本发明涉及材料分析，具体涉及岩石破裂机制分析技术，特别涉及一种岩石破裂机制分析方法及装置和存储介质。
背景技术：
1、随着大型水电站、地下能源存储、核废料处置等各类岩土工程项目的施工与开展，岩土体失稳破坏导致的各种地质灾害问题不断加剧，影响了岩石工程的安全、施工进度和经济成本。常见的地质灾害包括岩体崩塌、岩土边坡的滑塌、坝体失稳等，其地质灾害产生的本质就是岩石内部非均匀性的软弱结构面、节理裂隙的存在，且受到外部荷载过程时，岩石内部微观损伤的逐步积累的宏观表现，因而，岩体破裂失稳监测一直是国内外岩石力学研究的关键问题。其中，微震、微震监测和地震台网是现今最为主要和有效的监测和预警手段，其主要是通过分析采集到的信号频谱特征反馈的岩石破裂机制，从而了解岩石破裂失稳过程中内部微小破裂的动态演化规律，对于理解和认识岩体破裂失稳的机理以及进行有效的监测和预警评估具有非常重要的研究意义。
2、目前微震监测在岩石工程中的应用十分广泛，尤其是在监测洞室围岩失稳、滑坡滑动和矿山崩塌等方面发挥着重要作用。微震监测技术是通过传感器收集和采集由岩体破坏或者岩石破裂所发射出的地震波信号的技术，主要用于对岩体中裂隙的动态进行实时监测。当岩体中出现微裂隙并逐步扩展时，应力波将会在岩石中传播，通过对岩石中裂纹萌生到破裂的整个过程进行震源空间坐标、能量和地震力矩等信息的实时采集和分析处理，不仅有助于岩体损伤破裂机制的研究，而且能借此对深部岩体稳定性进行有效评估。但是由于岩石破裂机制的复杂性影响对岩石破机制的分析，同时基于工程岩体与区域构造地震信号的频谱特征研究破裂机制更少，缺乏基于频谱特征分析不同尺度微震信号反馈的岩石破裂机制演化规律的研究。因此，本发明提出一种基于微震信号频谱特征的岩石破裂机制分析方法，为岩石破裂机制研究和工程安全评价提供新的理论与方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于弥补现有技术在基于频谱特征分析岩石破裂机制时的空白和不足，提出了一种岩石破裂机制分析方法及装置和存储介质。
2、为了实现上述发明目的，本发明提供了一种岩石破裂机制分析方法，包括以下步骤：
3、s1、获取微震信号，所述微震信号为室内岩石微震信号、工程岩体监测微震信号微震信号和地震监测微震信号；
4、s2、分析微震信号，获取微震信号的双主频特征和破裂机制微震信号特征；所述双主频为高主频和低主频；所述破裂机制微震信号特征为张拉破坏微震信号特征和剪切破坏微震信号特征；
5、s3、判断微震信号中的双主频特征与破裂机制微震信号特征之间的关联关系；
6、s4、基于微震信号中的双主频特征与不同破裂机制微震信号特征之间的关联关系，确定岩石的破裂机制。
7、本发明一种岩石破裂机制分析方法，在微震信号的基础上，利用快速傅里叶变换方法获取微震信号双主频特征，采用微震参数和极性均值方法分析微震信号反馈的岩石破裂机制，统计对比分析得到微震信号双主频特征与岩石破裂机制的关系，从而实现了对岩石破裂机制准确分析，该分析方法能够根据不同尺度的微震信号的反馈得到岩石的破裂机制，具有准确性高、普适性好、可操作性强的特点，适用于各类岩石或岩体破坏过程的破裂机制分析。
8、其中，步骤s1中，所述的室内岩石微震信号包括拉伸试验岩石微震信号和剪切试验岩石微震信号。
9、其中，步骤s2中，优选的，分析得到微震信号双主频特征的方法包括：
10、s211、获取不同尺度微震信号的微震波形参数；所述的微震波形参数包括上升时间、振铃计数、幅值和持续时间；
11、s212、利用快速傅里叶变换(fft)方法实现微震波形参数从时域到频域的转换；
12、s213、在频域中提取得到不同尺度微震信号的双主频特征，并分别计算双主频频段的占比；所述双主频为低主频和高主频。
13、优选的，步骤s213中，提取双主频特征的方法包括：获取微震信号的频谱序列，绘制成微震信号二维频谱图，利用二维频谱图实现对微震信号频谱序列的粗化、格栅化处理，提取频谱图中的第一高波峰对应的频率和第二高波峰对应的频率，分别记为第一主频和第二主频；提取第一主频和第二主频的幅值，分别记为a1和a2；当a2/a1<0.8时，则判断微震信号存在双主频，即存在有效第一主频和有效第二主频；当a2/a1≥0.8时，则判断微震信号中只存在单主频，即只存在有效第一主频。
14、优选的，步骤s213中，高主频频段和低主频频段占比的计算方法包括：
