以及接触位置确定微裂纹矩张量的各个分量；
微裂纹的标量矩确定单元，用于根据微裂纹矩张量的各个分量确定微裂纹的标量矩；
声发射事件的标量矩确定单元，用于将在一个声发射事件范围内的所有微裂纹中最大标量矩的值作为对应声发射事件的标量矩；
声发射参数确定单元，用于根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的声发射参数。
可选地，所述声发射参数确定单元，具体包括：
震级确定子单元，用于根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的震级；
能量确定子单元，用于根据声发射事件的震级确定声发射事件的能量。
可选地，所述宏观力学参数包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和剪切波速。
可选地，所述数值模型构建模块，具体包括：
数值模型构建单元，用于基于PFC软件构建所述待测试岩石试样的数值模型；
标定单元，用于根据所述宏观力学参数，通过试错法标定所述数值模型中岩石晶粒和岩石晶粒之间接触的微观参数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明根据宏观力学参数构建待测试岩石试样的数值模型，通过PFC软件模拟数值模型的破坏过程，在加载过程中将产生时间和产生位置均相近的微裂纹确定为同一个声发射事件，从而确定声发射震源位置，通过矩张量分析的方法计算各声发射事件的声发射参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法流程示意图；
图2为本发明岩石试样示意图；
图3为本发明数值模型示意图；
图4为本发明岩石试样和数值模型破裂对比示意图；
图5为本发明岩石试样和数值模型应力-应变曲线对比图；
图6为本发明一个声发射事件演化示意图；
图7为本发明一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法及系统，能够确定各声发射事件的震源位置和声发射参数。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法流程示意图，如图1所示，一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定方法包括以下步骤：
步骤101：获取待测试岩石试样的宏观力学参数。
宏观力学参数包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和剪切波速。待测试岩石试样的宏观力学参数具体通过室内试验获取。
步骤102：根据宏观力学参数构建待测试岩石试样的数值模型；数值模型包括多个岩石晶粒，各岩石晶粒之间通过胶结物粘结。
其中，步骤102具体包括：
基于PFC软件构建待测试岩石试样的数值模型。
根据宏观力学参数，通过试错法标定数值模型中岩石晶粒和岩石晶粒之间接触的微观参数。
以页岩为具体实施例，基于颗粒流离散单元程序（PFC）构建岩石试样的数值模型。岩石试样如图2所示，岩石试样的数值模型如图3所示，根据前述所获取的岩石试样的宏观力学参数，通过试错法标定数值模型中颗粒和接触的微观参数，如表1和表2所示，重现岩石试样的宏观力学响应特征，如图4，图5所示，。其中接触是指颗粒与颗粒之间的接触，即各岩石晶粒之间粘结的胶结物。
表1 岩石晶粒及接触的微观参数
颗粒微观参数
数值
接触微观参数
数值
密度[kg/m<sup>3</sup>]
3000
粘结弹性模量[GPa]
22
弹性模量[GPa]
22
粘结刚度比
1.5
刚度比
1.5
接触拉张强度[MPa]
170
摩擦系数
0.8
接触粘聚力[MPa]
150
阻尼系数
0.7
接触内摩擦角[°]
40
表2 岩石层理面的微观参数
图5为三组平行实验，0-1、0-2和0-3分别表示不同页岩样品在同一条件下的应力-应变曲线，通过三组平行实验确定页岩试样的应力-应变曲线数据，以此减小获取参数的误差。
步骤103：通过PFC软件加载数值模型，模拟待测试岩石试样的破坏过程，在PFC软件加载数值模型的过程中识别各微裂纹的破裂时间和位置；在PFC软件加载数值模型的过程中各岩石晶粒之间每个粘结点的断裂均表示一个微裂纹。
