（采矿工程专业论文）岩石单轴压缩破裂过程中声发射信号特征初探.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：虹导师( 签名) ：乏盐日期：垄生墨丝 摘要 岩爆是一种直接威胁施工人员和设备的安全的动力失稳地质灾害，早已 成为世界性的地下工程难题，但由于岩爆问题极为复杂，国内外对岩爆发生 的机理缺乏系统全面的认识，对岩爆的预测问题始终未能形成一整套成熟的 理论方法。岩石的声发射现象作为岩石破坏过程中的一种伴生现象，揭示了 岩石内部破坏过程中的许多信息，更是一种预报岩石微裂纹产生及扩展的手 段，因此声发射方法对监视岩石或岩体破坏及预报地震有重要价值。分析和 研究岩石的声发射信号可以推断其内部的性态变化并反演出岩石的破坏机 制，因而可以利用声发射技术来研究在外载荷条件下有岩爆倾向岩石的破坏 机理，分析在加载过程中有岩爆倾向岩石的声发射特征有助于了解岩石的岩爆 倾向性。 本文分别选用了火山岩、沉积岩和变质岩各自的一种典型岩石进行室内 岩石力学实验。进行单轴抗压实验计算三种岩石的岩爆倾向性，在单轴压缩 的同时用声发射仪收集整个过程的声发射信号，分析不同岩石的声发射特征， 探询岩石的岩爆倾向性与其声发射特征之间的规律，将这些规律与现有评判 方法相结合，从而达到更加客观可行地评判岩石的岩爆倾向性，提高岩爆预 测的准确性和深化岩爆机理认识的目的。主要得出了以下结果： ( 1 ) 得出了三种岩石的岩爆倾向性大小：花岗岩 大理岩 砂岩。 ( 2 ) 在加载直至破裂的过程中，花岗岩的声发射振铃计数和峰值计数比大 理岩和砂岩多。花岗岩的振铃计数在峰值前有比较明显的变化，而大理岩和 砂岩则在整个过程中相对较稳定。 ( 3 ) 在“加载一卸载一重加载 过程中，花岗岩的声发射振铃计数和峰值 事件数比大理岩和砂岩的大很多。花岗岩的声发射振铃计数在峰值处发生突 增，随后的变化较为剧烈，直至试样破坏 ( 4 ) - - 种岩石在两种加载条件下开始阶段的声发射b 值都有变大的趋势。大 理岩和砂岩的声发射b 值的变化较平稳，而花岗岩的声发射b 值在峰值应力的 5 0 处出现下降。花岗岩的声发射b 值比大理岩和砂岩的要大，砂岩的声发射b 值最小。 关键词：声发射；岩爆倾向性；声发射b 值；单轴压缩 a b s t r a c t r o c k b u r s ti sak i n do fd y n a m i c a l l yi n s t a b l ea n dg e o l o g i c a ld i s a s t e rw h i c h t h r e a t e n st h es a f e t yo fp e o p l ea n de q u i p m e n t i ti sa l w a y sac o s m o p o l i t i s mt o u g h p r o b l e ma n dt h e r ei sn e i t h e ras e to fm a t u r et h e o r yi nb s eo fp r e d i c t i o ni tn o r s y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n gi t sr e a s o n sb e c a u s eo fc o m p l i c a t e d p r o b l e m se x i s t i n gi n t h er o c k - b u r s ta n dd i f f e r e n tt h e o r i e so fg r a d i n g a s a c c o m p a n y i n gp h e n o m e n a , t h ea ep h e n o m e n o no fr o c kd u r i n gt h er o c kd a m a g e p r o c e s sp o i n t so u tm a n yi n f o r m a t i o no ft h ep r o c e s so f r o c kf a i l u r e ，a n dp a v e sa n e ww a yf o rf o r e c a s t i n gc r a c ki n i t i a t i o na n de x t e n s i o n s oi ti si m p o r t a n tt os t u d y t h ea ep h e n o m e n af o rm o n i t o r i n gr o c k 、r o c kf a i l u r ea n dp r e d i c t i n ge a r t h q u a k e t