（采矿工程专业论文）岩石加载过程中的波速及其声发射特征研究.pdf

以。乙主 b yz h a n gj i a n y o n g a c o u s t l ce m i s s i o n 一 p r o c e s so fr o c k s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl iy u a n h u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 l ， 卜【roli j，j，1 j 独创性2 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = c 巴 思。 学位论文作者签名：劣瑚 日期：7 o o g z 乙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： ， ， 半年口一年口一年半口两年回 学位论文作者签名：历建砻 签字日期：7 0 0 8 r 7 ，l 导师签名： 签字日期： 勿老矿 7 0 0 8 7 7 2 2 j ，、 、j t 东北大学硕士学位论文摘要 岩石加载过程中的波速及其声发射特征研究 摘要 岩石是典型的具有非均匀性的脆性材料，内部富含各种缺陷( 微裂纹、孔隙、节理 裂隙等) ，在受载过程中其波速会发生变化并伴随大量声发射信号的产生。由于波速变 化和声发射信号的产生发生在岩石内部微裂纹的萌生或扩展，波速的变化和声发射信号 都包含了岩石内部结构变化的丰富信息。研究和分析波速变化和声发射信号的特征参数 对于进一步认识岩石加载过程中内部裂纹的扩展规律以及预测预报矿山现场的冲击地 压( 岩爆) 具有重要的价值。 本文通过岩石声发射实验，监测不同岩石试样受载过程中的波速变化及声发射现 象，重点对岩石不同破坏阶段的波速变化及声发射空间分布、声发射率变化特征进行了 分析，得到以下结论： ( 1 ) 在单轴加载过程中，岩石试样达到载荷强度的6 0 8 0 产生裂纹后，波速将 明显下降。在循环加载过程中，岩石试样的波速随着载荷的增加而增大，随着载荷的减 小而降低，当达到载荷强度的6 0 7 0 时试样产生了一条宏观裂纹，波速迅速下降，在 此后的循环中，试样处于低压力区( 8 0 k n ) 的波速要高于高压力区的波速。 ( 2 ) 波速与声发射在单轴加载过程中的变化，归纳为两种类型。第一种类型是波 速的明显降低与声发射的明显增加是同时发生的；第二种类型是波速的明显降低落后于 声发射的明显增加。 ( 3 ) 声发射累计数在一定程度上反映了岩石试样的破坏变形，声发射累计数的特 征可以预测试样中裂纹产生与裂纹扩展。 ( 4 ) 不同岩性试样破坏过程中声发射事件的空间分布反映了内部裂纹萌生和扩展 规律。岩石试样破坏前，声发射事件的空间分布位置蕴含了岩石宏观裂纹扩展的趋势并 预示着最后宏观裂纹的产生位置，此结果对开展冲击地压( 岩爆) 预测预报研究具有重 要的理论价值。 关键词：岩石试样；波速变化；声发射；损伤：预测；冲击地压 j s t u d i e so nw a v e v e l o c i t ya n da c o u s t i ce m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c si nl o a d i n gp r o c e s so f r o c k a b s t r a c t r o c ki sa t y p i c a l l yi n h o m o g e n o u sb r i t t l em a t e r i a lw h i c hc o n t a i n sm a n vn a t u r a l w e a k n e s s e sw i t hv a r i o u ss c a l e s ，s u c ha sm i c r o c r a c k s ，p o r e s ，a n d j o i n t s w a v ev e l o c i t yw o u l d b ec h a n g ea n dl a r g en u m b e r so fa c o u s t i ce m i s s i o n ( 舡) s i g n a l sw o u l db ep r o d u c e dw h e n r o c ks u f f e rl o a dt i l lt of a i l u r e b e c a u s ew a v e v e l o c i t yc h a n g ea n da es i g n a l sa r eg e n e r a t e d b y p r o p a g a t i n ga n de x p a n d i n go fm i c r o c r a c k si n s i d er o c k ，w a