具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

目前确定岩石长期强度σ_∞主要分为直接法与间接法两类。直接法通过对一定数量的岩石试件进行不同蠕变应力条件的蠕变试验。在此基础上，将岩石不发生蠕变破坏时对应的最大蠕变应力作为长期强度σ_∞。由于该方法需对多个岩石试件进行蠕变，当蠕变应力略大于长期强度σ_∞，岩石破坏总历时可能为几个月甚至几年。因此，该方法存在试验历长的局限性。同时，岩石是非均质材料，即使是同一产地同一岩性的岩石其细观结构、构造也不尽相同，致使不同试件所得的长期强度σ_∞也存在一定的差异性。间接法通过对单个试件进行分级或多级加载蠕变试验。在此基础上，主要通过等时应力～应变曲线，或由等时应力～应变曲线族转换而成的等效应力松驰曲线来求解长期强度σ_∞，在一定程度上提高了试验效率。然而，岩石不仅是非均质材料，也是各向性质材料。因此，岩石轴向与横向蠕变特征具有相对明显的差异，单方向蠕变特征并不能代表岩石整体蠕变特征。同时，在选取相关曲线“拐点”时也存在一定的主观性与随意性。

岩石蠕变破坏其实质是微裂纹持续演化的结果。当蠕变应力小于岩石长期强度σ_∞时，蠕变应力不足于使岩石产生新的微裂纹，岩石微裂纹演化主要表现岩石内部原生微裂纹将随着蠕变时间的增长而逐步被压密，岩石不发生蠕变破坏。当蠕变应力大于岩石长期强度σ_∞时，此时蠕变应力已具备促使岩石产生新裂纹的能力，即随着蠕变时间的增长新生微裂纹将持续孕育、萌生、扩展与贯通，并最终导致岩石发生蠕变破坏。理论与实践表明：岩石微裂纹的演化过程中伴随着声发射现象，声发射震源时空演化规律与微裂纹演化活动接近。因此，通过研究声发射震源演化规律在一定程度上解译岩石蠕变细观机理。

现有技术存在的问题如下：

(1)直接法存在蠕变历时长，时效性差的局限性。

(2)间接法未充分考虑岩石轴向与横向蠕变特征具有相对明显的差异，单方向蠕变特征并不能代表岩石整体蠕变特征。同时，在选取相关曲线“拐点”时也存在一定的主观性与随意性。

基于上述问题，本发明提供一种基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法，尝试通过建立岩石蠕变破坏过程中微裂纹(声发射震源)演化特征与长期强度σ_∞的联系。在此基础上，提供了一个物理意义明确、易操作的岩石长期强度σ_∞确定方法。

本发明提供了一种基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法，包括以下步骤：

对标准岩石试件进行不少于6次纵波波速测试，得到岩石纵波波速的平均值；

在标准岩石试件上布置不少于6个声发射传感器，并记录每个声发射传感器的位置坐标；

将声发射传感器的位置坐标及纵波波速的平均值作为实验输入参数，对标准岩石试件进行分级蠕变破坏声发射震源定位试验，得到声发射震源的坐标；

分别提取声发射震源对应的波形文件，计算得到各个声发射声发射震源对应的P波到时与初动振幅，在此基础上，对各个声发射震源对应的矩张量进行求解，得到各矩张量对应的特征值；

根据特征值对声发射震源进行分类；

通过声发射震源的类型确定优势声发射震源；

对分级蠕变破坏声发射震源定位试验中的各级优势声发射震源的绝对能量进行拾取；

根据绝对能量计算各级蠕变过程中优势声发射震源的绝对能量的平均值；

根据各级蠕变过程中优势声发射震源的绝对能量平均值，绘制绝对能量平均值-蠕变应力曲线；

将绝对能量平均值-蠕变应力曲线上最低点与最低点之后第一个数据点对应的蠕变应力平均值作为岩石长期强度σ_∞。

本发明提供的基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法，该发明以声发射震源定位为基础，以矩张量分析方法为手段，将岩石蠕变过程中声发射震源定性分为剪切、张拉与混合型震源。在此基础上，以优势声发射震源类型对应的绝对能量变化特征来确定岩石长期强度。该方法充分考虑了不同种类岩石在蠕变过程中，声发射震源类型与岩石宏观破坏模式之间的关系，搭建了岩石长期强度与岩石破坏过程中微裂纹之间的联系，具有物理意义明确、易操作的特点，是岩石长期强度确定方法的有效补充。