h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fa es i g n a lo fr o c kc a ni n f e ri t si n t e r n a lc h a n g ea n d i n v e r s i o nt h em e c h a n i s mo fr o c kf a i l u r e s ow ec a ns t u d yt h ed a m a g em e c h a n i s m o fr o c kw h i c hh a sr o c k b u r s tp r o n e n e s sd u r i n gt h el o a db yu s i n ga c o u s t i ce m i s s i o n t e c h n i q u e ，a n d i ti s h e l p f u l t ou n d e r s t a n dt h er o c k b u r s tp r o n e n e s st h r o u g h a n a l y z i n gt h ea e c h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gt h ep r o c e s so fl o a d i n g o b j e c t i v et oe x p l o r et h ea ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tk i n d so f r o c kd u r i n g u n i a x i a lc o m p r e s s i o na n dt h ea ec h a r a c t e r i s t i c so fr o c k sw h i c hh a v ed i f f e r e n t r o c k b u r s tp r o n e n e s s ，w es e l e c te a c hr e p r e s e n t a t i v er o c ks a m p l e so fv o l c a n i c r o c k 、m e t a m o r p h i cr o c ka n ds e d i m e n t a r yr o c k st oa c ti n t e r i o rr o c km e c h a n i c st e s t a tt h es a m et i m eo fu n i a x i a lc o m p r e s s i o nw ec o l l e c tt h ea es i g n a ld u r i n gt h e w h o l ep r o c e s st h e na n a l y z et h ea ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tk i n d so fr o c ka n d c a l c u l a t i o nt h er o c ki m p a c te n e r g yi n d e xo fr o c k sw h i c hc a nr e p r e s e n tt h e i r r o c k b u r s tp r o n e n e s s i n q u i r i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o c k b u r s tp r o n e n e s sa n d m e i ra ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h e nc o m b i n et h i sr e l a t i o n s h i pw i t ht h ee x i s t i n gj u d g m e n t m e t h o d st oe s t a b l i s hm o r eo b j e c t i v ea n de f f e c t i v ew a yt oe v a l u a t et h er o c k b u r s t p r o n e n e s s t h ec h i e fc o n c l u s i o no ft h ed i s s e r t a t i o ni si nt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) d y n a m i cf a i l u r ed u r m