v ev e l o c i t yc h a n g ea n de a c ha e s i g n a lc o n t a i n sp l e n t i f u li n f o r m a t i o no fs t r u c t u r e c h a n g i n gi n s i d et h er o c k t h e r e f o r e 1 n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so nw a v ev e l o c i t yc h a n g ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s ea e s i g n a l sa r e v e r yv a l u a b l ef o rf u r t h e rk n o w i n gt h ed a m a g ed e v e l o p m e n ti nt h el o a d i n g p r o c e s so fr o c ka i l d f o r e c a s t i n gm c k b u r s ti nd e e pm i n e i nt h i sr e s e a r c h ，w a v ev e l o c i t yc h a n g ea n da e p h e n o m e n o ni nt h el o a d i n gp r o c e s so f d i f f e r e n tr o c ks p e c i m e n sw e r ea c q u i r e db ya e m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t a es p a t i a ld i s t r i b u f i o n a n da er a t ec h a n g ec h a r a c t e ri ne a c hs t a g eo ff a i l u r e p r o c e s so fs p e c i m e n sw e r et h ef o c u so f t h i sr e s e a r c hw h i c h m o s t l yi n t e r e s t su s s o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n s0 e r ea c l l i e v e d ： ( 1 ) 毗ev e l o c i t yw o u l de x p l i c i tf a l ld o w na f t e rc r a c kg e n e r a t e dw h e nr o c k u pt o 6 0 - 8 0 l o a di n t e n s i t yi nu n i a x i a ll o a d i n gp r o c e s s w a v ev e l o c i t yo fr o c ks w e l l sa s l o a d i n c r e a s e ，d e b a s ea si tr e d u c ei nc y c l el o a d i n gp r o c e s s w a v e v e l o c i t yw o u l dr a p i d l yf a l ld o w n a f t e rm a c r o c r a c kg e n e r a t e dw h e nr o c ku pt o6 0 一7 0 ，w a v ev e l o c i t yo f r o c ki nl o wl o a d ( 8 0 k n ) a b o v ew a v ev e l o c i t yo fr o c ki nh i g hi nt h el a t e rc y c l e sl o a d i n g ( 2 ) t h er e l a t i o nb e t w e e nw a v ev e l o c i t ya n da ei nl o a d i n gp r o c e s so fr o c k ，i tc o u l d c o n c l u d et w ot y p e s ：o n ei sw a v ev e l o c i t ye x p l i c i t l yr e d u c e sa tt h es a m et i m ea e e x p l i c i t l y i n c r e a s e ，a n o t h e ri sw a v ev e l o c i t ye x p l i c i t l yr e d u c e st i m ed e l a