本发明属于岩石变形破坏过程的信息识别技术领域，尤其涉及一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法及系统。
背景技术：
目前，矿山、地下空间、隧道及堤坝等岩石工程普遍存在岩石蠕变失稳破坏现象，并且随着岩石工程服务年限的增加，很容易出现岩石蠕变失稳破坏，造成岩体或上覆建筑坍塌，对人们生命及岩石工程安全形成巨大的威胁。
岩石蠕变是指岩石在外部恒定载荷作用下变形随时间缓慢增长的现象，这种变形过程会造成岩石发生较大的延迟应变，随着时间的变化岩石最终形成宏观破坏，在蠕变过程中，岩石的宏观破坏以加速变形为先导。岩石蠕变变形破坏在矿山、地下空间、隧道及堤坝等工程中备受关注的问题，岩石的蠕变行为对岩石工程的长期稳定性评价具有重要的物理意义，被国内外学者广泛地关注。根据轴向应变速率的不同，岩石蠕变过程一般可以分为三个阶段：减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变。岩石进入加速蠕变阶段预示着岩石即将破坏失稳，此时，需要对岩石的做出合理地防护工作。目前，对于岩石加速蠕变阶段监测的常规处理方法主要集中在两个方面
其一，对岩石加速蠕变阶段的位移监测：
位移监测主要是通过原位位移监测岩石在蠕变变形破坏过程中的位移变化，较大的位移或位移速率变化是岩石蠕变破坏的先兆，该方法监测岩石加速蠕变阶段较为常见。但是，该方法中较大的位移或位移率变化量是人为根据经验定义，而且不同性质的岩石位移变化量也会相差较大，不能实现仪器自动监测，需要耗费人力对每天监测数据进行检查及判断；同时位移监测传感器安装位置的不同，对监测结果也会有较大的影响，且只能对岩石加速蠕变阶段进行定性分析。
其二，对岩石加速蠕变阶段的声发射参数监测：
声发射参数监测主要是通过声发射技术监测岩石在蠕变变形破坏过程中的损伤信息定性监测，监测过程中的声发射事件数、振铃计数、能量等参数变化特征较大程度上依赖于声速射设备中阈值的设置，阈值设置过大会导致遗漏掉较多关于岩石变形破坏过程中的声发射事件，阈值设置过小会监测到许多噪音声发射信息；同时声发射接收传感器安装位置的不同，对监测结果也会有较大的影响。而且根据提取岩石加速蠕变破坏前的声发射参数特征，只能对岩石加速蠕变阶段进行定性分析。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)位移监测的方法主要利用岩石减速蠕变、等速蠕变及加速蠕变阶段的位移或位移率变化的不同，加速蠕变阶段位移或位移率相较于减速蠕变和加速蠕变阶段的变化较大，但是较大的位移或位移率变化量是人为根据经验定义，而且不同性质的岩石位移变化量也会相差较大，不能实现仪器自动监测，需要耗费人力对每天监测数据进行检查及判断；同时位移监测传感器安装位置的不同，对监测结果也会有较大的影响，且只能对岩石加速蠕变阶段进行定性分析。
(2)声发射参数监测主要是通过声发射技术监测岩石在蠕变变形破坏过程中的损伤信息定性监测，监测过程中的声发射事件数、振铃计数、能量等参数变化特征较大程度上依赖于声速射设备中阈值的设置，阈值设置过大会导致遗漏掉较多关于岩石变形破坏过程中的声发射事件，阈值设置过小会监测到许多噪音信息；同时声发射接收传感器安装位置的不同，对监测结果也会有较大的影响。而且根据提取岩石加速蠕变破坏前的声发射参数特征，只能对岩石加速蠕变阶段进行定性分析。
(3)常用的传统监测方法受人为主观因素影响较大。对岩石蠕变过程的加速蠕变阶段监测做出地判断偏差较大，不能有效地保障岩石工程的正常运行，而且现有技术对岩石加速蠕变阶段的监测投入成本较大。
解决以上问题及缺陷的难度为：岩石是一种非均匀的、各向异性的天然地质材料，因其内部矿物成分、孔隙率、微裂纹分布、胶结方式、分化程度等因素的不同，造成了各岩石物理性质之间存在着较大的差异。目前，还没有成熟的理论可以对岩石的加速蠕变阶段进行定量分析。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明通过对岩石蠕变过程中的声发射信号进行实时分析处理，间接地实现了对岩石蠕变过程中的加速蠕变阶段定量识别。从而可以有效地解决对岩石加速蠕变阶段的监测，避免了岩石因进入加速蠕变阶段引起的岩石工程失稳破坏，从而保障岩石工程的正常运行。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法及系统。本发明利用声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信息进行采集，然后对声发射设备监测到的声发射信号基于matlab计算平台对其实时处理。提出了一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法，可对岩石蠕变变形破坏过程的声发射信号波形进行实时处理，准确及时地识别出岩石加速蠕变时间，及时地对岩石蠕变做出合理的防护。
本发明是这样实现的，一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法，包括：