i o n u n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o na r ec a l c u l a t e d ， t h r e er o c kb u r s tt e n d e n t i o u s n e s sa r ea n a l y z e d ，o b t a i n st h er o c kb u r s tp r o n e n e s so f g r a n i t ei ss t r o n g e rt h a no t h e rt w or o c k s ，t h er o c kb u r s tp r o n e n e s so f s a n d s t o n ei s t h ew e a k e s t ( 2 ) d u r i n gt h ep r o c e s so fl o a dt of a i l u r e ，t h ea e c o u n t sa n dc o u n t st op e a ko f t h eg r a n i t ei sm o r et h a no t h e rt w ok i n d so fr o c k a n dt h ea ec o u n t so ft h eg r a n i t e h a v ea no b v i o u sc h a n g eb e f o r et h ep e a ks t r e s s t h eo t h e rt w ok i n d so fr o c ka r e s t e a d i e rd u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s ( 3 ) d u r i n gt h ep r o c e s so f “l o a d u n l o a d - r e l o a d ”，t h ea e c o u n t sa n dc o u n t st o p e a l 【o ft h eg r a n i t ei sm o r et h a no t h e rt w ok i n d so fr o c k a n dt h ea e c o u n t so ft h e g r a n i t eh a sa no b v i o u sc h a n g ea tt h ep e a ks t r e s s ，t h e ne x p e r i e n c e dag r e a tc h a n g e u n t i lt h ef a i l u r eo ft h et o c k ( 4 ) a eb v a l u eo f t h r e er o c k si sd e v e l o p i n gd u r i n gt h eb e g i n n i n go ft h el o a d d u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s ，a eb v a l u eo fm a r b l ea n ds a n d s t o n ei ss t e a d i e rt h a n g r a n i t e , a n da eb - v a l u eg r a n i t ed e c l i n ea tt h e5 0 p e r c e n to ft h ep e a ks t r e s s a e b - v a l u eo fg r a n i t ei st h el a r g e s ta n dt h es a n d s t o n ei sl e a s t k e y w o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ：r o c k b u r s tp r o n c n c s s ；t m i a x i a lc o m p r e s s i o n ：a e b - v a l u e i i i 目录 摘 要一i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 选题意义l 1 2 研究现状2 1 3 论文研究的目标及内容6 1 3 1 论文研究目标6 1 3 2 论文研究内容6 第2 章声发射试验原理7 2 1 声发射测试技术基本原理。7 2 2 声发射的产生。8 2 3 声发射波的传播8 2 - 3 1 波的传播模式8 2 3 2 声发射波的传播速度9 2 4 影响声发射特性的因素1 0 2 5 声发射检测仪器的组成1 1 2 6 1 声发射信号的类型1 3 2 6 2 声发射信号的特性参数1 3 第3 章岩爆倾向性理论1 8 3 1 岩爆倾向性定义1 8 3 2 岩爆倾向性指标。