ya e e x p l i c i t l yi n c r e a s e ( 3 ) a ea c c u m u l a t i v en u m b e rr e f l e c t sf a i l u r ea n dd e f o r m a t i o no fr o c ks p e c i m e n si n d e f i n i t i v ed e g r e e t h ec h a r a c t e ro fa ea c c u m u l a t i v en u m b e rc o u l df o r e c a s tc r a c kg e n e r a t e s a n dc r a c ke x p a n s i o n so f r o c k ( 4 ) t h ed i s t r i b u t i n gr e g u l a r i t yo fa ee v e n t si nt h ef a i l u r ep r o c e s so f r o c ks p e c i i i l e n sw i t h i i 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t v a r i o u sl i t h o l o g yw a so b t a i n e d t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fa ee v e n t sw e l lr e f l e c t e dt h e p r o p a g a t i o na n dd e v e l o p m e n to f m i c r o c r a c k si n s i d et h es p e c i m e n s t h es p a c ed i s t r i b u t i o n p o s i t o no f a ee v e n t si m p l i c i tt h et r e n do fm a c r o c r a c k se x p a n s i o n ，a n dp r e d i c tt h ep o s i t i o no f m a c r o c r a c k s t h er e s u l ti sv e r yi m p o r t a n tf o rd e v e l o p i n gt h er e s e a r c ho ff o r c a s t i n gr o c k b u r s t k e yw o r d s ：r o c ks p e c i m e n s ；c h a n g eo fw a v ev e l o c i t y ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；d a m a g ef a c t o r ； f o r e c a s t ；r o c k b u r s t i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t 。 目录 第1 章引言二1 1 1 研究背景一1 1 1 1 岩石破裂失稳研究现状一2 1 1 2 岩石波速研究现状4 1 1 3 岩石声发射研究现状6 1 2 研究的目的和意义8 1 3 研究内容及方法o 8 1 3 1 研究内容8 1 3 2 研究方法9 第2 章声发射技术原理及监测1 0 2 1 声发射产生机理lo 2 2 声发射信号的传播特征【1 4 】11 2 3 声发射参数及分析1 3 2 4 声发射源定位原理1 6 2 4 1 声发射源定位方法1 6 2 4 2 定位结果的误差分析2 1 2 5 声发射仪器简介2 2 第3 章岩石波速变化实验研究2 4 3 1 岩石波速的理论研究2 4 3 2 实验设备2 6 3 3 试样的制备2 7 3 4 实验结果及分析2 8 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 1 单轴加载过程中岩石的波速变化特征2 8 3 4 2 岩石在循环加载过程中波速变化特征。3 6 3 4 3 岩石单轴加载过程中波速与声发射的关系。3 8 3 5 爿、结4 0 第4 章岩石声发射实验研究4 3 4 1 岩石试样的制备4 3 4 2 实验过程。