本發(fā)明涉及一種巖體工程安全檢測技術，尤其涉及一種基于聲發(fā)射特征譜的巖體透水監(jiān)測方法。

背景技術：

在礦山開采、巖體隧道挖掘、混凝土深井構建等高應力、大滲透壓環(huán)境的復雜巖體工程中，巖體應力條件下巖體含水率檢測具有重要意義：天然巖體在長期地質作用下會生成不同的節(jié)理和裂隙，巖體結構破壞失穩(wěn)多數(shù)是在節(jié)理裂隙的產生、擴展及滑移過程中發(fā)生；巖石含水率改變會導致其裂隙演變機制發(fā)生改變，巖石內部力學性質也會相應變化，當巖石含水率增加時，巖石的抗壓強度和彈性模量都會降低，這是工程巖體發(fā)生不可逆破壞的重要原因，同時，在強大的應力條件下巖體內部裂隙的延伸發(fā)展也會加速，從而加劇巖體結構失穩(wěn)崩塌的風險，因此，研究出方便可行、檢測結果準確的巖體應力條件下巖體含水率檢測方法，可以對巖土工程安全監(jiān)測提供實踐指導，從而極大地提高深部地下空間工程運行的安全性與穩(wěn)定性。

技術實現(xiàn)要素：

聲發(fā)射是指巖石內部裂隙在局部應力下產生的高能狀態(tài)并通過產生瞬態(tài)彈性波來釋放能量從而達到穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象；大量實踐證明，巖石聲發(fā)射波形信號與巖石力學參數(shù)、結構損傷之間存在關聯(lián)性，巖石聲發(fā)射波形信號中包含了巖體結構的原生及次生裂紋萌生、擴展及貫通的時域及頻域規(guī)律信息；當巖石的內部狀態(tài)在含水條件和應力條件的綜合作用下發(fā)生改變時，相應的巖石聲發(fā)射波形信號也會表現(xiàn)出不同的特征。

之前，發(fā)明人曾提出過一項名為“聲信號樂譜化處理系統(tǒng)”的中國專利(專利號：201310562663.8)，該專利提出用音樂簡譜的形式來對聲信號進行規(guī)范化、離散化處理，從而使技術人員可以對聲信號中所蘊含的各種信息進行定量的分析，這種手段十分適合于聲信號處理，考慮到巖體結構存在聲發(fā)射的特點，于是發(fā)明人考慮用前述手段來對巖石聲發(fā)射波形信號進行處理，進而實現(xiàn)對巖體透水情況的監(jiān)測，順著這一思路，發(fā)明人進行了大量的研究和實驗，并最終得到了如下方案：

一種基于聲發(fā)射特征譜的巖體透水監(jiān)測方法，其創(chuàng)新在于：所涉及的硬件包括：聲傳感器和處理模塊；所述聲傳感器設置在被測巖體上，聲傳感器的信號輸出端與處理模塊連接；所述方法包括：

1)建立數(shù)據(jù)庫；所述數(shù)據(jù)庫中包含有多個子數(shù)據(jù)庫，每個子數(shù)據(jù)庫均對應一種材質的巖體，不同子數(shù)據(jù)庫對應不同材質的巖體；單個子數(shù)據(jù)庫中包含有多個樣本庫，每個樣本庫對應一種應力條件，不同樣本庫對應不同的應力條件；單個樣本庫中包含有多個樣本組，每個樣本組對應一種含水率條件，不同樣本組對應不同的含水率條件；每個樣本組均對應一特征判據(jù)組，不同樣本組對應不同的特征判據(jù)組；所述數(shù)據(jù)庫預存在處理模塊中；

2)對被測巖體的應力情況進行檢測，獲得被測巖體的應力數(shù)據(jù)；對被測巖體的材質進行檢測，獲知被測巖體的材質種類；

3)布設聲傳感器和處理模塊；

4)將被測巖體的應力數(shù)據(jù)和材質種類錄入處理模塊內：處理模塊根據(jù)材質種類，從數(shù)據(jù)庫中調用與被測巖體材質種類相同的子數(shù)據(jù)庫；處理模塊根據(jù)應力數(shù)據(jù)確定被測巖體所對應的應力條件，從子數(shù)據(jù)庫中調用與被測巖體所對應的應力條件相同的樣本庫，然后對樣本庫所轄的多個特征判據(jù)組進行加載；