本发明适用于单轴压缩条件下岩石长期强度σ_∞的确定方法。完整的技术方案包括：标准岩石试件的制备，岩石蠕变破坏声发射震源定位试验、矩张量求解、声发射震源类型辨识与长期强度σ_∞确定，共五部分组成。

实施例1：

1.1标准岩石试件的制备

按《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)进行试件制备。试件可由钻孔岩芯或岩块制备。以标准直径50mm，高度100mm的圆柱体为例。试件制备所需的仪器设备包括：取芯机、切割机、磨石机等。其中，取芯机用于钻取直径为50mm，高度大于100mm的岩芯。切割机用于对经钻取后的岩芯进行切割，以得到直径为50mm，高度略大于100mm的圆柱体岩芯。磨石机用对切割后圆柱体岩芯进行端面进行打磨处理，并最终制备得到直径50mm，高度100mm的圆柱体。为保证试验精确，试件两端面不平行度小于0.05mm，沿试件高度方向，直径的误差小于0.3mm，试件端面应垂直于试件轴线，偏差小于0.25°。标准圆柱试件见图1。

1.2岩石蠕变过程声发射震源定位试验

1.2.1仪器与设备

所需的仪器与设备包括：具有蠕变功能的刚性压力机、声发射仪、声发射传感器及相关固定装置、声波仪、应变片等。其中，刚性压力机应具备自动采集轴向应力(力)与轴向应变(位移)的功能。如轴向应变(位移)无法采集，可在试件上粘贴应变片替代。声发射仪应具备三维定位功能，建议采用PAC声发射仪备PCI-2系统。声发射传感器建议采用Nano30传感器。声波仪用于测试岩石试件的纵波波速，建议采用RSM-RCT(B)声波仪。

1.2.2标准圆柱体相对坐标编制

为便于声发射传感器安装定位，以及震源空间坐标的计算，需进行标准圆柱体相对坐标编制。步骤如下：

(1)以试件底面中心为坐标原点，以试件下端面为X-Y平面，以试件轴向为Z轴，建立空间坐标系。

(2)以X轴为起点，并标记为0°刻度线，逆时针沿试件表面每隔30°作Z轴平行线。

(3)以X-Y平面为起点，沿Z轴方向每隔10mm作圆周线。试件相对坐标编制，见图2。

1.2.3声发射传感器布置

共需对称布置8个声发射传感器，布置步骤如下：

(1)用铅笔沿试件表面轴线方向作直线L1。采用游标卡尺沿直线方向精确量取距上、下端面10mm的点，并将此两点(2号点、6号点)作为声发射传感器布置位置的中心点。

(2)以试件轴线作L1的对称线L2，做2号点、6号点的对称点，作为4号、8号传感器布置中心点。

(3)同理，分别沿试件表面作直线L3、L4，使L3、L4构成的平面垂直于L1、L2构成的平面，并确定剩余的1号与5号，3号与7号传感器布置中心点。

(4)最后，以试件底面中心为坐标原点，分别计算、记录以上8个传感器布置中心点坐标。震源定位传感器布置示意，见图3。

1.2.4岩石纵波波速测试

采用RSM-RCT(B)声波仪对岩石纵波波速进行测试，测试次数不少于5次，并取平均值作为震源定位的计算参数。

1.2.5岩石蠕变破坏声发射震源定位试验实施

(1)加载方式与加载速率

蠕变声发射震源定位试验加载方式采用分级加载，加载速率建议控制在0.1MPa/s～0.5MPa/s之间。各级蠕变应力建议取βσ_ci。其中，σ_ci为单轴压缩条件下岩石起裂强度，β为系数其大小取1.0/1.1/1.2/1.3…n(n为公差为0.1等差数列)，并且最大蠕变应力n_maxσ_ci应小于岩石单轴抗压强度σ_c，即n_maxσ_ci＜σ_c。对于起裂强度σ_ci的确定建议采用裂纹应变模型计算法进行求解。加载方式与加载速率示意，见图4。

(2)声发射采集参数设置

声发射参数的设置与岩石种类与测试环境有关。不同的岩石在不同测试环境下声发射参数不尽相同。以红砂岩声发射测试为例，声发射参数设置，见表1。

表1声发射参数设置

(3)完成试件纵波波速测试，将试件置于具有蠕变功能的刚性压力机，完成加载速率与声发射采集参数等设置，进行岩石破坏声发射震源定位试验。其中，需保证刚性压力机与声发射采集时间同步进行，即两者开始采集的时间相同。