15、(1)根据微震信号频率限定范围s＝[s1，s2]，将在限定频率范围s内的频率平均划分为n段，其中n＝(s2-s1)/s1，s1表示频段宽度，低于s1的频率和高于s2的频率范围为单独频段，记为n0和nn+1，对所有的频段按照频率从低到高排序n＝{n0，n1，n2…nn，nn+1}；
16、(2)确定高主频和低主频的界限频段ns0，当微震信号中的有效主频低于ns0时，判断有效主频为低主频，当微震信号中的有效主频不低于ns0时，判断有效主频为高主频；
17、(3)基于有效主频所属频段进行计数：当提取的有效主频落入n0频段时，m0计数加一，当提取的有效主频落入nn+1频段时，mn+1计数加一，依此类推，mi表示微震信号提取的微震信号有效主频落入第i个频段中的个数，i＝0,1,2,…s0,s0+1,…,n+1；其中s0为界限频段的序号；
18、(4)累积所有低主频频段的计数kl和所有高主频频段的计数kh；其中kl＝m0+m1+…+ms0,kh＝ms0+1+m s0+2+…+mn+1；
19、(5)计算微震信号低主频频段l和高主频频段h的占比；其中，l＝kl/(kl+kh)，h＝kh/(kl+kh)。
20、优选的，所述步骤(2)中，界限频段ns0可通过试验确定，所述实验包括室内声发射试验和/或室外微震监测试验。
21、其中，步骤s2中，优选的，获取破裂机制微震信号特征的方法包括：采用参数分析法分析室内岩石微震信号以及采用极性均值法分析工程岩体监测微震信号和地震监测的微震信号获取破裂机制微震信号特征。
22、优选的，采用参数分析法分析室内岩石微震信号获取破裂机制微震信号特征的方法包括：
23、s221、获取微震信号的微震波形参数；所述的微震波形参数包括上升时间、振铃计数、幅值和持续时间；
24、s222、利用ra值和af值绘制微震信号密度分布图，并在密度分布图中绘制分界线；其中，ra值表示微震信号的上升时间与幅度的比值，af值表示微震信号的振铃次数与持续时间的比值；
25、s223、利用分界线确认微震信号中的张拉破坏微震信号特征和剪切破坏微震信号特征；并统计张拉破坏微震信号特征(l-es1)和剪切破坏微震信号特征(h-es1)的占比。
26、优选的，步骤s222中，所述分界线表示根据张拉试验和剪切实验确定的张拉破坏微震信号特征和剪切破坏微震信号特征的界限，是斜率为k的直线；所述斜率是以张拉或剪切实验时微震信号的af和ra值为高斯混合模型算法的两个输入参数，利用迭代更新参数来判别微震信号属于张拉破坏和剪切破坏的概率，直至模型收敛，得到的对输入参数进行类别标记输出时分界线的斜率值。
27、优选的，步骤s223中，所述张拉破坏微震信号特征对应密度分布图中af/ra大于斜率k的点，剪切破坏微震信号特征对应密度分布图中af/ra小于斜率k的点。
28、优选的，采用极性均值法分析工程岩体监测微震信号和地震监测微震信号获取破裂机制微震信号特征的方法包括：
29、s231、获取微震信号初至时刻p波的幅值ai和微震事件传感器个数k，并利用符号函数sign判别极性；
30、s232、统计所有微震信号的初至时刻p波幅值ai的极性，通过式1求均值pol；其中，式1为：
31、s233、根据pol的值将微震信号分为张拉破坏微震信号特征和剪切破坏微震信号特征；其中，-0.25≤pol≤1为剪切破坏微震信号，-1≤pol<-0.25为张拉破坏微震信号；并统计微震信号中张拉破坏微震信号特征和剪切破坏微震信号特征的占比。
32、其中，步骤s3中，优选的，判断不同尺度微震信号中的双主频特征与破裂机制微震信号特征之间的关联关系的标准为：
33、当室内岩石微震信号中的低主频特征占比(l-es)与张拉破坏微震信号特征占比(l-es1)的误差小于10％，且室内岩石微震信号中的高主频特征占比(h-es)与剪切破坏微震信号特征占比(h-es1)的误差小于10％，则在室内岩石微震信号中，低主频特征表征岩石微观张拉破裂，高主频特征表征岩石微观剪切破裂；
34、当工程监测微震信号中的低主频特征占比(l-ms)与张拉破坏微震信号特征占比(l-ms1)的误差小于10％，且工程监测微震信号中的高主频特征占比(h-ms)与剪切破坏微震信号特征占比(h-ms1)的误差小于10％，则在工程监测微震信号中，低主频特征表征岩石微观张拉破裂，高主频特征表征岩石微观剪切破裂；
35、当地震监测微震信号中的低主频特征占比(l-ss)与张拉破坏微震信号特征占比(l-ss1)的误差小于10％，且地震监测微震信号中的高主频特征占比(h-ss)与剪切破坏微震信号特征占比(h-ss1)的误差小于10％，则在地震监测微震信号中，低主频特征表征岩石微观张拉破裂，高主频特征表征岩石微观剪切破裂。