4 4 4 3 声发射事件定位结果验证4 4 4 4 单轴加载实验结果及分析4 6 4 4 1 单轴加载实验结果4 6 4 4 2 单轴加载实验结果分析5 9 4 4 2 1 应力与声发射的关系特征5 9 4 4 2 2 岩石声发射序列特征6 1 4 5 巴西劈裂声发射实验结果及其分析6 5 4 5 1 巴西劈裂声发射实验结果6 5 4 5 2 巴西劈裂声发射实验结果分析6 9 4 6 小节7 0 第5 章基于声发射的岩石损伤的研究7 1 5 1 损伤变量d 的定义7 l 5 2 岩石损伤参量计算7 l 第6 章结语i 7 5 参考文献7 6 致谢7 8 作者简介7 9 v 东北大学硕士学位论文第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 我国是一个资源消耗大国，并且需求量日益的增加导致了地表资源日趋短缺，人们 开始开采地下资源而且开采的深度越来越深，地下深部开采将成为采矿发展的趋势。据 不完全统计，国外开采深度超过1 0 0 0 m 的金属矿山有8 0 余座，其中以南非最具代表性。 目前【l 】，南非绝大多数金矿的开采水平在1 0 0 0 m 以下，其中a n g l o g o l d 公司的西部深水平 金矿更是达到了3 7 0 0 m ；印度的k o l a r 金矿区，己有3 座矿井超过2 4 0 0 m ，其中一矿井深 度已达3 2 6 0 m ；俄罗斯克里沃罗格铁矿区中己有8 座矿山的采准深度达9 1 0 m ，开拓深度 达1 5 7 0 m 。另外，加拿大、美国、澳大利亚的一些金属矿采深也己超过1 0 0 0 m 。近年来， 我国一些金属矿相继进入深部开采，如云南会泽铅锌矿采深已超过1 0 0 0 m ，铜陵冬瓜山 铜矿采深已达1 1 0 0 m ，抚顺红透山铜矿已进入9 0 0 - 1 1 0 0 m 深度，湘西金矿超过8 5 0 m ， 山东玲珑金矿采深己达8 0 0 m 。随着矿山开采深度的增加，深部巷道地压活动频繁，由于 地压活动带来的灾害也越来越多，比如：阜新矿务局每年发生的矿震在1 2 0 0 次以上，2 0 0 2 年阜新矿务局五龙煤矿发生2 6 级矿震，是目前国内矿震造成经济损失最严重的矿山。 深井矿山开采，最显著的变化是显现“高应力、高温和高孔隙水压”的“三高 特 性，开采环境大大恶化，潜在的重大安全隐患增多。深井矿山开采带来了诸如：岩爆( 冲 击地压) 、顶板冒落、巷道坍塌、地表沉陷、突水、煤与瓦斯突出等一系列的问题，这 些问题都是矿山开采过程中的应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂 过程失稳的结果。这些灾害直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，如何有效 的预测这些灾害的发生，已成为世界性的地下工程难题之一，并受到世界各国相关学者 的广泛关注。 目前，所采用的监测手段主要是属于表面监测和局部监测，很难实现大范围的地压 活动规律分析。例如【2 】：露天边坡以g p s 等位移监测为主的技术手段，不能反映微破裂 萌生、发展、贯通过程的前兆信息，难以进行滑坡过程的真正预测；地下开采矿山虽然 已经采用了微震监测技术，但现场缺乏高素质的微震信息处理和分析人员，未能形成完 整的监测分析和预报思路，因此，目前矿山微震监测技术在我国的应用缺乏成功的示例。 微破裂前兆是冲击地压、顶板冒落、突水等矿山动力灾害的共性特征。故建立矿山动力 灾害检测预报系统是解决以上问题的一种有效的方法。虽然在岩石声发射监测技术的设 东北大学硕士学位论文第1 章引言 备研制与开发和应用研究方面已取得很大的成就，但岩石声发射技术是理论研究落后于 工程实际的少数学科之一，特别是对于岩体失稳的声发射监测预报应用方面，迄今为止 仍然是一大难题。这是因为人们尚未掌握岩石破坏的前兆判据，实际应用中监测预报大 多是基于经验判断，缺乏可靠的判别依据和理论基础，致使监测预报的成功率不高、效 果不理想，这也是制约声发射监测应用技术的一个关键点。因此，开展岩石破坏过程中 的波速与声发射特征研究，可以深刻揭示岩石破裂过程中，应力与微裂纹之间的时空内 在联系，有助于进一步认识岩石的破坏机理，为现场的检测预报提供理论依据，提高声 发射监测预报的准确性。 1 1 1 岩石破裂失稳研究现状 近年来，随着矿山开采深度增加和地下结构工程的兴建，地下硐室的岩爆( 冲击地 压) 、滑坡以及地震等现象频繁发生，然而这些地质灾害现象均是岩石失稳破坏的宏观 力学表现，因而开展岩石破裂失稳的理论研究对预测岩爆( 冲击地压) 、岩石边坡稳定 和地震等的发生以及评价岩体工程稳定性等无疑具有重要的理论意义和工程价值。 岩石在工程中的两大状态，一是稳定平衡，二是失稳破裂。长期以来，人们对前者 的研究较为广泛和深入，而对后者则研究的较少。研究稳定平衡无疑会指导人们对工程 结构的防护采取相应的控制措施；而对岩石破裂失稳，则主要研究非人为控制条件下岩 石的破形态，旨在认识自然力或工作施载条件下岩石破裂过程所显现的特殊现象( 如矿 井中的岩爆、地震等) ，探索其自然规律，从而寻求出有关失稳的前兆条件，进行相应 的预报措施【3 1 。目前，有关岩石破裂失稳机理有许多理论，其中最有代表性的是：强度 理论、失稳理论、刚度理论、灾变理论等。 早期的岩石强度理论研究属于传统固体力学研究范畴，沿用了经典连续力学的研究 手段。