(4)震源空间坐标计算

声发射震源坐标可通过最二乘法、单纯形算法等计算得到。同时，也可由声发射仪直接得到。

作为示例，采用PAC声发射仪定位结果，震源定位结果如图5。

1.3矩张量求解

声发射震源类型辨识包括：波形文件的选取、P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取、矩张量求解与类型辨识，共四部分组成。

1.3.1波形文件的选取

在声发射震源定位中，对于一个声发射震源其产生时间与对应空间坐标的计算，最少需要4个声发射传感器所采集的波形文件。但基于矩张量分析的声发射震源类型辨识，最少需要6声发射传感器所采集的波形文件才能实现声发射震源类型辨识。因此，在理论上用于声发射震源类型所对应的震源数小于声发射震源定位所对应的震源数。

根据实际声发射震源定位数量，通常由两种方法提取单个声发射震源类型辨识所对应的波形文件。第一种，对于震源定位数量少，可直接通过人工方式提取。第二种，对于震源定位数量多，可根据声发射仪波形文件存储规则，通过编制相关程序批量进行提取。

1.3.2P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取

以6个声发射传感器为例，即该震源相关信息“同时”被6个声发射传感器采集。

(1)根据赤池信息理准则(AIC)，采用F_C3作为拾取P波到达时间的特征函数，同时选择信号起点至能量变化最大点作为检测区间。按式(1-1)计算AIC函数值：

AIC(k_w)＝k_w·log(var(R_w(1,k_w)))+(n_w-k_w-1)·log(var(R_w(1+k_w,n_w))) (1-1)

式中：R_w、k_w—分别为所选窗口的时间序列与所有的时间序列。

var、n_w—为方差函数和采样长度。

(2)将AIC函数最小点作为P波到达时间t_i。

(3)以t_i之后振幅中第一个最值点作为初动振幅A_i的值。

因此，对于6个声发射传感器，可求出6组P波到达时间t_i和初动振幅A_i。

以某一个传感为例：P波到达时间t_i与初动振幅A_i求解，如图6。

1.3.3矩张量求解

通过提取六个有效信号的初动振幅A_i，以及震源与传感器的距离R和方向余弦r。按式(1)求解矩张量M六个独立分量：

式中：A(x)—为初动振幅；

R,r—声源与传感器之的距离，及其方向余弦，可由传感器坐标与震源坐标计算得到；

C_S—传感器灵感度相关系数，可通过断铅方式进行标定；

Ref(t,r)—反应系数，可通过断铅试验进行标定，通常取2。

由于矩张量各元素关于对角线对称，即m_ij＝m_ji。因此，在已知6个传感器对应的初动振幅A(x)、声源与传感器之的距离R，及其方向余弦r，传感器灵感度相关系数C_S与反应系数Ref(t,r)条件下，矩张量各元素m_ij可完成求解。

1.4震源类型辨识

(1)由矩张量求得对应的3个特征值，其中最大、中间与最小的特征值定义分别定义为λ_max、λ_int、λ_min。

(2)对3个特征值进行归一化处理，得到X,Y,Z。其中X＝λ_max/λ_max,Y＝λ_int/λ_max，Z＝λ_min/λ_max。

(3)求解方程组(2)

(4)根据X值，按式(3)对震源类型进行辨识

1.5长期强度σ_∞确定

1.5.1蠕变破坏过程优势声发射震源类型辨识

已有的试验表明：在形状、尺寸与加载方式相同条件下，某一类型的声发射震源将“贯穿”整个岩石破坏过程，并且其数量最多。本发明定义该类震源为优势震源，其辨识方法如下：

(1)统计各级蠕变过程中，剪切震源、张拉震源与混合震源数量。记S_iZ为第i级蠕变过程中张拉震源数量，S_iJ为第i级蠕变过程中剪切震源数量，S_iH为第i级蠕变过程中混合震源数量。

(2)统计整个蠕变过程中，剪切震源、张拉震源与混合震源数量。记S_Z为整个蠕变过程中张拉震源数量，S_J为整个蠕变过程中剪切震源数量，S_H为整个蠕变过程中混合震源数量。相应的计算，见式(4)：

式中：m—分级次数。

(3)比较S_Z、S_J、S_H数值大小，取最大值max(S_Z,S_J,S_H)对应的某类声发射震源为优势震源。

1.5.2优势声发射震源绝对能量拾取

由震源类型辨识方法可知：对于某一个确定的优势声发射震源，其最少对应于6个声发射波形文件。即对于某一个确定的优势声发射震源，其最少存在6个绝对能量值。由于单个声发射震源空间坐标常具有一定的“随机性”。因此，在通常情况下单个震源到各接收到信号的传感器的距离L_i并不相等，从而导致在即使岩石波速一定的条件下，每个传感器接收到声发射信号的时间T_i也不尽相同。同时，考虑了声发射震源绝对能量在传播过程中的衰减特性。本发明建议对于某一个确定的优势声发射震源其绝对能量的拾取，以接收到声发射信号P波到时最小值min(T_i)对应的绝对能量值作为该优势震源绝对能量大小的标度。以图7为例，假定2#传感器接收到声发射信号对应的时间T₂数值最小，则取2#传感器采集得到了声发射绝对能量E₂作为该优势震源绝对能量大小。