36、其中，优选的，步骤s4中，确定岩石的破裂机制的方法包括：设定微震信号中的高主频特征频段的占比为l，低主频特征频段的占比为h，根据微震信号的双主频特征中l与h的比值确定岩石的破裂机制。
37、优选的，破裂机制的确定标准为：
38、当l/h≥4时，岩石破裂机制以张拉破坏为主；
39、当1.5≤l/h＜4时，岩石破裂机制张拉-剪切共存，以张拉破坏为主；
40、当2/3≤l/h＜1.5时，岩石破裂机制张拉-剪切共存，张拉破坏和剪切破坏无明显差异；
41、当1/4≤l/h＜2/3时，岩石破裂机制张拉-剪切共存，以剪切破坏为主；
42、当l/h＜1/4时，岩石破裂机制以剪切破坏为主。
43、一种岩石破裂机制分析装置，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的一种岩石破裂机制分析方法。
44、一种计算机可读介质，其上存储有可由处理器执行的指令，所述指令在被处理器执行时，使得处理器执行上述的一种岩石破裂机制分析方法。
45、与现有技术相比，本发明的有益效果：
46、1、本发明岩石破裂机制分析方法，在不同尺度微震信号的基础上，利用快速傅里叶变换方法获取微震信号双主频特征(频谱特征)，采用参数分析法和极性均值方法分析不同尺度微震信号反馈的岩石破裂机制，统计对比分析得到微震信号双主频特征与岩石破裂机制的关系，从而实现了对岩石破裂机制准确分析。
47、2、本发明岩石破裂机制分析方法以不同尺度微震信号的双主频特征为分析基础，能够根据不同尺度微震信号的双主频特征来分析反馈岩石破裂机制，具有准确性高、普适性好、可操作性强的特点，适用于各类岩石或岩体破坏过程的破裂机制分析。
1.一种岩石破裂机制分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的岩石破裂机制分析方法，其特征在于，步骤s213中，提取双主频特征的方法包括：获取微震信号的频谱序列，绘制成微震信号二维频谱图，利用二维频谱图实现对微震信号频谱序列的粗化、格栅化处理，提取频谱图中的第一高波峰对应的频率和第二高波峰对应的频率，分别记为第一主频和第二主频；提取第一主频和第二主频的幅值，分别记为a1和a2；当a2/a1<0.8时，则判断微震信号存在双主频，即存在有效第一主频和有效第二主频；当a2/a1≥0.8时，则判断微震信号中只存在单主频，即只存在有效第一主频。
3.根据权利要求2所述的岩石破裂机制分析方法，其特征在于，步骤s213中，双主频特征频段占比的计算方法包括：
4.根据权利要求1所述的岩石破裂机制分析方法，其特征在于，步骤s2中，采用参数分析法分析室内岩石微震信号获取破裂机制微震信号特征的方法包括：
5.根据权利要求4所述的岩石破裂机制分析方法，其特征在于，步骤s222中，所述分界线表示根据张拉试验和剪切实验确定的张拉破坏微震信号特征和剪切破坏微震信号特征的界限，是斜率为k的直线；所述斜率是以张拉或剪切实验时微震信号的af和ra值为高斯混合模型算法的两个输入参数，利用迭代更新参数来判别微震信号属于张拉破坏和剪切破坏的概率，直至模型收敛，得到的对输入参数进行类别标记输出时分界线的斜率值；步骤s223中，所述张拉破坏微震信号特征对应密度分布图中af/ra大于斜率k的点，剪切破坏微震信号特征对应密度分布图中af/ra小于斜率k的点。
6.根据权利要求1所述的岩石破裂机制分析方法，其特征在于，步骤s2中，采用极性均值法分析工程岩体监测微震信号和地震监测微震信号获取破裂机制微震信号特征的方法包括：
7.根据权利要求1所述的岩石破裂机制分析方法，其特征在于，步骤s3中，判断微震信号双主频特征与破裂机制微震信号特征之间的关联关系的标准为：
8.根据权利要求1所述的岩石破裂机制分析方法，其特征在于，步骤s4中，确定岩石的破裂机制的方法包括：设定微震信号中的高主频特征频段的占比为h，低主频特征频段的占比为l，根据微震信号的双主频特征中l与h的比值确定岩石的破裂机制；
9.一种岩石破裂机制分析装置，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-8任一项所述岩石破裂机制分析方法。
10.一种计算机可读介质，其特征在于，其上存储有可由处理器执行的指令，所述指令在被处理器执行时，使得处理器执行权利要求1-8任一项所述岩石破裂机制分析方法。