18 第4 章岩石单轴抗压力学实验。2 3 4 1 实验方法2 3 4 1 1 实验试件2 3 4 1 2 实验设备2 3 4 1 3 加载方式2 6 4 2 岩石力学实验结果及分析2 6 4 2 1 岩石基本物理力学性质测试2 6 4 2 2 岩爆倾向性实验结果3 0 4 3 本章小结3 1 第5 章声发射实验结果及分析3 3 5 1 单轴压缩条件下声发射实验结果分析。3 3 5 1 1a 型加载条件下三种岩石的声发射特征3 3 5 1 1b 型加载条件下三种岩石的声发射特征3 6 5 2 单轴压缩条件下岩石声发射b 值的特征分析4 l 5 2 1 声发射b 值计算模型4 1 5 2 2 声发射b 值计算结果4 2 5 3 单轴压缩条件下岩石声发射与其岩爆倾向性的关系分析4 7 5 4 本章小结4 8 第6 章结论与展望o o o ooooooooooooooo0 0 5 0 6 1 结论5 0 6 2 展望5 2 参考文献。5 4 致谢5 9 攻读硕士学位期间参与的科研与发表论文情况6 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第1 章绪论 结构或材料受力作用时发生断裂或变形，并以弹性波的形式释放出应变 能的现象称作声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) 。与其他材料一样，岩石材料在 外力或内力作用下，使得内部原生裂隙和缺陷扩展并伴随新的微破裂的孕育、 萌生、演化、扩展直至断裂，该过程中储存在其结构内部的应变能以弹性波 形式释放出脉冲，因此可将一个声发射信号定义为一个瞬态弹性波。这种现 象最早于1 9 3 7 年由美国矿山局的l o b c r t 和w d u v a l l 发现，而后于1 9 4 0 年 在阿米克铜矿中监测到爆发性声发射，并以此预报岩爆的来临。此后，声发 射技术先是应用于煤矿、金属矿山、及隧道工程的岩体安全性与稳定性问题 的监测与预报，随后逐渐扩大到边坡及地下硐室的稳定分析、地应力量测、 矿山压力显现和岩爆预测等领域。自2 0 世纪中期以来岩石声发射技术已比较 成熟地应用于边坡、水电、隧道等地下工程以及矿山地压与安全监测中。作 为岩石破坏的过程中一种伴生现象，岩石声发射蕴含着其内部破坏过程的许 多信息。而作为岩石微裂纹产生及扩展的预报手段，声发射方法更是对监视 岩石或岩体破坏及预报地震有重要价值【l 】。 岩石变形和声发射一般是工程岩体从稳定到不稳定直到至破坏的先兆。 因此人们在实验室和现场做了大量试验以便测试及分析岩石力学性质，进而了 解在岩石破坏之前其物理性质和力学的变化。但是由于岩石力学性质受到较 多的环境因素的影响，且岩石力学性质参量本身的测量就比较困难，导致测 试结果的不确定性很大。因此靠岩石发声来探测其力学特性和内部状态的声 发射测试技术，做为一种有效的实验方法，在测量岩石力学参量的同时获得 岩石的声发射特征，能够克服仅仅测量岩石力学性质参量的不足。可以根据 岩石受力和变形过程中产生声发射的多少、频率、大小等参数了解岩石的变 形破坏过程。多年来，为了探究岩石的声发射特征与其变形过程的内在联系，众 多研究者对某种岩石的声发射特征与其应力应变全过程曲线之间的相互关系 做出了许多的探索，并且得到了有价值的结果。但是，由于岩石是一种天然材料， 其形成环境、组成结构及矿物成分、胶结物的不同，以及后期受到的地质构造 武汉理工大学硕士学位论文 作用也不可能相同，造成各种岩石必然有不同的结构。这就意味着不同种类的 岩石声发射特征与其变形过程之间的内在联系是不同的。所以，至今仍未能够 建立力学参数与声发射参数的联系，使得目前声发射技术的实际应用研究远 远超前于理论研究i z j 。 岩石岩爆是在高地应力条件下开挖地下工程的过程中，开挖卸荷而导致 洞壁应力的重新分布，突然释放出岩体中存储的弹性应变能而产生的剥落、 爆裂松脱、弹射甚至抛掷的一种动态失稳地质灾害。分析和研究岩石的声发 射信号，可以推断其内部的性态变化并反演出岩石的破坏机制。因此声发射技 术可以用来研究在外载荷条件下有岩爆倾向岩石的破坏机理，分析在加载过程 中有岩爆倾向岩石的声发射特征有助于了解岩石的岩爆倾向性【3 l 。 为了系统地研究典型岩石破坏过程中其声发射特征，本文各选取了火山 岩，沉积岩，变质岩的典型岩石进行了单轴抗压实验，并同步收集声发射信 号，获得应力应变全过程曲线和声发射特征曲线，对这三种岩石的声发射曲线 特征进行综合比较分析，探寻其破坏过程的特点，并研究其声发射特征与其 岩爆倾向性之间的关系。 1 2 研究现状 国外许多学者对岩石受力破坏过程中的声发射特征作出了广泛的室内实 验研究，比如岩石在受压、剪切、断裂和张拉等试验条件下其声发射特征研 究。