由于岩石是一种特殊的地质材料，受地质构造的影响，而且岩石的组织结构极度 不均匀，空隙、裂隙、夹杂、节理、断层等大量缺陷充斥其中，因而均匀连续假设与岩 石的实际情况并不相符，建立在连续介质力学基础上的岩石强度理论受到了严重挑战。 随着相关学科，尤其是非线性科学的迅猛发展，岩石力学的研究融合了经典弹塑性力学、 断裂力学、损伤力学、热力学、物理学、化学、物学地质学、矿物学、信息论、控制论、 系统论等学科，使岩石力学的研究逐渐超越了经典固体力学的框架，极大地丰富了岩石 力学的研究内涵。岩石强度理论的研究也逐渐从古典强度理论、广义强度理论等经典强 度理论发展到将断裂、损伤过程考虑进去的强度理论，从宏观唯象研究发展到跨尺度多 层次的理性研究【4 j 。 一2 东北大学硕士学位论文第1 章引言 2 0 世纪是莫尔库仑( m o h r - c o u l o m b ) 强度理论产生、发展并统治岩石力学和工程的 世纪，同时，也是对它不考虑中间应力进行争论、实验、修正和探讨新理论的1 0 0 年。 莫尔理论中只认为最大主应力和最小主应力对材料破坏有影响，忽略了中间主应力的影 响。因此，莫尔理论提出后的二十多年，它的理论一直受到检验和评论，直到2 0 世纪3 0 年代才开始被逐步认可并应用到工程中来。2 0 世纪6 0 年代，莫尔的单剪理论有受到各种 真三轴实验的检验，并提出了各种修正的准则；2 0 世纪8 0 年代出现了双剪强度理论。2 0 世纪9 0 年代则出现了一种全新的将单剪理论和双剪理论有机地结合起来的统一强度理 论【5 1 。 在1 9 2 1 年g r i f f i t h 提出了裂纹及其在材料中萌生和扩展的概念，解释了许多材料低应 力脆断的原因，为深入研究岩石的断裂破坏机理指出了一条重要途径；之后又提出了断 裂韧性理论、分形统计强度理论等【4 l 。 失稳理论是将围岩看成一个力学系统，将岩爆当作围岩组成的力学系统的动力失稳 过程，即岩爆的发生是围岩组成的变形系统由不稳定平衡状态变成新的稳定状态的过 程。按d i r i c h l c t 准则，结构变形系统的稳定性取决于变形系统势能即自由能驻值的性质。 由于岩石动力失稳的数学模型过于复杂，所以岩石应力应变全过程试验研究就变得十分 重要，它涉及到失稳、变分理论、灾变理论等一系列前沿学科，有人认为失稳理论的发 展是近代岩石力学发展的一个重要标志，预示着岩爆失稳理论研究的方向。 六十年代，c o o k 和h o j e m 通过提高实验机的刚度，首次得到了大理岩的全应力一应变 曲线1 6 。从此，岩石力学工作者对岩石破裂的力学现象有了更进一步的认识，懂得了试 样产生猛烈破坏的原因是实验机的刚度相对试件的卸载刚度较小所致。刚度理论认为矿 体的刚度大于围岩的刚度是产生冲击地压的必要条件，但是由于这种理论主要用于解释 煤矿冲击地压和矿柱岩爆问题，所以使用并不广泛。 能量理论是6 0 年代由库克( c o o k ) 等人在总结南非1 5 年岩爆研究与防治经验的基础 上首先提出的，认为当矿体一围岩系统在力学平衡状态破坏时所释放的能量大于消耗量 时，即产生冲击地压。该理论从能量守恒定律出发，摆脱了传统理论的束缚，解答了冲 击地压的能源问题，但是未考虑时间和空间的因素，所以还不够完善。7 0 年代，美国密 苏里大学在库克等人基础上提出了剩余能量的理论 灾变理论是法籍数学家雷内托姆( r t h o m ) 教授于1 9 7 2 年创立的，是研究不连续现 象的一个新兴数学分支，其主要数学渊源是根据势函数把临界点分类，将各种领域的灾 变现象归纳到不同类别的拓扑结构中去，进而研究各种临界点附近非连续性态的特征， 即为有限个数的若干个初等灾变。把这些得到的知识与对不连续现象的理论分析和观察 一3 东北大学硕士学位论文第1 章引言 资料相结合，就可以建立数学模型，从而更深入地认识不连续现象的机制并作预测。灾 变理论可以很好地解释如边坡滑移、地震灾害、采场坍塌等实发不连续现象【7 1 。唐春安 教授 3 】认为由于岩石在加载系统作用下的破裂过程，除了在特殊控制的条件下进行外， 通常不是一个稳定的过程，在更多的情况下是由稳态发展到失稳的过程，属包括实验机 和试样在内的岩石力学系统的一种失稳现象，这正是一种具有灾变性质的过程。因此， 用灾变理论来研究这一过程是恰当的。 近年来，断裂力学和损伤力学的发展，对经典连续介质力学产生了巨大的影响，运 用断裂力学和损伤力学分析岩石的强度可以比较实际地评价岩体的开裂和失稳。将断 裂、损伤理论用于岩石动力失稳虽然是最近几年的事，但经过众多学者的努力已经取得 了一定的成果。分数维理论与损伤理论的观点一致，它们都将岩石的破裂过程看成裂缝 尖端微裂纹损伤发展的过程，由于微裂纹的分布特征是分数维，故可将微裂纹损伤演化 过程理解成分数维的变化过程，通过a e 法探测相应于损伤微地震源的分布进行分数维 分析，当分数维随时间显著减少时，即可能发生岩爆【8 】。 岩石破裂失稳的研究方法大致上有实验和数值模拟两种。