步骤一，岩石内部的不均匀性和缺陷导致岩石变形破坏过程中出现应力集中现象，而岩石内部微裂纹会发生扩展或加剧塑性变形，从而使存储在岩石内部的应变能迅速释放，从而产生ae现象。根据声发射产生的原理，利用声发射设备对岩石内部的微裂纹演化信息进行监测。首先，需要将声发射探头固定在被监测的岩石中部表面位置，以便实现对岩石内部微裂纹演化特征进行监测。为了保证岩石与声发射探头之间的充分耦合，在声发射探头及与岩石接触面处涂抹一层凡士林。在进行正式声发射采集前，需要开启动力加载系统，估算动力加载系统等其他环境噪音对声发射设备的影响，一般情况下，在实验室内进行相关力学声发射实验，需将声发射设备的门槛值设置为35db，进而可以避免环境噪音对声发射设备采集声发射信号的影响。在采集过程中，声发射设备的前置增益一般设置为40db，声发射信号采集率设置为1msps，而实现声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信号进行采集；
步骤二，对声发射设备采集到的声发射信号基于matlab计算平台进行实时识别处理。
具体包括：
(1)在计算机安装matlab2016版本，将声发射设备采集的到声发射信号导入计算机内，利用windows10里面自带的大批量文件改名程序，对所有声发射信号文件按采集时间从小到大按序列排序，然后将所有的声发射信号txt文件和本发明使用的matlab程序代码保存在一个文件夹内部。
(2)在matlab计算平台上，调出本发明所使用的matlab程序，该程序的主要内容是将每个声发射信号内部的文本和数字全部转换成文本进行大批量读取，将读取得到的文本矩阵保存在计算机内。每个声发射信号内部文本排列在1-13位，而声发射信号电压值排列在14-1037位。
(3)利用matlab程序将上述保存的大批量声发射信号文本矩阵调用，然后再将14-1037位文本保存在另一个矩阵中，然后再将这些声发射信号电压值文本转化为数字，保存下来，最后将得到的声发射信号电压值矩阵进行绘图。
(4)岩石在减速和等速蠕变阶段的声发射信号为突变型声发射信号；岩石在加速蠕变阶段的声发射信号为突变型和连续型声发射信号交替出现。利用岩石蠕变过程中加速蠕变阶段的声发射信号类型为突变型与连续型信号交替出现的特征，而岩石蠕变过程中减速蠕变阶段及等速蠕变阶段的声发射信号类型为突变型，根据岩石不同蠕变阶段的声发射信号差异性，进而实现利用声发射信号类型的不同对岩石加速蠕变阶段的定量识别。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法的基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的控制系统，包括：
声发射设备，对岩石蠕变过程的声发射信号进行采集；
基于matlab计算平台，对声发射设备采集到的声发射信号进行实时识别处理。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法，包括下列步骤：
步骤1，利用声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信号进行采集；
步骤2，对声发射设备采集到的声发射信号基于matlab计算平台进行实时识别处理。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法。
本发明的另一目的在于提供一种执行所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法的矿山岩石加速蠕变阶段识别系统。
本发明的另一目的在于提供一种执行所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法的地下空间岩石加速蠕变阶段识别系统。
本发明的另一目的在于提供一种执行所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法的隧道及堤坝岩石加速蠕变阶段识别系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法，旨在对岩石蠕变过程中的加速蠕变阶段监测做出准确地判断。本发明针对以上传统技术缺点，提出投入成本较小、技术适用较强的基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法。从而可以有效地解决对岩石加速蠕变阶段的监测，避免了岩石因进入加速蠕变阶段引起的岩石工程破坏，从而保障岩石工程的正常运行，减少了因岩石工程的破坏对人们生命及公共设施安全形成的威胁。
本发明相比于现有技术，对比的技术效果或者实验效果有：现有的技术只能对岩石蠕变过程中的加速蠕变阶段进行定性识别，而本发明可以实现对岩石蠕变过程中的加速蠕变阶段进行定量识别。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的系统示意图。
图中：1、声发射设备；2、基于matlab计算平台。
图3是本发明实施例提供的声发射信号类型图，(a)突变型声发射信号；(b)突变型声发射信号。
图4是本发明实施例提供的减速、等速蠕变阶段声发射信号波形图。