早在5 0 年代前苏联就研究了岩石的声发射特征并将其应用于矿山地压的 监测；6 0 年代初期，m o g i 进行了大量的岩石声发射实验，研究了岩石受压 破裂过程中的声发射特征川；7 0 年代，h a r d y 对岩石的声发射特征进行了大量 研究，包括拉压试验、声发射事件能量和频率等的研究；8 0 年代，一些日本 学者对岩石的声发射特征、岩石的k a i s e r 效应等进行了一系列的室内试验研 究；h o l c o m b 利用声发射技术对岩石类脆性材料的破坏情况进行了研究【5 6 】。 9 0 年代，r a o 等用声发射技术对循环加载过程中岩石的渐进破坏性质进行了 研究【刀；l o c k n e r 讨论了声发射技术应用于岩石破坏机理方面的研究作用， c o x 等对岩石微破裂和软化过程中声发射的现象做了研究，r u d a j e v 等研究 了单轴压缩试验条件下岩石破裂过程中的声发射特征【1 1 。p e s t m a n 等研究 了三轴应力状态下砂岩的声发射特性和破坏特性之间的关系以及应力记忆现 象【1 2 】。到了2 0 世纪后期，d a i 对岩石材料的损伤与其声发射特征之间的关系， 2 武汉理工大学硕士学位论文 以及不同孔隙度类岩材料的声发射特征进行了相应的研究，认为他的研究成 果可用于这类材料破坏的实时监控和预报【1 3 】。近年来，随着现代声发射仪器 的发展，t h a m 等用多通道声发射监测系统对板状岩石试样拉伸时的声发射特 征进行了研究，并通过二维有限元软件进行了声发射的模拟分析，发现岩石 在单轴拉伸条件下的声发射特征能分为三个阶段：( 1 ) 声发射信号随机分布阶 段，( 2 ) 破裂带的出现，( 3 ) 主破裂发生阶段，且花岗岩比大理岩有更明显的 微破裂聚结现象，而导致在拉应力条件下各岩石声发射特征差异的主要原因 是非均质性的差异【1 4 1 。( ；a n n e 等采用声发射技术研究了岩石峰值前的脆性破 坏，并给出了在该过程中声发射能量累积的4 个阶段【i 引。 声发射技术在2 0 世纪7 0 年代才开始引入我国，当时主要应用于岩土工 程和矿山生产中。陈颐是国内较早地开展岩石声发射特征室内试验研究的学 者【1 6 】；他于1 9 8 7 年研究了不同应力途径三轴压缩下岩石的声发射特征，得出 岩石的声发射行为不仅与岩石应力状态有关，还与应力状态的变化有关【1 7 】。 9 0 年代彭守拙，吴刚等也针对岩石声发射特征开展了一系列的室内试验研究 工作 1 5 , 1 9 1 。樊运晓通过大理岩单轴压缩试验分析岩石声发射特点，验证了声 发射产生的主要原因在于岩石内部裂纹的闭合和闭合裂纹上下表面间的摩 擦，加载过程中声发射信号的强弱与岩石内部裂纹平均长度有关【2 们。赵兴东， 田军，李元辉，唐春安研究了花岗岩破裂过程中的声发射活动行，认为声发 射事件活动可以反映出岩石内部应力场的变化【2 1 1 。 随后我国许多学者针对岩石的声发射特征进行了大量的室内实验，众多 的实验结果表明，岩石破裂过程的声发射特征是与岩石的性质、加载的条件等 密切相关的。许昭永等研究了单轴实验时的加载速率与声发射特征的关系【2 2 1 。 减绍先用两个频率通道同时接收花岗岩及石灰岩在不同单轴加压方式下的整 个形变过程中的声发射信号，研究了不同频道接收到的声发射率的变化特征 【2 3 1 。万志军等研究了不同加载速率时岩石的声发射特征以及加载速率与裂纹 之间的量化关系【2 4 1 。蒋海昆等则对高围压条件下花岗岩的变形破坏过程种声 发射特征进行了试验研究，并依据试验的结果对声发射的时序特性进行了分 析【2 5 1 。张流等的研究结果表明了低围压容易产生张性破裂，并伴随较高的声发 射率，但主破裂后声发射很少：随着围压的逐渐提高，剪切破裂占据了主导地 位，降低了声发射率，但使得破裂后的声发射率保持较高水平。近年来，李庶 林在岩石单轴全过程加载和加卸载试验中研究了岩石材料在不同加载条件下 受力变形过程中的声发射特性【2 们。赵兴东应用声发射定位技术对不同岩样破 3 武汉理工大学硕士学位论文 裂过程的声发射活动规律进行实验研究，揭示不同岩样的破裂失稳机理，得出 声发射活动与岩石的本身属性是直接相关的【2 刀。付小敏对岩石单轴受压变形 过程中的声发射特征开展了试验研究【2 】；余贤斌等又研究了直接单拉、单轴压 缩和劈裂时岩石的声发射特征，对不同加载方式下的声发射特征做了对比分 析【2 引。王其胜，万国香，李夕兵在霍普金森实验系统上研究了动静组合加载 下花岗岩声发射能量的变化规律【2 9 1 。张志镇，高峰，徐小丽从声发射的角度 考察高温后花岗岩的力学特性，研究了不同温度下试件纵波波速的变化及应 力一应变曲线跟声发射曲线之问的关系【3 0 1 。 