1.5.3各级蠕变过程中优势声发射震源平均绝对能量计算

统计各级蠕变过程中，优势声发射震源数量与绝对能量。记N_Yi为第i级蠕变过程中优势声发射震源数量，E_Yi为第i级蠕变过程中优势声发射震源能量之和，则各级蠕变过程中优势声发射震源平均绝对能量可由式(5)计算：

1.5.4各级蠕变应力条件下优势声发射震源平均绝对能量曲线绘制

以各级蠕变应力σ_i为X轴，以各级蠕变过程中优势声发射震源平均绝对能量E_Yi为Y轴，绘制蠕变应力-优势声发射震源平均绝对能量曲线，如图8所示。

1.5.4长期强度σ_∞确定

(1)取蠕变应力-优势声发射震源平均绝对能量曲线最小值为A点，其坐标可表示为

(2)取蠕变应力-优势声发射震源平均绝对能量曲线A点之后第一个数据点为B，其坐标可表示为

(3)取A点X轴坐标值σ_i与B点X轴坐标值σ_i+1平均值，作为岩石长期强度σ_∞值，即

长期强度σ_∞的确定，见图9。需说明的是：如需提高长期强度σ_∞的精度，可根据需求调整各级蠕变应力增量Δσ的大小。其中，Δσ＝σ_i-σ_i-1。

实施例2

2.1标准岩石试件的制备

按《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)制备直径50mm，高度100mm的圆柱体岩石试件，见图10。

2.2岩石蠕变过程声发射震源定位试验

2.2.1仪器与设备

试验加载仪器即刚性压力同采用GDS VIS 400kN HPTAS三轴流变仪，声发射定位由PCI-2声发射系统完成，同时配Nano30型声发射传感器，岩石纵波波速测试采用RSM-RCT(B)声波仪。主要仪器设备见图11。

2.2.2标准圆柱体相对坐标编制

为便于声发射传感器安装定位，以及震源空间坐标的计算，需进行标准圆柱体相对坐标编制。步骤如下：

(1)以试件底面中心为坐标原点，以试件下端面为X-Y平面，以试件轴向为Z轴，建立空间坐标系。

(2)以X轴为起点，并标记为0°刻度线，逆时针沿试件表面每隔30°作Z轴平行线。

(3)以X-Y平面为起点，沿Z轴方向每隔10mm作圆周线。

试件相对坐标编制，见图12。

2.2.3声发射传感器布置

共需对称布置8个声发射传感器，布置步骤如下：

(1)用铅笔沿试件表面轴线方向作直线L1。采用游标卡尺沿直线方向精确量取距上、下端面10mm的点，并将此两点(2号点、6号点)作为声发射传感器布置位置的中心点。

(2)以试件轴线作L1的对称线L2，做2号点、6号点的对称点，作为4号、8号传感器布置中心点。

(3)同理，分别沿试件表面作直线L3、L4，使L3、L4构成的平面垂直于L1、L2构成的平面，并确定剩余的1号与5号，3号与7号传感器布置中心点。

(4)最后，以试件底面中心为坐标原点，分别计算、记录以上8个传感器布置中心点坐标。震源定位传感器布置示意，见图13。

2.2.4岩石纵波波速测试

采用RSM-RCT(B)声波仪对岩石岩石纵波波速进行测试，测试次数不少于5次，并取平均值作为震源定位的计算参数。测试过程，见图14。

2.2.5岩石蠕变过程声发射震源定位试验实施

声发射震源定位由GDS VIS 400kN HPTAS三轴流变仪与PCI-2声发射系统完成。蠕变声发射震源定位试验加载方式采用分级加载，加载速率为0.1MPa/s。以红砂岩为例，由单轴压缩试验测得岩石平均单轴抗压强度为约60.35MPa，起裂应力约为30.00MPa。试验中，分级蠕变应力分别取23MPa、27MPa、31MPa、35MPa、39MPa、42MPa与45MPa，其数值大小分别约为起裂应力的0.80、0.90、1.03、1.16、1.30、1.40与1.50倍。声发射参数设置，参照表1。震源空间坐标计算由PCI-2声发射系统完成。图15给出了某一蠕变应力条件下震源定位结果。