5)后續(xù)監(jiān)測過程中，聲傳感器進行連續(xù)采樣，當聲傳感器監(jiān)測到被測巖體的聲發(fā)射信號后，聲傳感器將監(jiān)測信號輸出至處理模塊，處理模塊收到聲傳感器輸出的監(jiān)測信號后，先對監(jiān)測信號進行樂譜化處理，獲得音樂簡譜，然后從音樂簡譜中提取出被測巖體的特征參數(shù)，然后根據(jù)已加載的多個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別，根據(jù)識別結果確定被測巖體的當前含水率；

所述特征參數(shù)包含信號延續(xù)周期、信號波動程度和信號有效計數(shù)三種；

單個特征判據(jù)組包含和含水率概率計算公式；

所述和分別表示3個區(qū)間；所對應的區(qū)間為：

(B1-Δ1,B1+Δ1)

所對應的區(qū)間為：

(B2-Δ2,B2+Δ2)

所對應的區(qū)間為：

(B3-Δ3,B3+Δ3)

其中，B1為對應信號延續(xù)周期的組內均值，B2為對應信號波動程度的組內均值，B3為對應信號有效計數(shù)的組內均值，Δ1為對應的區(qū)間范圍調節(jié)參數(shù)，Δ2為對應的區(qū)間范圍調節(jié)參數(shù)，Δ3為對應的區(qū)間范圍調節(jié)參數(shù)；其中，Δ1＝B1/v，Δ2＝B2/v，Δ3＝B3/v；

其中，v為調節(jié)因子；

步驟1)中按如下方式為單個樣本組生成特征判據(jù)組：

設某一樣本庫所對應的應力條件為F，該樣本庫中，每個樣本組所轄的樣本數(shù)量均為n，第j個樣本組所對應含水率條件的含水率數(shù)值為M_j，則按如下步驟對第j個樣本組所轄的n個樣本進行仿真實驗：

A)對樣本的含水率進行調節(jié)，使n個樣本的含水率數(shù)值均達到M_j；

B)以F為加載條件，對n個樣本分別進行加載直至樣本碎裂，加載過程中，對樣本的聲發(fā)射信號進行連續(xù)采樣，獲得采樣信號，n個樣本即對應n個采樣信號；

C)對n個采樣信號進行樂譜化處理，獲得n個音樂簡譜，從每個音樂簡譜中提取出相應樣本的特征參數(shù)，n個音樂簡譜即對應n組特征參數(shù)；第i個樣本所對應的信號延續(xù)周期的數(shù)值記為e1_i，第i個樣本所對應的信號波動程度的數(shù)值記為e2_i，第i個樣本所對應的信號有效計數(shù)的數(shù)值記為e3_i；

D)按前述的B1、B2和B3的表達式，計算出該樣本組所對應的B1、B2和B3；然后構建出相應的和

E)根據(jù)條件概率理論，計算出該樣本組所對應的和的值：

設所對應的條件概率為E1表示被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值；的值即為：被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為的值即為：被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值不屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為E2表示被測巖體的信號波動程度的數(shù)值；的值即為：被測巖體的信號波動程度的數(shù)值屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為的值即為：被測巖體的信號波動程度的數(shù)值不屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為E3表示被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值；的值即為：被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為的值即為：被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值不屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

然后構建出如下的含水率概率計算公式：

P(E|M_j)＝PA·PB·PC，其中，E表示被測巖體，P(E|M_j)的值即為被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；PA的值從和中擇一采用，PB的值從和中擇一采用，PC的值從和中擇一采用；

步驟5)中，按如下方式確定被測巖體的當前含水率：

用單個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別，得到相應的含水概率，分別用多個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別即能得到多個含水概率；多個含水概率中的最大值所對應的含水率條件的含水率數(shù)值，即為被測巖體的當前含水率；

用單個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別時，按如下步驟進行處理：

(1)將被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值與所對應的區(qū)間進行比較，若被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值在所對應的區(qū)間內，則PA的值取否則PA的值取將被測巖體的信號波動程度的數(shù)值與所對應的區(qū)間進行比較，若被測巖體的信號波動程度的數(shù)值在所對應的區(qū)間內，則PB的值取否則PB的值取將被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值與所對應的區(qū)間進行比較，若被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值在所對應的區(qū)間內，則PC的值取否則PC的值取