一些学者着重研究了声发射信号的分析，v r u d a j e v 等通过研究单轴压缩 条件下岩石的声发射，得到了声发射时间系列参数包含了岩石破裂阶段和有 关应力率的重要信息，这些参数都显示出了比较稳定的前兆特征【s 以。刘新平， 刘英，陈颓对单轴压缩条件下大理岩和辉长岩样品变形过程中的声发射信号 进行了频谱分析比较了两种岩石的频谱以及频谱随应力的变化，并找出其声 发射信号的频谱分布范围【3 1 1 。随后彭远，周昌达用时域和频域分析方法对单 轴压缩下大理岩试样的声发射特性进行了深入的研究，认为在岩体破坏预报 中，能率和声发射率可作为比较可靠的参数f 3 2 1 。吴永胜，余贤斌对比了单轴 压缩下岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率变化规律的异同，得出声发射 能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感，更适合用来预测岩石的破坏p 引。 凌同华利用小波包分析技术对冲击荷载作用下岩石声发射信号的能量分布特 征进行研究【3 4 】。李庶林研究了单轴压缩中应力、声发射事件数( 率) 、时间三 者之间的关系，认为岩石的声发射在弹性阶段的初期和后期是随着应力水平 的增加而显著增加的，尤其是在弹塑性高应力阶段增加尤为迅速，但在峰值 前岩石声发射事件出现了相对平静期，峰值强度后仍有明显的声发射现象【3 引。 张茹，谢和平等在单轴多级加载条件下，进行花岗岩破坏全过程的声发射试 验研究，对声发射平静期现象在物理过程上进行探讨，进一步证实了声发射 平静期【。 许多研究者通过研究发现，具有岩爆倾向性的岩石类材料破坏时非常强 烈并伴随着巨大的响声，而没有岩爆倾向性的岩石类材料破坏则较为平稳为 此许多学者为了了解有岩爆倾向性的岩石的性质，做了大量有关具有岩爆倾 向的岩石在加载过程中声发射规律的试验。潘长良，祝方才等研究了具有岩爆 倾向性的岩石在单轴压缩条件下的声发射特征【3 们。苗金丽，何满潮等对真三 轴应力状态下花岗岩突然卸载应变岩爆的声发射特征进行了研究【37 1 。而随着 4 武汉理工大学硕士学位论文 分形岩石力学和断裂损伤力学的发展，人们认识到岩石内部微裂纹的演化过 程是具有分形特征的，岩石破裂过程中声发射事件通过分形计算可以得出岩 石内部微裂纹空间分布的分形特征。研究岩爆过程中岩石声发射的分形特征 有助于更进一步的认识岩石破坏机制，从而提出更为合理的岩石破坏前兆判 据。秦四清，李造鼎，林韵梅对脆性岩石声发射与断裂力学进行了理论研究， 建立了声发射总数n 与应力强度因子k 。之间的一般表达式【3 8 1 。尹贤刚等在室 内试验研究的基础上，从理论上研究了岩石声发射分形维值的变化特征p 9 1 。 梁忠雨，高峰等通过计算关联分维数与应力水平的变化关系，对声发射过程 参数的分形特征进行了研究 4 0 i 。裴建良，刘建锋，张茹，尹贤刚对单轴压缩 损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究，研究结果与岩 爆理论研究相吻合，对现场监测应用具有指导意义【4 1 1 。季明，高峰等通过研 究各种声发射参数之间的关系，探询岩石本构关系与岩石声发射之间的联系， 得出分维和声发射参数随时间的变化趋势是相关的，分形维数不仅表征声发 射的频度，而且其最小值通常预示着一个大破裂 4 z 】。 而与声发射分形特征密切有关的一个参数就是震级一频度关系式中的b 值。b 值随时间的变化，反映了岩石内部在不同时间所承受的内部平均强度和 平均应力的变化，同时也反映出了岩石内部微裂纹尺度的扩展情况【4 3 1 。尽管 对于将微震活动的b 值和二值的变化作为地震前兆的研究已经进行了二十多 年，且目前也积累了不少大地震前微震b 值降低的实例，但仍然经常遇到不 理想的情况。这主要是人们对b 值的实质尚未完全弄清楚，对究竟是那些因 素影响b 值变化还了解得不多。因此许多研究者在实验室中开展了探索b 值 的实质和其影响因素的模拟实验。茂木清夫研究了介质性质对岩石的声发射b 值的影响，s c h o l z 研究了应力状态跟声发射b 值之间的关系。我国也有许多 研究者做了相关的研究，刘力强对几种结构不同的岩石标本在变形过程中声 发射b 值和频谱随时间的变化特征进行了对比研裂州。刘晓红，李纪汉，郝 晋升，耿乃光在单轴应力条件下对不同应力变化过程岩石的声发射b 值进行 了研究【4 5 1 。方亚如，李纪汉，蔡戴恩等对含水岩石破裂前的声发射b 值变化 规律进行研究。【4 6 1 5 一 茎坚堡三奎堂堡主堂垡笙奎 一 _ - l _ _ - l _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ - _ - l _ - _ _ 一一一一 1 3 论文研究的目标及内容 1 3 1 论文研究目标 目前声发射测试技术主要用于对岩体进行监测，收集岩体突然破裂发 出的前兆信息，对这些特征信息进行分析并总结出相应的规律，然后应用 于类似的情况，但是由于测试参数的依据不强且监测信息的可靠度不高， 且未能与理论很好地相结合，因此在实际应用中受到了很大的限制。