2.3矩张量求解

在声发射震源定位的基础上，筛选出震源对应的6个及以的波形文件。赤池信息理准则(AIC)，将AIC函数最小点作为P波到达时间t_i，以t_i之后振幅中第一个最值点作为初动振幅A_i的值。

以某个震源对应6个波形文件为例，计算结果见表2。其中，各传感器实际接收信号时间T_i等于声发射仪记录到时T_j与P波到时t_i之差。

表2 P波到时与初动振幅计算结果

按式(6)求解矩张量M六个独立分量：

式中：A(x)—为初动振幅；

R,r—声源与传感器之的距离，及其方向余弦，可由传感器坐标与震源坐标计算得到；

C_S—传感器灵感度相关系数，可通过断铅方式进行标定；

Ref(t,r)—反应系数，可通过断铅试验进行标定，通常取2。

求解结果见式(7)：

2.4震源类型辨识

式(7)经归一化后的特征值为[-0.3510.0141.597]。按式(8)对该震源类型进行辨识。计算结果表明：其中X的相对比例为22.865％，Y的相对比例为50.833％，Z的相对比例为26.302％。因此，该震源为张拉型震源。

对应于图15作为示例，图16～18给出了某一蠕变应力条件下剪切、张拉与混合震源辨识结果。

2.5长期强度σ_∞确定

2.5.1蠕变破坏过程优势声发射震源类型辨识

(1)统计各级蠕变过程中，剪切震源、张拉震源与混合震源数量。记S_iZ为第i级蠕变过程中张拉震源数量，S_iJ为第i级蠕变过程中剪切震源数量，S_iH为第i级蠕变过程中混合震源数量。

(2)统计整个蠕变过程中，剪切震源、张拉震源与混合震源数量。记S_Z为整个蠕变过程中张拉震源数量，S_J为整个蠕变过程中剪切震源数量，S_H为整个蠕变过程中混合震源数量。相应的计算，见式(9)：

式中：m—分级次数。

(3)比较S_Z、S_J、S_H数值大小，取最大值max(S_Z,S_J,S_H)对应的某类声发射震源为优势震源。

表3给出了各级蠕变应力条件下各类型声发射震源数量，从表中可以看出剪切型震源最多。因此，剪切开型震源为优势震源。

表3各级蠕变应力条件下各类型声发射震源数量

2.5.2优势声发射震源绝对能量拾取

表2给出了某震源信号被6个声发射传感所采集，相应的生成了6个波形文件。从表2可以看出：经对6个传感器所生成的6个波形文件进行P波到时t_i的计算，以及由PCI-2声发射系统记录到时T_j的计算，3#传感器实际接收信号时间最小为12.3597278s。因此，选择3#传感器所采集绝对能量作为该震源的绝对能量标度。

2.5.3各级蠕变过程中优势声发射震源平均绝对能量计算

统计各级蠕变过程中，优势声发射震源数量与绝对能量。记N_Yi为第i级蠕变过程中优势声发射震源数量，E_Yi为第i级蠕变过程中优势声发射震源能量之和，则各级蠕变过程中优势声发射震源平均绝对能量可由式(10)计算：

2.5.4各级蠕变应力条件下优势声发射震源平均绝对能量曲线绘制

以各级蠕变应力σ_i为X轴，以各级蠕变过程中优势声发射震源平均绝对能量为Y轴，绘制蠕变应力-优势声发射震源平均绝对能量曲线，如图19所示。

2.5.4长期强度σ_∞确定

图19显示，当蠕变应力小于等于39MPa时，随着蠕变应力的增大优势声发射震源平均绝对能量逐步减小；当蠕变应力大于等于39MPa时，随着蠕变应力的增大优势声发射震源平均绝对能量逐步增大；蠕变等于39MPa时优势声发射震源平均绝对能量最小，其数值约为39aJ。

(1)取蠕变应力-优势声发射震源平均绝对能量曲线最小值为A点。

(2)取蠕变应力-优势声发射震源平均绝对能量曲线A点之后第一个数据点为B。

(3)取A点X轴坐标值与B点X轴坐标值的平均值作为岩石长期强度σ_∞值，即作为示例，长期强度σ_∞的确定见图20。

作为对比，图21给出了稳态蠕变速率法长期强度σ_∞结果为39.6MPa。两者相差0.9MPa，进一步说明本发明所提出的长期强度σ_∞确定方法是可行的。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。