随着科技的进步，目前对 岩石失稳机理的研究手段也在逐步地得到改善，常用的实验方法有：利用光学和电镜扫 描( s c a n n i n ge l e c t i o n ) 技术【9 1 、光学透射方法【1 0 】、岩石红外遥感( i n f r a r e dr e m o t es e n s i n g ) 技术【1 l 】、m o d i s 卫星遥感技术f 1 2 】、x 射线( x - - r a y ) 技术、c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 方法、实时全息干涉技术、激光散斑( l a s e rs p e c k l e ) 、声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 技 术以及数值模拟【3 】等手段，研究岩石失稳破裂全过程。在研究岩石破坏机理方面，很多 力学手段也被应用，诸如断裂力学、材料力学、弹性力学和损伤力学等。但是这些研究 岩石失稳破坏的手段仅限于在实验室内应用，开发出在生产实际中应用的比较少，特别 是在灾害监测方面起到一定作用的设备更少。 声发射技术与其他实验方法相比具有以下几个优点【1 3 】：( 1 ) 可检测对结构安全更为 有害的活动性缺陷。( 2 ) 对大型构件，可提供整体或大范围快速检测。( 3 ) 可提供缺陷随 载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适应于工业过程在线监控及 早期或临近破坏预报。( 4 ) 由于被检件的接近要求不高，而适于其他方法难于或不能接 近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境。( 5 ) 由于对构件的几 何形状不敏感，而适于检测其他方法受到限制的形状复杂的构件。因而利用声发射技术 可以很好地研究岩石破裂失稳过程。 1 1 2 岩石波速研究现状 东北大学硕士学位论文第1 章引言 岩石中的波速是岩石本身的各种物理性质的综合反应。在岩石试样中，影响岩石试 样声波传播速度的因素很多【1 4 】，其内部因素主要有岩石本身的密度，孔隙率、弹性模量 等，其外部因素主要有：岩石含水率、温度条件、节理裂隙以及试样尺寸等，对于不同 种类的岩石，声波在其内部的传播速度也不尽相同。 1 9 6 9 年，苏联科学家首先报告了g a r m 地区波速l g v p v s 变化的地震前兆【1 5 】。苏联科 学家的这一发现引起了很多国家的重视，美国科学家于1 9 7 1 年在纽约的兰山湖( b l u e m o u n t m nl a k e ) 附近，利用波速比法预报了一个m - - 2 5 的地震【1 6 1 。随后又提出了地震 的膨胀扩散模式( d i l a t a n c y - d i f f u s i o nm o d e l ) ，即所谓d d 模式，曾被称为地震预报的物 理基础。岩石中弹性波的测量一直被认为是一种很有希望的地震预报方法。 陈颐【1 7 】等人观测了岩石样品在单轴压缩下，p 波走时空间分布变化的全过程。实验 表明：在岩石的破坏过程中，岩性的空间分布具有同步性变化的中长期前兆和差异性变 化的短期前兆的特点。在岩石接近破坏时，岩性的变化表现出严重的不均匀性，岩石的 整个破坏过程可以看成岩石的物性分布是由无序向有序的演化，即是一个熵减小的过 程。 在岩石( 体) 弹性波波速影响因素的研究中，其所处的应力状态，一直作为波速主要 影响因素而受到有关学者的关注。国内外的研究成果中也不乏这方面的介绍，普遍认为 岩石( 体) 所处应力越高，其弹性波速也越高。丁梧秀【1 8 】得出与此相反的认识。当应力达 到某种程度时应力进一步增加，其波速不再变化而趋于渐近值( 对压力达极限破坏程度 时，岩体的破坏这里不作讨论) 。此时，波速为一常数，显然波速与应力并无直接关系， 在波速增加阶段的应力变化，实质上是控制了岩石( 体) 裂隙闭合程度的变化。所以，波 速的直接控制因素，是裂隙的发育程度与闭合程度的变化。 赵晋明等人【1 9 ，2 0 j 曾发现，在岩石破裂孕育过程中，穿过未来( 主) 断裂面的路径上纵 波速度变化形态为：上升平稳一下降一回升，令人惊奇的是，在主破裂前一瞬间，波 速升高超过原最大值的5 0 甚至达两倍以上，之所以造成这种现象：对前者一个原因是 主破裂前有些张裂缝闭合，另一个原因是主破裂前微破裂急剧增多，在某一时刻同时发 生几个小破裂，各检波器所记讯息可能不是同一事件。对后者，p 、s 波的走时在破裂孕 育过程中的下降一回升( 相对变化量) 并不同步而是p 波的变化先于或大于s 波也是重要 原因。 邓涛【2 l 】等人认为致密岩石中纵波波速的各向异性和横波各向异性之间普遍存在着 一致性和差异性两种特征。一致性特征主要表现为横波波速的各向异性随纵波波速各向 异性的增强而增强，也随之减弱而减弱；差异性特征主要表现为在平行和垂直层理、板 5 东北大学硕士学位论文第1 章引言 理的两个方向上纵波波速的各向异性指数普遍大于横波，亦即纵波波速的各向异性比横 波更为显著。 