基于k-均值聚类的红砂岩循环加卸载下破坏前兆研究

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论文题目

基于k-均值聚类的红砂岩循环加卸载下破坏前兆研究

作者

孙光华^1，2，3，齐育珠^1，2，刘志义^1，2，3，韩凯明^1，2，郭将^1，2，吴柄纬^1，2

作者单位

1.华北理工大学矿业工程学院

2.华北理工大学唐山市矿业开采与安全技术重点实验室

3.华北理工大学河北省矿业开发与安全技术实验室

引用格式

孙光华，齐育珠，刘志义，等.基于k-均值聚类的红砂岩循环加卸载下破坏前兆研究［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2026，45（2）：120-128.

SUN G H， QI Y Z， LIU Z Y， et al. Study on failure precursors in red sandstone under cyclic loading and unloading based on k-means clustering ［J］. Journal of Henan Polytechnic University （Natural Science），2026，45（2）：120-128.

关键词

循环加卸载；声发射；b值分析；k-均值聚类；岩石破坏前兆

摘要

目的：实际工程中岩石常处于循环加卸载状态，需要探究循环加卸载下红砂岩的破坏前兆问题。

方法：开展循环加卸载下红砂岩声发射力学监测试验，采用k-均值聚类算法，进行声发射特征参数聚类分析，研究岩石损伤破裂模式。

结果：结果表明：声发射事件主要发生在循环加载中，卸载阶段声发射事件极少并进入“间歇期”；随着循环次数积累，峰值应力逐步增高，声发射事件数量突增并进入“活跃期”；循环加卸载初期声发射b值最大，随着循环次数增加，声发射b值逐级降低并稳定在0.75~1.25，在岩石进入破裂阶段前声发射b值出现骤降，但每次循环加载开始前声发射b值也出现大幅骤降现象而岩石并未破裂，将声发射b值骤降作为岩石破坏前兆的判断依据存在局限性，需结合其他现象研究岩石破裂前兆；根据k-均值聚类将岩石损伤破裂过程的声发射信号分为3类即聚类1，聚类2和聚类3，每个聚类对应不同损伤阶段，循环加卸载末期，聚类3声发射事件能量陡然上升，反映出加载末期砂岩破裂尺度明显增大直至破坏，可以作为岩石的破坏前兆特征。

结论：聚类3声发射信号在岩石弹性变形阶段零星出现，随着循环积累，在岩石完全破坏阶段前聚类3声发射信号持续密集出现，将声发射b值和聚类信号结合分析可提升预测岩石损伤破裂的准确率。

结论

（1）声发射b值可以作为分析岩石损伤破裂状态的评价指标。红砂岩的声发射b值在整个循环加卸载过程中可以分为3个阶段，第1次循环时声发射b值最大，随着循环次数的累积，声发射b值逐级降低并稳在0.75~1.25，在岩石进入破裂阶段前声发射b值出现骤降。

（2）通过k-均值聚类算法对特征参数进行聚类分析，发现岩石损伤破裂过程的声发射信号为3类：聚类1、聚类2和聚类3，每个聚类对应不同损伤阶段。循环加卸载末期，聚类3声发射事件能量陡然上升，反映出加载末期砂岩破裂尺度明显增大直至破坏，可以作为岩石的破坏前兆特征。

（3）声发射特征参数和声发射b值可以用来表征岩石应力变化状态及反映岩石内部裂纹扩展直至破坏的过程，但存在局限性和不准确性，因此结合声发射特征参数进行k-均值聚类分析，预测岩石破坏前兆，并将声发射b值和聚类信号结合分析，提升预测岩石损伤破裂的准确率。

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