(2)根據(jù)步驟(1)所確定的PA、PB和PC的值，按含水率概率計算公式計算出相應的含水概率；

所述樂譜化處理包括：

所述處理模塊先對聲傳感器輸出的信號進行包絡化處理，獲得對應的包絡線，然后將包絡線映射至音樂簡譜中；所述音樂簡譜包括：以時域為橫軸，設置多條間距相同且與橫軸平行的譜線，譜線數(shù)量為奇數(shù)，最上側的譜線與包絡線中的最大值點相交，最下側的譜線與包絡線中的最小值點相交，包絡線與各條譜線的交點形成多個記憶音符，多條譜線和多個記憶音符即形成音樂簡譜；

所述信號延續(xù)周期的數(shù)值即為記憶音符的數(shù)量；

所述信號波動程度包括：在橫軸正方向上位置相鄰的兩個記憶音符依次記為A音符和B音符，A音符所對應的電壓幅值記為VA，B音符所對應的電壓幅值記為VB，根據(jù)△V＝VB-VA計算出A音符和B音符的電壓差；按前述方式，沿橫軸正方向對音樂簡譜中的多個記憶音符依次進行處理，即可得到多個△V；當相鄰兩個△V的值由正變負或由負變正時，說明包絡線出現(xiàn)了極值點，信號波動程度的數(shù)值即為極值點的數(shù)量；

所述信號有效計數(shù)包括：用從1開始的連續(xù)自然數(shù)，從下往上將多條譜線依次編號，包絡線與第2條譜線的交點數(shù)量即為信號有效計數(shù)的數(shù)值。

前述方案的原理是：先通過仿真實驗來生成特征判據(jù)組，從而建立起相應的數(shù)據(jù)庫，進而獲得相應的處理模塊，然后將處理模塊用于對聲傳感器輸出信號進行在線處理；在仿真實驗過程中，利用現(xiàn)有技術中的聲信號樂譜化處理方法來對聲信號進行處理，從而獲得相應的音樂簡譜，然后，從音樂簡譜中提取出相應的特征參數(shù)，進而構建出特征判據(jù)組及相應的數(shù)據(jù)庫；在監(jiān)測過程中，也利用現(xiàn)有技術中的聲信號樂譜化處理方法來對聲信號進行處理，從而獲得相應的音樂簡譜及相應的特征參數(shù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的特征判據(jù)組來對監(jiān)測過程中獲得的特征參數(shù)進行識別，最終實現(xiàn)巖體透水情況監(jiān)測；

從本發(fā)明公開的內容可見，本發(fā)明所選取的特征參數(shù)不同于現(xiàn)有技術，本發(fā)明選取這些特征參數(shù)的依據(jù)是：

參見下表，該表是對同一樣本庫中的5個樣本組(單個樣本組中的樣本數(shù)量為10)在含水率條件分別為0％、25％、50％、75％和100％的情況下進行仿真實驗，所獲得的特征參數(shù)表，其中，e1表示信號延續(xù)周期，e2表示信號波動程度，e3表示信號有效計數(shù)；

從表中可見，對于不同樣本組而言，含水率較高的樣本組的特征參數(shù)的數(shù)值普遍小于含水率較低的樣本組的特征參數(shù)的數(shù)值，這說明隨著含水率的升高，巖石聲發(fā)射信號整體朝著攜帶能量更少、波動激烈程度更低、有效信號頻度更低的趨勢發(fā)展；

在實際情況中，完整的巖石在受到壓力作用后，其內部能量開始聚積，巖石顆粒之間首先克服內部黏結能產生微裂紋，然后在巖石應變能的驅動下進一步發(fā)生擴展，此時顆粒之間的摩擦力開始起作用，且摩擦力所起的作用在整個應力作用中所占的比例會隨著裂紋的擴展逐步提高，當強度到達峰值后，黏結能和應變能急劇釋放，摩擦能隨著裂紋的擴展急劇增強；由現(xiàn)有理論可知，巖石含水量越高，巖石顆粒間摩擦力就越弱，由于巖石顆粒間摩擦力在裂紋擴展過程中占據(jù)主導地位，因而聲發(fā)射信號所攜帶的能量會隨著含水率的增大而減少，聲發(fā)射信號的整體波動趨勢也會更為平穩(wěn)；顯然，表中所記錄到的特征參數(shù)很好的印證了前述的理論分析，這說明本發(fā)明所選用的特征參數(shù)可以很好的體現(xiàn)出巖石的含水率變化。

