萊州花崗巖巖爆聲發(fā)射特征試驗大數(shù)據(jù)分析

張昱 李繼濤 蘇仡琳 高凱龍 劉開峰

1.北京建筑大學電氣與信息工程學院，北京100044；2.北京建筑大學建筑大數(shù)據(jù)智能處理方法研究北京市重點實驗室，北京100044；3.中國礦業(yè)大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083

因受高應力、高壓、高溫、工程擾動等因素的影響，在煤礦、地下水電站、深埋隧道、引水隧洞等地下工程中圍巖會突然發(fā)生猛烈破壞，同時伴隨能量的快速釋放，該現(xiàn)象稱為巖爆［1］。巖爆不僅嚴重影響生產(chǎn)，還會造成經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡［2-3］。文獻［4］以川藏鐵路隧道為例分析巖爆的判別方法、發(fā)生規(guī)律及危害性，并針對巖爆各風險等級給出了應對措施。文獻［5］在總結(jié)巖爆發(fā)生規(guī)律的基礎上，闡述了巖爆的防治技術。文獻［6］采用巖石彈性應力指數(shù)、強度脆性系數(shù)等指標對隧道巖爆段的巖性進行了分析預測。文獻［7］針對錦屏水電站隧洞施工高強巖爆等問題，提出一系列工程治理方案。

巖爆過程中會產(chǎn)生彈性應力波，從而出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象。文獻［8-9］采用應變巖爆物理模擬試驗系統(tǒng)在室內(nèi)再現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象，通過采集裝置實時接收巖爆過程中的聲發(fā)射信號，從而將巖爆過程中巖體破壞與聲發(fā)射現(xiàn)象聯(lián)系起來。文獻［10］通過分析巖爆試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號波形大致能反映巖爆的本質(zhì)信息。文獻［11］提取巖爆過程中每個波形的主頻并匯總，將主頻的分布區(qū)間分為5個頻帶，分別為低頻帶、中低頻帶、中頻帶、中高頻帶和高頻帶。

既有研究都取得了較好的效果，然而并沒有完全揭示出巖爆現(xiàn)象與聲發(fā)射現(xiàn)象的密切關系。本課題組在室內(nèi)進行巖爆試驗，實時采集循環(huán)加載條件下巖爆聲發(fā)射信號，將其通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）處理后再進行大數(shù)據(jù)可視化分析，揭示巖爆現(xiàn)象與聲發(fā)射信號的主頻、振幅、能量的關系，為巖爆預測提供依據(jù)。

1 巖爆試驗

1.1 巖爆試驗系統(tǒng)

何滿潮院士及其團隊于2004年研發(fā)了應變巖爆物理模擬試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主機、加載控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成，在室內(nèi)即可模擬巖爆。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、壓力傳感器和高速攝影機組成，見圖1。

圖1 應變巖爆物理模擬試驗系統(tǒng)

1.2 巖石樣本

巖石樣本為山東省萊州市花崗巖，其礦物成分為石英、斜長石、鉀長石、黑云母和黏土礦物。樣本質(zhì)量為648.831 g，尺寸為150.67 mm（長）×27.99 mm（寬）×59.85 mm（高），均勻性和完整性較好。

1.3 巖石應力狀況

巖石樣本應力狀況見圖2。巖石樣本首先三向六面受力，以模擬隧道施工前巖石應力狀況。然后沿虛線箭頭方向快速卸載，以模擬隧道施工時巖石應力狀況。

圖2 巖石樣本應力狀況

1.4 數(shù)據(jù)處理

巖爆試驗會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。本次巖爆試驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲在11 375個文本文件中，每個文本文件包含4 096組數(shù)據(jù)，單次試驗處理的數(shù)據(jù)量為46 592 000組。

首先將數(shù)據(jù)導入大數(shù)據(jù)可視化分析平臺，然后對數(shù)據(jù)進行預處理，清除異常值。原始數(shù)據(jù)和預處理后的數(shù)據(jù)均為時域數(shù)據(jù)，對預處理后的數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT），即可將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)。DFT公式為

式中：X（k）為第k次DFT后的數(shù)據(jù)；X（i）為第i個原始數(shù)據(jù)；e-j2πki/N為連續(xù)周期函數(shù)，j為虛數(shù)單位，N為數(shù)據(jù)長度。

經(jīng)計算可知，長度為N的數(shù)據(jù)進行DFT的時間復雜度為O（N2）。FFT是在DFT基礎上改進的一種算法，利用DFT的周期性和對稱性，采用蝶形算法將DFT的時間復雜度降低為O（Nlog2N），見圖3。