图5是本发明实施例提供的加速蠕变阶段声发射信号波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，位移监测的方法较大的位移或位移率变化量是人为根据经验定义，而且不同性质的岩石位移变化量也会相差较大，不能实现仪器自动监测，需要耗费人力对每天监测数据进行检查及判断；同时位移监测传感器安装位置的不同，对监测结果也会有较大的影响，且只能对岩石加速蠕变阶段进行定性分析。声发射参数监测特征较大程度上依赖于声速射设备中阈值的设置，阈值设置过大会导致遗漏掉较多关于岩石变形破坏过程中的声发射事件，阈值设置过小会监测到许多噪音信息；同时声发射接收传感器安装位置的不同，对监测结果也会有较大的影响。而且根据提取岩石加速蠕变破坏前的声发射参数特征，只能对岩石加速蠕变阶段进行定性分析。常用的传统监测方法受人为主观因素影响较大。对岩石蠕变过程中的加速蠕变阶段监测做出地判断偏差大，不能有效保障岩石工程的正常运行，而且现有技术对岩石加速蠕变阶段的监测投入成本较大。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法，包括：
s101，利用声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信号进行采集。
s102，对声发射设备采集到的声发射信号基于matlab计算平台进行实时识别处理。
步骤s101中，将声发射探头固定在被监测的岩石中部表面位置，为了保证岩石与声发射探头之间的充分耦合，在声发射探头处涂抹一层凡士林。为了避免环境噪音对声发射设备采集声发射信号的影响，将声发射设备的门槛值设置为35db，前置增益设置为40db，声发射信号采集率设置为1msps，而实现声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信号进行采集。
步骤s102中，在计算机安装matlab2016版本，将声发射设备采集的到声发射信号导入计算机内，利用windows10里面自带的大批量文件改名程序，对所有声发射信号文件按采集时间从小到大按序列排序，然后将所有的声发射信号txt文件和本发明主要程序保持在一个文件夹内部。在matlab计算平台上，调出本发明所使用的matlab程序，该matlab程序的主要内容是将每个声发射信号内部的文本和数字全部转换成文本进行大批量读取，将读取得到的文本矩阵保存在计算机内。每个声发射信号内部文本排列在1-13位，而声发射信号电压值排列在14-1037位。利用程序将上述保存的大批量声发射信号文本矩阵调用，然后再将14-1037位文本保存在另一个矩阵中，然后再将这些声发射信号电压值文本转化为数字，保存下来，最后将得到的声发射信号电压值矩阵进行绘图。岩石在减速和等速蠕变阶段的声发射信号为突变型声发射信号；岩石在加速蠕变阶段的声发射信号为突变型和连续型声发射信号交替出现。利用岩石蠕变过程中加速蠕变阶段的声发射信号类型为突变型与连续型信号交替出现的特征，而岩石蠕变过程中减速蠕变阶段及等速蠕变阶段的声发射信号类型为突变型，根据岩石不同蠕变阶段的声发射信号差异性，进而实现利用声发射信号类型的不同对岩石加速蠕变阶段的定量识别。
如图2所示，本发明提供一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的系统包括：
声发射设备1，对岩石蠕变过程的声发射信息进行采集。
基于matlab计算平台2，对声发射设备采集到的声发射信号进行实时识别处理。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
由声发射产生的原理可知，岩石试件在受外部荷载作用发生变形破坏过程中伴随着声发射信号的产生。因此，声发射信号中包含着岩石变形破坏过程中的全部信息，研究岩石变形破坏过程中的声发射信号对揭示岩石变形破坏的机理具有实际意义。目前，对岩石变形破坏过程中声发射信息研究多集中在声发射参数特征的分析，对声发射原始信号的研究较少。
岩石变形破坏过程中产生的声发射信号主要有两种类型：一类是突变型声发射信号；另一类是连续型声发射信号，具体情况参见图3。图中(a)突变型声发射信号；(b)突变型声发射信号。
λ＝υ/f。
其中：λ为声发射在岩石介质中传播的波长，单位为m；υ为声发射在岩石介质中传播的速度，单位为m/s；f为声发射在岩石介质中传播的主频，单位为hz。根据式(1)计算出声发射在岩石介质传播的波长一般在0.01～0.03m范围内。
声波在岩石内部传播过程中，若是遇到的裂纹或裂缝长度小于声波波长，声发射传感器接收到是一次声波，此时的声发射信号为突变型信号；若是遇到的裂纹或裂缝长度大于声波波长，声发射传感器接收到是一次声波和二次声波叠加的波场。因直接到达声发射接收传感器位置的一次声波所走距离最短，会最先被声发射接收传感器接收，声波在传播过程中若遇到大于波长的障碍会发生反射、折射、绕射等现象，二次声波到达声发射接收传感器时间会大于一次声波，形成叠加的畸变波场，此时的声发射信号为连续型信号。
岩石蠕变过程分为三个阶段：减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变。减速、等速蠕变阶段岩石会发生稳定的裂纹扩展，此阶段岩石内部的裂纹孕育速度慢，各裂纹间没有合并构成的宏观裂纹，都会小于声发射波长，这两个阶段的声发射信号为突变型声发射信号；加速蠕变阶段，岩石内部裂纹非稳定扩展，各裂纹合并并继续发育形成大的裂隙，此时会形成大于声波波长的裂隙，若是此时有声发射波平行于裂隙方向经过此裂隙，就会形成连续型声发射信号，若是不经过这样的裂隙就会形成连续型声发射信号。本发明就是基于这一原理对岩石加速蠕变阶段进行定量识别。