本發(fā)明的有益技術效果是：提供了一種基于聲發(fā)射特征譜的巖體透水監(jiān)測方法，該方法對硬件需求較低，現(xiàn)場布設方便，監(jiān)測結果較為準確。

附圖說明

圖1、仿真實驗中所采用的加載裝置結構示意圖；

圖2、音樂簡譜示意圖(圖中曲線即為根據(jù)聲傳感器輸出信號得到的包絡線，圖中黑點即為各個記憶音符，信號延續(xù)周期的數(shù)值即為記憶音符的數(shù)量)；

圖3、信號有效計數(shù)取值示意圖；

圖中各個標記所對應的名稱分別為：施力器1、三維旋轉臺2、聲傳感器3、樣本4。

具體實施方式

一種基于聲發(fā)射特征譜的巖體透水監(jiān)測方法，其特征在于：所涉及的硬件包括：聲傳感器和處理模塊；所述聲傳感器設置在被測巖體上，聲傳感器的信號輸出端與處理模塊連接；所述方法包括：

1)建立數(shù)據(jù)庫；所述數(shù)據(jù)庫中包含有多個子數(shù)據(jù)庫，每個子數(shù)據(jù)庫均對應一種材質的巖體，不同子數(shù)據(jù)庫對應不同材質的巖體；單個子數(shù)據(jù)庫中包含有多個樣本庫，每個樣本庫對應一種應力條件，不同樣本庫對應不同的應力條件；單個樣本庫中包含有多個樣本組，每個樣本組對應一種含水率條件，不同樣本組對應不同的含水率條件；每個樣本組均對應一特征判據(jù)組，不同樣本組對應不同的特征判據(jù)組；所述數(shù)據(jù)庫預存在處理模塊中；

2)對被測巖體的應力情況進行檢測，獲得被測巖體的應力數(shù)據(jù)；對被測巖體的材質進行檢測，獲知被測巖體的材質種類；

3)布設聲傳感器和處理模塊；

4)將被測巖體的應力數(shù)據(jù)和材質種類錄入處理模塊內：處理模塊根據(jù)材質種類，從數(shù)據(jù)庫中調用與被測巖體材質種類相同的子數(shù)據(jù)庫；處理模塊根據(jù)應力數(shù)據(jù)確定被測巖體所對應的應力條件，從子數(shù)據(jù)庫中調用與被測巖體所對應的應力條件相同的樣本庫，然后對樣本庫所轄的多個特征判據(jù)組進行加載；

5)后續(xù)監(jiān)測過程中，聲傳感器進行連續(xù)采樣，當聲傳感器監(jiān)測到被測巖體的聲發(fā)射信號后，聲傳感器將監(jiān)測信號輸出至處理模塊，處理模塊收到聲傳感器輸出的監(jiān)測信號后，先對監(jiān)測信號進行樂譜化處理，獲得音樂簡譜，然后從音樂簡譜中提取出被測巖體的特征參數(shù)，然后根據(jù)已加載的多個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別，根據(jù)識別結果確定被測巖體的當前含水率；

所述特征參數(shù)包含信號延續(xù)周期、信號波動程度和信號有效計數(shù)三種；

單個特征判據(jù)組包含和含水率概率計算公式；

所述和分別表示3個區(qū)間；所對應的區(qū)間為：

(B1-Δ1,B1+Δ1)

所對應的區(qū)間為：

(B2-Δ2,B2+Δ2)

所對應的區(qū)間為：

(B3-Δ3,B3+Δ3)

其中，B1為對應信號延續(xù)周期的組內均值，B2為對應信號波動程度的組內均值，B3為對應信號有效計數(shù)的組內均值，Δ1為對應的區(qū)間范圍調節(jié)參數(shù)，Δ2為對應的區(qū)間范圍調節(jié)參數(shù)，Δ3為對應的區(qū)間范圍調節(jié)參數(shù)；其中，Δ1＝B1/v，Δ2＝B2/v，Δ3＝B3/v；

其中，v為調節(jié)因子；

步驟1)中按如下方式為單個樣本組生成特征判據(jù)組：

設某一樣本庫所對應的應力條件為F，該樣本庫中，每個樣本組所轄的樣本數(shù)量均為n，第j個樣本組所對應含水率條件的含水率數(shù)值為M_j，則按如下步驟對第j個樣本組所轄的n個樣本進行仿真實驗：