圖3 FFT蝶形算法

假設N=8，X（0）～X（7）表示8個樣本，W3N為旋轉(zhuǎn)因子，即對數(shù)據(jù)進行3次變換。為了降低時間復雜度，縮短計算時間，采用FFT來對巖爆數(shù)據(jù)進行計算處理。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 聲發(fā)射信號主頻分析

每個聲發(fā)射信號中振幅最大時的頻率稱為主頻，主頻反映波形在某一特定時刻的特征。首先對原始數(shù)據(jù)進行FFT、數(shù)據(jù)取半、求模，得到所有聲發(fā)射信號的主頻。然后統(tǒng)計巖爆過程中所有聲發(fā)射信號主頻的分布情況，見表1。

表1 聲發(fā)射信號主頻分布情況

由表1可知：在巖爆過程中聲發(fā)射信號的主頻主要分布于中低頻、中頻、中高頻這三個頻帶，三者占比共達到94.87%。只有極少數(shù)分布于低頻帶和高頻帶。

巖爆試驗聲發(fā)射信號主頻時程分布見圖4。將整個巖爆試驗過程分為三個時期：從開始試驗到快速卸載（4 000 s）前為初期；從快速卸載到出現(xiàn)破裂現(xiàn)象（9 000 s）前為中期；從出現(xiàn)破裂現(xiàn)象到試驗結(jié)束為后期。由圖4可見：主頻大多分布在中低頻、中頻、中高頻這三個頻帶；從整個過程來看，試驗初期中低頻最多，低頻、高頻幾乎沒有；試驗中期和后期高頻明顯增多，中低頻、中頻、中高頻占據(jù)大多數(shù)。

圖4 聲發(fā)射信號主頻時程分布

2.2 聲發(fā)射信號振幅與能量分析

由機械能守恒定律可知，質(zhì)點的機械能等于其動能與勢能之和。因為巖石樣本中質(zhì)點在靜止狀態(tài)下其動能、勢能均為0，因此該質(zhì)點的機械能為0。當波傳播到某個質(zhì)點時，質(zhì)點會因發(fā)生振動而具備動能，同時也會因發(fā)生彈性形變而具備勢能。根據(jù)能量守恒定律，該質(zhì)點的機械能來自于聲發(fā)射信號能量。

假設質(zhì)點振動時間為t，質(zhì)點振動的角速度為ω，振幅為A。

式中：m、ρ、V分別為質(zhì)點的質(zhì)量、密度和體積。

質(zhì)點的勢能Ep為

由式（6）可見，質(zhì)點的機械能與其振幅的平方成正比。根據(jù)能量守恒定律，聲發(fā)射信號能量與其振幅的平方成正比。

為分析巖爆試驗聲發(fā)射信號振幅變化規(guī)律，將數(shù)據(jù)進行處理得到聲發(fā)射信號振幅時程曲線，見圖5。可見：試驗初期和中期振幅變化較小，后期振幅變化較大且呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。由聲發(fā)射信號能量與振幅的關系可知，在巖爆試驗初期和中期聲發(fā)射信號能量變化較小，后期能量變化較大且呈先增大后減小的規(guī)律變化。

圖5 聲發(fā)射信號振幅時程曲線

2.3 聲發(fā)射信號主頻、振幅與能量綜合分析

將11 375個文本文件中的數(shù)據(jù)提取和處理后生成聲發(fā)射信號主頻、振幅、時間三維分布圖，見圖6。

圖6 聲發(fā)射信號主頻、振幅、時間三維分布

由圖6可見：試驗初期和中期振幅和能量變化不大，試驗后期振幅和能量先增大后減小。試驗后期振幅增大的瞬間即巖爆時刻，此時聲發(fā)射信號主頻主要集中在中頻帶［150～250）kHz。

3 結(jié)論

1）在巖爆試驗過程中主頻主要分布于中低頻、中頻、中高頻三個頻帶，只有極少數(shù)分布于低頻帶和高頻帶。巖爆試驗初期主頻集中在中低頻帶，低頻帶、高頻帶幾乎沒有；試驗中期和后期主頻大多數(shù)在中低頻帶、中頻帶、中高頻帶，高頻帶較初期明顯增多。

2）巖爆試驗過程中聲發(fā)射信號的振幅和能量初期和中期變化不大，后期變化較大且呈先增大后減小的規(guī)律變化。

本文研究成果可用于隧道巖爆預測等。下一步工作擬采用人工智能算法對主頻、振幅、能量特征進一步研究，以實現(xiàn)對巖爆的精準預測。