基于声学-热学-变形联合监测的岩石短期失稳预测多源信息融合方法

《Geohazard Mechanics》：Multi-Source Information Fusion Methodology for Short-Term Rock Failure Prediction Based on Integrated Acoustic-Thermal-Deformation Monitoring

　　

地质灾害的监测与预防是保障公共安全、财产保护及社会经济效益稳定的关键环节。岩石失稳的短期预测方法是实现精确地质灾害减灾的基本前提。岩石变形与破坏过程本质涉及能量积累、耗散与释放，其中释放信号（包括变形、声学、热学与光学变化）表现出不同的能量释放比。研究人员提出一种基于现有技术的多源融合监测方法：岩石体积应变拐点法、声发射（AE）波形多参数趋势与阈值法，以及结合标准差积分的红外辐射热成像（IRT）时空统计分析法。随后建立层次分析法-熵权法（AHP-EWM）综合预测岩石失稳时刻。通过弹性固体力学理论推导的力学参数与融合预测时间计算岩石断裂能。声发射（AE）定位与红外热成像（IRT）耦合可全面表征岩石破裂过程，为主破裂面形态预测提供技术支持。实验结果表明失稳时刻预测误差为9.91%，能量预测精度达0.902。声发射（AE）定位与红外热成像（IRT）联合应用可有效预测主破裂面：花岗岩呈现典型X形共轭剪切破坏，砂岩呈现常规剪切破坏。不同岩性具有不同前兆特征，相较于砂岩常规裂纹扩展模型，花岗岩随机微裂纹扩展带来更大预测挑战。上述发现验证了所提多源数据融合方法为岩石工程预警系统提供新思路，显著增强地质灾害预防能力。

研究背景方面，地质灾害预防关乎人类生命财产与社会稳定，建立综合监测体系是各国重要任务。传统单场监测方法因无法捕捉非线性损伤演化特征而存在局限，表现为前兆信号时空离散性强、不同岩性破坏模式差异显著、复杂应力路径下多尺度破坏机制难以统一描述。声发射（AE）监测受信号衰减与波形解译困难制约，应变监测在高应变率下存在响应滞后，红外热成像（IRT）对深部裂纹不敏感且易受环境热噪声干扰。为克服单技术瓶颈，多参数协同监测虽将预测精度提升35%至60%，但缺乏通用数据加权标准。为此，研究人员在《Geohazard Mechanics》发表该研究，提出声学-热学-变形联合的多源融合短期失稳预测方法。

关键技术方法上，研究人员采用太原理工大学XPS-1000伺服控制真三轴多功能试验机对200×200×400 mm立方体花岗岩与砂岩试件进行单轴压缩。集成16通道PCI型声发射（AE）采集系统（NANO30传感器、PCI-2卡）、FLIR T10xx红外热像仪（1024×768像素、7.5-14 μm光谱、25 mK灵敏度）及局部-全局应变评价系统（DH3816N静态应变仪、LVDT）。预测方法融合体积应变拐点法、AE波形多参数趋势阈值法、IRT时空统计标准差法，通过AHP-EWM确定变形/AE/红外主观权重0.55/0.16/0.29与客观权重0.45/0.29/0.26后组合加权；能量预测基于纵横波速与泊松比按固体弹性理论计算动静态弹性模量及峰前弹性应变能；破裂面预测结合AE定位-能量密度云图与IRT异常高低温分布。

研究结果部分，3.1节岩石失稳时刻预测中，体积应变拐点法依据花岗岩拐点预警时间与峰值时间比0.74、砂岩0.60推演失稳时刻；AE多参数趋势阈值法以振幅为主指标、经100 kHz-1 MHz带通滤波剔除噪声，按花岗岩0.75、砂岩0.80比例修正；IRT时空标准差融合法通过六区域ROI的平均红外辐射温度（MIRT）上升、直方图高温拖尾及线温标准差突增判据预警。AHP-EWM融合后花岗岩预测时刻10:20、误差34.5%（时间差2181 s），砂岩预测时刻16:53、误差9.91%（时间差411 s），证实花岗岩随机微裂纹导致信号规律性弱、砂岩结构均匀使拐点易识别。3.2节能量预测显示花岗岩预测能10694.4 J、精度0.688，砂岩2251.0 J、精度0.902，误差根源在于花岗岩时间预测偏差大致使以预测时间为参数的能量式偏离。3.3节AE-IRT联合破裂面预测中，花岗岩AE高密度区位于西上侧与背面、顶视呈X形共轭带，IRT高温异常在东南角、低温线状区对应裂纹隔热减弱，最终判定为东西向倾斜的共轭剪切面；砂岩因AE传感器早期脱落仅三通道有效无法定位，但IRT南东侧高温异常与西南缘低温裂纹群指示东西向剪切面，与实际锥状崩落形态一致。

讨论部分指出多源融合将时刻误差控于10%内、能量精度0.902，AE定位与IRT空间互补性在花岗岩X共轭带与砂岩剪切滑移中得以验证；AHP-EWM动态权重适应岩体非均质性与花岗岩渐进破坏、砂岩脆断差异；局限性为应变片局部化、AE传感器易脱落、IRT深裂纹不敏及通风热噪，未来可以分布式应变感测（DSS）、流体耦合压电水听器、形态滤波背景补偿及VGG16梅尔频分析等替代增强。结论部分翻译如下：本文提出基于声学-热学-变形联合监测多源信息融合的岩石短期临断预测方法，经两组大型单轴压缩试验验证适用性。（1）层次分析法结合体积应变拐点法、AE多参数趋势法与红外热成像统计法，失稳时刻预测误差9.91%，能量预测精度0.902；（2）AE定位与IRT联合可准确预测主破裂面，花岗岩呈典型X形共轭剪切、砂岩呈剪切破坏，与实测高度一致；（3）揭示岩性前兆差异，花岗岩微裂纹随机、能量释放不均致信号弱预测难，砂岩结构均匀裂纹规则拐点易辨；（4）当前方法在传感器稳定性与深裂纹监测仍有限，未来应优化硬件可靠性并发展智能融合算法。