基于能量双指标的断层岩体破裂预警分析方法和系统与流程

本发明涉及工程地质探测，尤其涉及基于能量双指标的断层岩体破裂预警分析方法和系统。

背景技术：

1、随着近年来交通、水利和其他地下洞室等基础设施工程的陆续开展，所面临最直接的物质为各类岩石。外界开挖扰动导致处理平衡状态下的岩石经外界力扰动极易发生岩体破裂、大变形、坍塌等重大地质灾害，灾害源普遍是岩石失稳破裂导致，岩石破裂是外界荷载作用下产生裂纹，裂纹经荷载不断施加使岩石出现大尺度裂缝，进而导致岩石失稳破坏，因此有效预警岩石破裂对地下工程施工安全具有重要意义。

2、现有的岩石破裂预警分析方法，主要集中于声发射前兆信息预警，将声发射波速、频率、b值、分形维数、ra/af和kaiser点等作为前兆指标，通过对地下岩石运动和潜在破裂风险的实时监控与预警，实现对岩石破裂的预警和分析功能。

3、例如公告号为：cn115048884b的发明专利公告的一种渗流应力耦合作用下岩石损伤破裂数据化记录方法，包括：获取多个历史样本的岩石损伤破裂数据，按照预设模板进行数据存储得到数据库；根据历史样本的状态变量和特征信息，计算样本的稳定性参数；建立特征信息和稳定性参数的关联分析模型；采集工作面的特征信息，并输入到关联分析模型中，得到实时稳定性参数；若实时稳定性参数大于稳定性参数阈值，将工作面的特征信息映射到数据库中，以用于关联分析模型的验证和重构。

4、例如公开号为：cn117993238a的专利申请公开的一种岩石多尺度破裂评估指标的构建方法，包括：s1、基于mogi-coulomb三维强度准则，建立屈服函数f；s2、依据三维强度准则强度包络线和屈服面与应力点的几何关系，构建岩石多尺度破裂程度评估指标公式；s3、基于岩石多尺度破裂程度评估指标范围分区评估岩体破裂程度。

5、但本技术在实现本技术实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

6、现有技术中，由于目前针对岩石破裂预警方面的研究主要通过声发射传感器来监测岩石在破坏前发出的声波信号，从而预测和预警潜在危险，这种预警方法的前兆指标受外界影响的波动性较大，存在难以准确地对岩石破裂进行预警分析的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例通过提供基于能量双指标的断层岩体破裂预警分析方法和系统，解决了现有技术中难以准确地对岩石破裂进行预警分析的问题，实现了准确地对岩石破裂进行预警分析。

2、本技术实施例提供了基于能量双指标的断层岩体破裂预警分析方法，包括以下步骤：获取标准岩石样品的弹性模量、标准温度、位移量阈值、位移速率阈值、应力阈值、应变阈值、弹性应变能阈值和耗散能阈值；获取待测岩石的应力数据和应变数据并绘制应力-应变曲线；通过分析应力数据、温度、位移量、位移速率、应变数据和应力-应变曲线得到弹性应变能、耗散能、弹性应变能指标、耗散能指标和断层岩体破裂预警指标；根据弹性应变能指标、耗散能指标和断层岩体破裂预警指标进行岩石破裂预警，断层岩体破裂预警指标的具体获取方法为：从数据库中获取预设的弹性应变能指标和耗散能指标的权重比例；构建断层岩体破裂预警指标计算公式；具体的断层岩体破裂预警指标计算公式为：

3、；

4、式中，表示为第点断层岩体破裂预警指标，，表示为应力数据和应变数据对应点数的编号，表示为应力数据和应变数据对应总点数，表示为第点弹性应变能指标，表示为第点的耗散能指标，表示为弹性应变能指标在断层岩体破裂预警指标中所占权重比例，表示为耗散能指标在断层岩体破裂预警指标所占权重比例。

5、进一步的，所述应力阈值为对标准岩石样品进行力学单轴压缩试验直至标准岩石样品失稳破坏的最大应力值；所述应变阈值为对标准岩石样品进行力学单轴压缩试验直至标准岩石样品失稳破坏的最大应变值；所述弹性应变能阈值为对标准岩石样品进行力学单轴压缩试验直至标准岩石样品失稳破坏的最大弹性应变能；所述耗散能阈值为对标准岩石样品进行力学单轴压缩试验直至标准岩石样品失稳破坏的最大耗散能，所述位移量阈值为对标准岩石样品进行力学单轴压缩试验直至标准岩石样品失稳破坏的最大位移量；所述位移速率阈值为对标准岩石样品进行力学单轴压缩试验直至标准岩石样品失稳破坏的最大位移速率。

6、进一步的，所述弹性应变能指标的具体获取方法为：获取应力数据和应变数据对应点数数量，将应力数据和应变数据对应点数进行编号；从数据库中获取预设的应变值、温度和位移量的权重比例；构建弹性应变能指标计算公式；具体的弹性应变能指标计算公式为：

7、；

8、式中，表示为第点弹性应变能指标，，表示为应力数据和应变数据对应点数的编号，表示为应力数据和应变数据对应总点数，表示为弹性应变能阈值，表示为弹性模量，表示为应力-应变曲线上第点处对应的应变值，表示为对待测岩石进行检测时的温度，表示为标准岩石样品试验时的标准温度,表示为应变值在弹性应变能指标中所占权重比例，表示为温度在弹性应变能指标中所占权重比例，表示为对待测岩石进行检测时的位移量，表示为标准岩石样品试验时的位移量阈值，表示为位移量在弹性应变能指标中所占权重比例，为自然常数。