其中，步骤103具体包括：基于PFC软件中内置的fish语言，编写程序，将数值模型在加载过程中每个粘结接触的断裂视为一次微裂纹的产生，从而识别岩石数值模型在加载过程中所产生的微裂纹并记录微裂纹的破裂时间和位置。产生的微裂纹如图4所示，图4中左边为岩石试样的真实破裂示意图，右边为数值模型破裂示意图。
当粘结接触受到的应力超过相应的强度时，接触断裂，产生微裂纹，此时可以在PFC软件中通过内置函数mech.age记录模型运算时间，即微裂纹产生时间（破裂时间）。
步骤104：在PFC软件加载数值模型的过程中，若依次产生的两个微裂纹的岩石晶粒中有共同的岩石晶粒，且两个微裂纹产生的时间间隔小于当前声发射事件的持续时间，则两个微裂纹为同一声发射事件；当前声发射事件的初始持续时间为当前声发射事件的第一个微裂纹产生的持续时间，微裂纹产生的持续时间为裂纹在产生微裂纹的两个岩石晶粒中的较大直径中的传播时间，裂纹的传播速度为待测试岩石试样剪切波速的一半。
其中，步骤104具体为：在PFC软件加载所述数值模型的过程中，依次对产生的两个微裂纹的岩石晶粒中是否有共同的岩石晶粒，两个微裂纹产生的时间间隔是否小于当前声发射事件的持续时间进行判断，若依次产生的两个微裂纹的岩石晶粒中有共同的岩石晶粒，且两个微裂纹产生的时间间隔小于当前声发射事件的持续时间，则两个微裂纹为同一声发射事件；当前声发射事件的初始持续时间为当前声发射事件的第一个微裂纹产生的持续时间，微裂纹产生的持续时间为裂纹在产生微裂纹的两个岩石晶粒中的较大直径中的传播时间，裂纹的传播速度为待测试岩石试样剪切波速的一半。
若依次产生的两个微裂纹的岩石晶粒中没有共同的岩石晶粒，或者两个微裂纹产生的时间间隔大于等于当前声发射事件的持续时间，则两个微裂纹不是同一声发射事件，将两个微裂纹中后产生的微裂纹作为新的声发射事件的初始微裂纹，从而将两个微裂纹归为不同的声发射事件。
上述确定同一个声发射事件的原理为根据微裂纹的破裂时间和位置，将破裂时间和破裂位置均相近的微裂纹视作同一个声发射事件。
步骤105：将一个声发射事件对应的所有微裂纹覆盖的空间范围作为对应声发射事件的空间范围，将声发射事件的空间范围内的所有微裂纹位置的几何中心作为对应声发射事件的震源位置。
其中，步骤104-105具体包括：1）根据裂纹传播速度和岩石材料剪切波速之间的关系确定声发射事件的持续时间，假设裂纹传播速度为岩石材料剪切波速的一半，据此可确定某一声发射事件的持续时间t d；2）定义产生初始微裂纹的颗粒为“触发颗粒”（图6中S1标识的是产生裂纹的大颗粒），其周围的粘结接触（图6中S2标识的是大颗粒周围的小粘结接触点）被定义为“受影响接触”，在声发射事件持续时间t d内，如果“受影响接触”发生断裂，产生新的微裂纹，该微裂纹成为同一声发射事件的一部分，同时，产生该微裂纹的颗粒成为新的“触发颗粒”，重新计算声发射持续时间，用重新计算的声发射持续时间更新t d；3）当在声发射持续时间t d内，“受影响接触”没有断裂产生微裂纹，认为这一声发射事件结束；4）将该声发射事件所包含的所有微裂纹位置的几何中心作为声发射震源位置。
图6为本发明一个声发射事件演化示意图，图6中一个声发射事件包括了三个微裂纹。图6中（a）对应时刻为t 1，图6中（b）对应时刻为t 2，图6中（c）对应时刻为t 3，t 2-t 1<t d且t 3-t 2<t d(t d是声发射持续时间，根据微裂纹的增加而更新)。
步骤106：根据矩张量分析的方法确定各声发射事件的声发射参数。
声发射参数包括震级和能量。
其中，步骤106具体包括：
在PFC软件加载数值模型的过程中，当初始微裂纹产生后，在每个设定时间步，根据产生的微裂纹的岩石晶粒之间接触力的变化量以及接触位置确定微裂纹矩张量的各个分量。
M ij=∑ΔF i R j （1）
式中：M ij表示矩张量的各个分量，ΔF i是接触力变化量的第i个分量，R j是接触位置与声发射事件中心之间的第j个分量，在数学意义上，接触位置与声发射事件中心可分别代表两个点，计算两点之间距离，R j表示两点之间的距离的第j个分量，其中，接触力的大小和接触位置可以通过内置fish语言获取。
接触力的大小可以通过PFC中内置函数contact.force.global获取，接触位置可以通过PFC中内置函数contact.pos获取。