A)對樣本的含水率進行調節(jié)，使n個樣本的含水率數(shù)值均達到M_j；

B)以F為加載條件，對n個樣本分別進行加載直至樣本碎裂，加載過程中，對樣本的聲發(fā)射信號進行連續(xù)采樣，獲得采樣信號，n個樣本即對應n個采樣信號；

C)對n個采樣信號進行樂譜化處理，獲得n個音樂簡譜，從每個音樂簡譜中提取出相應樣本的特征參數(shù)，n個音樂簡譜即對應n組特征參數(shù)；第i個樣本所對應的信號延續(xù)周期的數(shù)值記為e1_i，第i個樣本所對應的信號波動程度的數(shù)值記為e2_i，第i個樣本所對應的信號有效計數(shù)的數(shù)值記為e3_i；

D)按前述的B1、B2和B3的表達式，計算出該樣本組所對應的B1、B2和B3；然后構建出相應的和

E)根據(jù)條件概率理論，計算出該樣本組所對應的和的值：

設所對應的條件概率為E1表示被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值；的值即為：被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為的值即為：被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值不屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為E2表示被測巖體的信號波動程度的數(shù)值；的值即為：被測巖體的信號波動程度的數(shù)值屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為的值即為：被測巖體的信號波動程度的數(shù)值不屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為E3表示被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值；的值即為：被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

設所對應的條件概率為的值即為：被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值不屬于時，被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；

然后構建出如下的含水率概率計算公式：

P(E|M_j)＝PA·PB·PC，其中，E表示被測巖體，P(E|M_j)的值即為被測巖體的含水率數(shù)值為M_j的概率；PA的值從和中擇一采用，PB的值從和中擇一采用，PC的值從和中擇一采用；

步驟5)中，按如下方式確定被測巖體的當前含水率：

用單個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別，得到相應的含水概率，分別用多個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別即能得到多個含水概率；多個含水概率中的最大值所對應的含水率條件的含水率數(shù)值，即為被測巖體的當前含水率；

用單個特征判據(jù)組對被測巖體的特征參數(shù)進行識別時，按如下步驟進行處理：

(1)將被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值與所對應的區(qū)間進行比較，若被測巖體的信號延續(xù)周期的數(shù)值在所對應的區(qū)間內，則PA的值取否則PA的值取將被測巖體的信號波動程度的數(shù)值與所對應的區(qū)間進行比較，若被測巖體的信號波動程度的數(shù)值在所對應的區(qū)間內，則PB的值取否則PB的值取將被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值與所對應的區(qū)間進行比較，若被測巖體的信號有效計數(shù)的數(shù)值在所對應的區(qū)間內，則PC的值取否則PC的值取

(2)根據(jù)步驟(1)所確定的PA、PB和PC的值，按含水率概率計算公式計算出相應的含水概率；

所述樂譜化處理包括：

所述處理模塊先對聲傳感器輸出的信號進行包絡化處理，獲得對應的包絡線，然后將包絡線映射至音樂簡譜中；所述音樂簡譜包括：以時域為橫軸，設置多條間距相同且與橫軸平行的譜線，譜線數(shù)量為奇數(shù)，最上側的譜線與包絡線中的最大值點相交，最下側的譜線與包絡線中的最小值點相交，包絡線與各條譜線的交點形成多個記憶音符，多條譜線和多個記憶音符即形成音樂簡譜；

所述信號延續(xù)周期的數(shù)值即為記憶音符的數(shù)量；

所述信號波動程度包括：在橫軸正方向上位置相鄰的兩個記憶音符依次記為A音符和B音符，A音符所對應的電壓幅值記為VA，B音符所對應的電壓幅值記為VB，根據(jù)△V＝VB-VA計算出A音符和B音符的電壓差；按前述方式，沿橫軸正方向對音樂簡譜中的多個記憶音符依次進行處理，即可得到多個△V；當相鄰兩個△V的值由正變負或由負變正時，說明包絡線出現(xiàn)了極值點，信號波動程度的數(shù)值即為極值點的數(shù)量；

所述信號有效計數(shù)包括：用從1開始的連續(xù)自然數(shù)，從下往上將多條譜線依次編號，包絡線與第2條譜線的交點數(shù)量即為信號有效計數(shù)的數(shù)值。