下面结合具体实验对本发明作进一步描述。
为了验证本发明提出的方法，做了三组红砂岩的蠕变实验，并对这三组的声发射原始信号进行了处理，图4为3块标准圆柱状的红砂岩试件减速、等速蠕变阶段声发射信号波形图，图5为3块标准圆柱状的红砂岩试件加速蠕变阶段声发射信号波形图。
下面结合具体实验效果对本发明作进一步描述。
由图4可知，3块标准圆柱状的红砂岩试件减速、等速蠕变阶段的声发射信号(图4(a)、图4(b)、图4(c))均为突变型声发射信号；由图5可知，3块标准圆柱状的红砂岩试件加速蠕变阶段的声发射信号(图5(a)、图5(b)、图5(c))为突变型与连续型声发射信号交替出现。因此，便可以实现对岩石蠕变过程中的加速蠕变阶段定量识别。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法，其特征在于，所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法包括：
步骤一，利用声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信息进行采集；
步骤二，对声发射设备采集到的声发射信号基于matlab计算平台进行实时识别处理。
2.如权利要求1所述的基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段方法，其特征在于，所述步骤一对岩石蠕变过程的声发射信息进行采集中，将声发射探头固定在被监测的岩石中部表面，并在声发射探头处涂抹凡士林，用于保证岩石与声发射探头之间的耦合；将声发射设备的门槛值设置为35db，前置增益设置为40db，声发射设备采集率设置为1msps，进而降低了环境噪音对声发射设备采集道的声发射信号影响，实现声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信号实时采集。
3.如权利要求1所述的基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段方法，其特征在于，所述步骤二进行实时识别处理的方法包括：
(1)将声发射设备采集到的声发射信号导入计算机软件内，利用计算机软件内自带的大批量文件改名程序，对所有声发射信号文件名按采集时间从小到大按序列排序，然后将所有的声发射信号txt文件和主要程序保持在一个文件夹内部；
(2)在matlab计算平台上，调出使用的matlab程序，所述使用的程序将每个声发射信号内部的文本和数字全部转换成文本进行大批量读取，将读取得到的文本矩阵保存在计算机内；每个声发射信号内部文本排列在1-13位，而声发射信号电压值排列在14-1037位；
(3)利用matlab程序将上述保存的大批量声发射信号文本矩阵调用，然后再将14-1037位文本保存到另一个矩阵中，然后再将这些声发射信号电压值文本转化为数字，保存下来，最后将得到的声发射信号电压值矩阵进行绘图；
(4)岩石在减速和等速蠕变阶段的声发射信号为突变型声发射信号；岩石在加速蠕变阶段的声发射信号为突变型和连续型声发射信号交替出现；利用岩石蠕变过程中加速蠕变阶段的声发射信号类型为突变型与连续型信号交替出现的特征，而岩石蠕变过程中减速蠕变阶段及等速蠕变阶段的声发射信号类型为突变型，根据岩石不同蠕变阶段的声发射信号差异性，实现利用声发射信号类型的不同对岩石加速蠕变阶段的定量识别。
4.一种实施权利要求1～3任意一项所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段方法的一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的系统，其特征在于，所述一种声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的系统包括：
声发射设备，对岩石蠕变过程的声发射信息进行采集；
基于matlab计算平台，对声发射设备到的声发射信号进行实时识别处理。
5.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1～3任意一项所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法，包括下列步骤：
步骤1，利用声发射设备对岩石蠕变过程的声发射信息进行采集；
步骤2，对声发射设备采集到的声发射信号基于matlab计算平台进行实时识别处理。
6.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1～3任意一项所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法。
7.一种执行权利要求1～3任意一项所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法的矿山岩石加速蠕变阶段识别系统。
8.一种执行权利要求1～3任意一项所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法的地下空间岩石加速蠕变阶段识别系统。
9.一种执行权利要求1～3任意一项所述基于声发射信号定量识别岩石加速蠕变阶段的方法的隧道及堤坝岩石加速蠕变阶段识别系统。
技术总结