根据微裂纹矩张量的各个分量确定微裂纹的标量矩。
根据公式（1），可以在初始微裂纹产生后的每一个时步计算声发射事件的矩张量分量，进而确定标量矩为：
（2）
式中：m j 是矩张量M ij的第j个特征值，M 0表示标量矩。考虑到记录每一个时步下的矩张量和标量矩耗费内存，一般取声发射事件中最大标量矩的值作为实际值，产生该值的时刻为声发射事件的发生时间。
将在一个声发射事件范围内的所有微裂纹中最大标量矩的值作为对应声发射事件的标量矩，最大标量矩对应微裂纹的发生时间为声发射事件的发生时间。
根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的声发射参数。
其中，根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的声发射参数，具体包括：
根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的震级。
声发射事件的震级为：
（3）
根据声发射事件的震级确定声发射事件的能量。
（4）
式中：M W表示震级，E为声发射能量，单位为焦耳。
图7为本发明一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定系统结构示意图，如图7所示，一种基于矩张量分析的岩石声发射参数确定系统，包括：
宏观力学参数获得模块201，用于获取待测试岩石试样的宏观力学参数。
数值模型构建模块202，用于根据宏观力学参数构建待测试岩石试样的数值模型；数值模型包括多个岩石晶粒，各岩石晶粒之间通过胶结物粘结。
各微裂纹的破裂时间和位置确定模块203，用于通过PFC软件加载数值模型的过程中识别各微裂纹的破裂时间和位置；在PFC软件加载所述数值模型的过程中各岩石晶粒之间每个粘结点的断裂均表示一个微裂纹。
同一声发射事件确定模块204，用于在PFC软件加载所述数值模型的过程中，若依次产生的两个微裂纹的岩石晶粒中有共同的岩石晶粒，且两个微裂纹产生的时间间隔小于当前声发射事件的持续时间，则两个微裂纹为同一声发射事件；当前声发射事件的初始持续时间为当前声发射事件的第一个微裂纹产生的持续时间，微裂纹产生的持续时间为裂纹在产生微裂纹的两个岩石晶粒中的较大直径中的传播时间，裂纹的传播速度为待测试岩石试样剪切波速的一半。
空间范围和震源位置确定模块205，用于将一个声发射事件对应的所有微裂纹覆盖的空间范围作为对应声发射事件的空间范围，将声发射事件的空间范围内的所有微裂纹位置的几何中心作为对应声发射事件的震源位置。
声发射参数确定模块206，用于根据矩张量分析的方法确定各声发射事件的声发射参数。
声发射参数确定模块206，具体包括：
微裂纹矩张量的各个分量确定单元，用于在PFC软件加载所述数值模型的过程中，当初始微裂纹产生后，在每个设定时间步，根据产生的微裂纹的岩石晶粒之间接触力的变化量以及接触位置确定微裂纹矩张量的各个分量。
微裂纹的标量矩确定单元，用于根据微裂纹矩张量的各个分量确定微裂纹的标量矩。
声发射事件的标量矩确定单元，用于将在一个声发射事件范围内的所有微裂纹中最大标量矩的值作为对应声发射事件的标量矩。
声发射参数确定单元，用于根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的声发射参数。
声发射参数确定单元，具体包括：
震级确定子单元，用于根据声发射事件的标量矩确定声发射事件的震级。
能量确定子单元，用于根据声发射事件的震级确定声发射事件的能量。
宏观力学参数包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和剪切波速。
数值模型构建模块202，具体包括：
数值模型构建单元，用于基于PFC软件构建待测试岩石试样的数值模型。
标定单元，用于根据宏观力学参数，通过试错法标定数值模型中岩石晶粒和岩石晶粒之间接触的微观参数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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