9、进一步的，所述弹性应变能指标的具体分析过程为：获取弹性应变能指标，获取弹性应变能指标第一阈值和弹性应变能指标第二阈值，将弹性应变能指标与弹性应变能指标第一阈值和弹性应变能指标第二阈值进行比较，当弹性应变能指标小于弹性应变能指标第一阈值且大于弹性应变能指标第二阈值时，表示弹性应变能指标处于一般异常范围，即待测岩石的弹性应变能接近弹性应变能阈值，即待测岩石的弹性应变能处于濒临释放状态；当弹性应变能指标小于弹性应变能指标第二阈值或弹性应变能指标大于弹性应变能指标第一阈值且应变数据大于应变阈值时，表示弹性应变能指标处于严重异常范围，即待测岩石的弹性应变能处于迅速释放状态；当弹性应变能指标小于弹性应变能指标第二阈值且应变数据小于应变阈值时，表示弹性应变能指标处于正常范围，即待测岩石的弹性应变能小于弹性应变能阈值，即待测岩石的弹性应变能处于累积状态。

10、进一步的，所述耗散能指标的具体获取方法为：获取应力数据和应变数据对应点数数量，将应力数据和应变数据对应点数进行编号；构建耗散能指标计算公式；具体的耗散能指标计算公式为：

11、；

12、式中，表示为第点的耗散能指标，，表示为应力数据和应变数据对应点数的编号，表示为应力数据和应变数据对应总点数，表示为弹性模量，表示为应力-应变曲线上第点处对应的应力值，表示为应力-应变曲线上第点处对应的应变值，表示为耗散能阈值，表示为对待测岩石进行检测时的位移速率，表示为标准岩石样品试验时的位移速率阈值，为自然常数。

13、进一步的，所述耗散能指标的具体分析过程如下：获取耗散能指标，获取耗散能指标第一阈值和耗散能指标第二阈值，将耗散能指标与耗散能指标第一阈值和耗散能指标第二阈值进行比较，当耗散能指标小于耗散能指标第一阈值且大于耗散能指标第二阈值时，表示耗散能指标处于一般异常范围，即待测岩石的耗散能接近耗散能阈值；当耗散能指标大于耗散能指标第一阈值时，表示耗散能指标处于严重异常范围，即待测岩石的耗散能大于耗散能阈值，即待测岩石的耗散能处于快速累积状态；当处于其他情况时，表示耗散能指标处于正常范围，即岩石的耗散能小于耗散能阈值，即待测岩石的耗散能处于缓慢累积状态。

14、进一步的，所述弹性模量为待测岩石受到外力作用时待测岩石的形状和尺寸发生弹性变形的能力。

15、进一步的，所述断层岩体破裂预警指标的具体分析过程为：获取断层岩体破裂预警指标，获取断层岩体破裂预警指标第一阈值和断层岩体破裂预警指标第二阈值，将断层岩体破裂预警指标与断层岩体破裂预警指标第一阈值和断层岩体破裂预警指标第二阈值进行比较，当断层岩体破裂预警指标小于断层岩体破裂预警指标第一阈值且大于断层岩体破裂预警指标第二阈值且应变数据小于应变阈值时，表示断层岩体破裂预警指标处于一般异常范围，即待测岩石处于濒临破裂状态；当断层岩体破裂预警指标小于断层岩体破裂预警指标第二阈值或断层岩体破裂预警指标大于第一阈值且应变数据大于应变阈值时，表示断层岩体破裂预警指标处于严重异常范围，即待测岩石的处于破裂状态；当处于其他情况时，表示断层岩体破裂预警指标处于正常范围，即待测岩石处于安全状态。

16、进一步的，所述进行岩石破裂预警分析的具体过程为：当断层岩体破裂预警指标处于正常范围时，岩石破裂预警分析系统不进行预警；当断层岩体破裂预警指标处于一般异常范围时，岩石破裂预警分析系统发出警告指示；当断层岩体破裂预警指标处于严重异常范围时，岩石破裂预警分析系统发出危险指示。

17、本技术实施例提供了基于能量双指标的断层岩体破裂预警分析系统，包括：标准数据获取模块、待测数据获取模块、数据分析模块和预警模块；其中，所述标准数据获取模块，用于获取标准岩石样品的弹性模量、标准温度、位移量阈值、位移速率阈值、应力阈值、应变阈值、弹性应变能阈值和耗散能阈值；所述待测数据获取模块，用于获取待测岩石的温度、位移量、位移速率、应力数据和应变数据并绘制应力-应变曲线；所述数据分析模块，用于通过分析应力数据、温度、位移量、位移速率、应变数据和应力-应变曲线得到弹性应变能、耗散能、弹性应变能指标、耗散能指标和断层岩体破裂预警指标；所述预警模块，用于根据弹性应变能指标、耗散能指标和断层岩体破裂预警指标进行岩石破裂预警。

18、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

19、1、通过待测岩石的温度、位移量、位移速率、应力数据和应变数据并得到应力-应变曲线，从而得到弹性模量、弹性应变能、耗散能、弹性应变能指标、耗散能指标和断层岩体破裂预警指标，进而实现了根据弹性应变能指标、耗散能指标和断层岩体破裂预警指标进行岩石破裂预警，有效解决了现有技术中难以准确地对岩石破裂进行预警分析的问题。

20、2、通过待测岩石的温度、位移量、弹性模量和应变数据得到弹性应变能指标，从而对待测岩石的的弹性应变能指标进行分析，进而实现了通过弹性应变能指标分析待测岩石的弹性应变能。

21、3、通过待测岩石的位移速率、弹性模量、应力数据和应变数据得到耗散能指标，从而对待测岩石的的耗散能指标进行分析，进而实现了通过耗散能指标分析待测岩石的耗散能。