刘晓红【2 2 】通过对有裂缝样品裂缝扩展前波速变化的观测与分析看到，在有断层存在 的情况下，断层端部扩展前，只有断层端部应力集中地区有可能发生岩石的体积膨胀， 并因此引起波速下降。在断层周围的岩体中不大可能发生岩石的大范围体积膨胀与波速 下降。当断层带上有断层物质存在的情况下，强度极低的断层物质在断层端部扩展前由 于断层两盘的错动有可能引起断层物质内部微破裂的发展从而引起波速异常。 1 1 3 岩石声发射研究现状 岩石受力破坏的过程实质上是其内部微裂纹萌生、扩展直至产生宏观裂纹，发生破 坏的过程。声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。声发射现 象早在2 0 世纪3 0 年代就由美国矿山局的o b e r t 所发现，并把声发射技术应用到矿山矿柱岩 体稳定性和岩爆的监测预报中f 2 ”4 】。自那时以来，声发射技术在国外岩土工程和矿山岩 体稳定性监测方面得到推广应用。岩石声发射现象的产生与岩石变形、破裂过程中应变 能的变化有关。一般认为，由于岩石大多为脆性材料，其内在裂纹的扩展表现为集聚后 的能量的突然释放，并产生弹性应力波( 声波) ，这是a e 能量的来源。 1 9 5 3 年，被誉为“声发射之父”的德国金属物理学家j k a i s e r 完成了常用工程材料 声发射现象的首创性研究。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合 金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应 即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号【2 5 】”。 现在人们称材料的这种不可逆现象为”k a i s e r 效应 。k a i s e r 同时提出了连续型和突发型声 发射信号的概念。自此，声发射技术的到了长足的发展。6 0 年代g o o d m a n t 2 6 】发现岩石的 压缩试验中k a i s e r 效应仍然成立。1 9 6 2 年，m o g i t 2 7 j 对岩样a e 的振幅一频度关系和a e 时 间的空间分布进行了系统的实验研究，发现a e 的振幅一频度关系与天然地震的震级一 频度关系十分相似。7 0 年代末以来，日、中、美学者对这一问题进行了广泛的理论和实 验研究，使k a i s e r 效应测定地应力开始由探索阶段向实用阶段发展【2 8 】。李庶林【2 9 】等人认 为岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都有典型的k a i s e r 效应的声发射特征点。 f e l i c i t y ：在研究复合材料的声发射性能时发现f e l i c i t y 效应。f e l i c i t y 效应是指在往复加 载过程中，但载荷小于前期所受过的最高应力水平时声发射就开始显著增多。并且发现 声发射过程的不可逆程度同材料的损伤程度有关，即声发射过程又具有所谓的弗勒斯特 效应【3 0 1 。在往复加载工程中，不同循环声发射的不可逆程度是不一样的。茂木清夫【3 1 】 6 一 东北大学硕士学位论文第1 章引言 通过对各种脆性岩石材料的破裂实验，发现了其声发射模式的三种基本类型：主震一后震 型、前震一主震后震和群震型，并且认为不同的声发射模式与岩石的均质程度有密切 的关系。e b e r h a r d t 3 2 】对脆性花岗岩单轴压缩下峰值前破坏损伤的定量研究，研究表明， 声发射可直接用来度量因损伤引起的岩石内部释放出的弹性能。c o x 3 3 】研究了岩石变形 过程中的声发射参数同岩石内部微裂纹几何尺寸之间的关系。结果表明，在研究材料软 化方面，这种定量方法要优于传统的损伤分析方法。 我国的声发射技术研究起步较晚，在6 0 年代末7 0 年代初才开始这方面的工作。首先 着眼于应用，已取得可观的成就尚需进行细致的工作。秦四清、李造鼎【3 4 3 6 】等对岩石 的声发射进行了大量的研究，包括岩石的凯瑟效应、岩石声发射的空间分形特征以及岩 石断裂过程中的声发射特征。从理论上导出了岩石声发射的力学模型，以及岩石声发射 振铃数与应力强度因子的关系，并将它们分别应用于岩石的地应力测量和岩石开裂点的 判断上，提高了地应力和岩石断裂韧度的测量精度。纪洪广【3 0 ，3 7 1 等人研究了混凝土材料 破坏过程中声发射现象的非线性。作者将灰色理论同突变理论相结合，通过对声发射参 数的分析研究，验证了声发射过程具有突变性，并建立了声发射参数的灰色尖点突变模 型。唐春安【3 挪】等人根据统计细观损伤力学原理和声发射原理，提出了岩石声发射与岩 石损伤具有致性的假设，即 n o cd 式中：n 是岩石的声发射，d 是岩石损伤参量。并用解析的方法，运用统计细观损 伤力学，提出了用解析解模拟岩石声发射，并在此基础上用有限元研究了岩石声发射规 律，根据这一原理开发出的模拟程序r f p a 在模拟岩石声发射方面取得了很好的效果。 李元辉等【3 9 】研究得出岩石受压产生的塑性变形是应力记忆能力产生f e l i e i t y 效应的 主要原因。孙吉主等m 】人认为声发射现象乃部分微元突然破裂，储存的一部分能量以弹 性波的形式释放引起的。实验表明，岩石样品加压后的破裂并不是突然发生的，宏观破坏 之前会产生许多微破裂，在岩样受力直至破坏的过程中可记录到完整的声发射序列。 国外从2 0 世纪5 0 年代开始把声发射技术用于矿山和隧道的稳定性监测和预报，我国 金属矿山从2 0 世纪7 0 年代开始应用该项技术来监测采场顶板的稳定性，几十年来，声发 射技术被广泛用于地应力测试、岩体稳定性监测以及岩石破裂机理、地震序列特征的研 究等各个方面。a e 技术可在地震模拟岩石实验中，通过对试验样品的设计、微破裂源 定位结果的分析、对震源机制的探讨和微破裂聚集成核等的研究，达到对野外断层构造和 震源分布成核的模拟，目前已成为岩石力学试验研究中的一个重要面。而在a e 的源定 位研究中，针对岩石材料内部的微破裂的不可观测性和时空分布的随机性，对岩石样本 的内部进行破裂分布和断层结构的解析反演，已经成为实验室a e 研究不可缺少的重要 7 东北大学硕士学位论文第1 章引言 手段。目前声发射技术广泛地应用于地应力的测定、钻进监测、巷道岩体稳定性监测。 除此之外【1 3 ，4 1 1 ，还用于地质灾害监测。2 0 世纪6 0 年代，美国、苏联、日本等国一批学者 研究了声发射现象与岩石强度及变形特性的关系，用于预测岩体滑坡和预测地震。土木 工程监测与预报。例如：利用声发射监测高速公路钢质桥梁和海上平台的形变，预报水 坝、建筑物的安全性。应用于石油工程。例如：利用声发射确定地下气储的稳定性。 1 2 研究的目的和意义 材料在受力或其它作用下内部产生微破裂时，应变能以弹性波的形式释放出来的现 象称为声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 【3 】。大多数材料的声发射信号强度很弱，需要借助 灵敏的电子仪器才能监测到，由此也就产生了声发射监测技术。声发射监测技术的突出 特点是动态和实时，即可以连续地监测材料内部变形或损伤演化的全部过程。 岩石是自然界较典型的非均质材料，力学性质复杂多变，其变形破坏过程实际上是 内部微裂纹的萌生、扩展、聚合( 即内部损伤的逐步积累) 直至最终形成宏观裂纹而失 去承载能力的过程【3 4 1 。在这一过程中，借助声发射仪器可以监测到大量的声发射信号。 由于声发射信号是岩石内部微裂纹扩展而释放的应变能，所以每个声发射信号都包含了 岩石内部结构变化的丰富信息。研究和分析这些声发射信号的变化规律，总结声发射变 化与岩石其他力学参数的关系，对于认识和理解岩石的变形破坏特征有很大帮助。 在岩石力学失稳机理和岩石工程稳定性研究中，岩石失稳破裂一直是岩石力学工作 者共同关注的一个焦点。特别是在深部开采矿山其地压显现明显，岩爆等矿山动力灾害 频发，但对其进行有效的监测并实现预测预报一直是难题。在不同加载条件下，对不同 岩石加载过程中的波速和声发射事件的时间、空间分布特征进行分析，获得岩石加载过 程中微裂纹从萌生、扩展、连接到最后形成宏观破坏的时、空演化规律，同时研究岩石 失稳的前兆信息，为实现矿山现场微震监测以及矿山动力灾害预报提供理论依据。此项 研究可以为岩石工程的稳定性研究以及深部开采矿山开采动力灾害发生前兆的研究提 供依据和理论基础，对于减轻或避免矿山岩爆灾害，保障矿山生产和矿山周边城市安全， t i c o ) 对不同岩石在不同加载条件下的波速变化进行 - 8 - 东北大学硕士学位论文第1 章引言 研究。 ( 2 ) 基于岩石声发射技术，对不同岩石在不同加载条件下破坏过程中的声发射时空分 布规律进行研究。 ( 3 ) 建立岩石加载过程中的波速与应力之间的数学关系。 ( 4 ) 应用岩石损伤理论分析岩石裂纹扩展与声发射之间的联系，以此探寻岩石在临近 破坏前的声发射变化特征，即岩石破坏的前兆信息。 1 3 2 研究方法 对几种岩石( 红透山矿的几种岩石及矿石、花岗岩、大理岩、砂岩等) 利用超声波 混凝土测试仪( t i c o ) 和声发射( a e ) 监测系统及其它辅助设备在不同加载条件下( 单 轴、巴西劈裂) 进行实验。在加载过程中用超声波混凝土测试仪测试波速的变化并记录： 用声发射仪器采集岩样破坏过程中的声发射事件，并通过随机附带的软件记录下声发射 事件的各种基本参数( 包括波形、发生时间、震级等) ；加载系统自带的微机可以记录 加载过程中荷载、位移数据。通过以上所记录数据的处理建立岩石破裂过程中的波速与 应力之间的数学关系。通过理论分析探求岩石加载过程中波速变化规律、波速与应力的 关系、声发射分布规律及其与裂纹扩展之间的联系，并初步了解岩石破坏的前