本文 旨在分析不同种类岩石破坏过程的不p - 声发射信号特征及其与岩石的岩爆 倾向性的关系，探讨预测岩爆的方法和提供理论分析，对岩爆的预测研究 有重要的现实意义。 1 3 2 论文研究内容 为了研究不同岩石单轴抗压下的声发射特征，以及具有不p - 岩爆倾向性 的岩石的声发射特征，各选用了火山岩、沉积岩和变质岩的典型岩石进行室 内岩石力学实验。进行单轴抗压实验的同时收集整个过程的声发射信号，分 析不同岩石的声发射特征，并计算表征岩爆倾向性的冲击能指数，探询岩石 的有爆倾向性与其声发射特征之间的关系。本文主要做了以下内容： ( 1 ) 对采集的三种岩石，制备成圆柱形试件用刚性压力机进行单轴压缩平 行试验；计算了在单轴抗压条件下这三种岩石的冲击能指标、单轴抗压强度、 弹性模量三种判断岩爆倾向性的指标，分析了这三种岩石的岩爆倾向性。 ( 2 ) 在上述岩石试样采用刚性压力机进行单轴压缩试验的同时，用声发射 仪记录试件在整个单轴抗压过程中的声发射信号；对单轴压缩过程中的三种 岩石的声发射特征随应力变化的变化规律进行了分析。 ( 3 ) 对比了三种岩石在单轴压缩条件下的声发射特征，分析岩石的岩爆倾 向性与其声发射特征之间的规律。 ( 4 ) 计算t - - 种岩石在单轴压缩过程中的声发射b 值，分析了具有不同岩 爆倾向性的岩石在单轴压缩条件下其声发射b 值的变化规律。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章声发射试验原理与岩爆倾向性理论 声发射又叫应力波发射，英文名称为a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ，是指 材料的局部因为快速的释放出能量而发生瞬态弹性波的现象。声发射的频率 根据材料的不同而有很广的范围，从次声频到声频乃至超声频。大部分材料 在变形和断裂的时候会发生声发射现象，但并不是所有的声发射都能产生人 耳听得见的声音，只有当材料释放出足够大的应变能的时侯，人耳才能听见 声发射所产生的声音，例如在耳朵变折弯锡片，我们可以清楚地听见噼啪声， 因为弯曲锡片时锡片受力产生了孪晶变形，进而发出声响。另外众多的金属 材料在断裂和塑性变形的时候也会产生声发射现象，可是由于在此过程中的 声发射信号强度十分微弱，需要借助极为灵敏的电子仪器才可以检测出来， 所以其声发射并不能直接的产生人耳能听见的声音。声发射技术是指采用特 定的声发射仪器对声发射的信号进行监测、采集并分析然后利用分析的结果 对材料或结构的内部性质的变化进行推断的技术。早在几十年前就声发射技 术就受到了国内外的普遍关注，一直发展至今，从早期在涉及隧道工程、煤 矿及金属矿山的安全性问题方面的应用到现在应用于边坡稳定、岩爆以及室 内的材料脆性研究，声发射技术的发展越来越完善，其应用领域也从以前单 一应用于采矿业慢慢发展到地震、地质、水利、石油、土建、机械及国防等 领域。 2 1 声发射测试技术基本原理 发展至现在，声发射测试技术已经转变成为一种新兴的动态无损检测技 术，主要的基本概念包括声发射源、波的传播、声电信号转换、信号的处理、 数据显示及记录、结果解释和评定等，声发射检测技术由于其检测的是动态 缺陷切缺陷信息是由缺陷自身发出来的而不同于其他的无损检测方法，其基 本原理如下图所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 声发射技术基本原理 声发射源发出信号，经介质传播到达换能器，换能器接受声发射信号进 行声电转换，输出电信号，再由放大器将信号放大，最后根据电信号对声发 射源进行解释。 2 2 声发射的产生 材料引起声发射的局部变化称作声发射事件，而声发射事件的物理源点 或者发出声发射波的机制源被称为声发射源。在各种材料中，许多种损伤和 破坏机制可以产生声发射源，本文主要讨论一种声发射源，即裂纹的形成和 扩展。一旦产生裂纹，在材料局部地区的应力集中得到卸载就会产生出声发 射的现象，所以材料的塑性变形与裂纹的形成和扩展是密切相关的。 材料的断裂过程大致上可以分成以下三个阶段，其中的每个阶段都可以 成为强烈的声发射源。裂纹成核阶段。微观裂纹首先要经过裂纹的慢性扩 展阶段才能变成宏观裂纹。裂纹的扩展阶段。众多学者经过理论计算知道， 裂纹在扩展时所需要的能量比裂纹在形成时需要的能量约大1 0 0 到1 0 0 0 倍， 且由于裂纹的扩展不是连续进行的，裂纹在向前扩展一步的时侯会释放出所 积蓄的能量，这样裂纹的尖端区域就得到卸载，所以在裂纹扩展阶段中产生 的声发射可能比裂纹在形成阶段而产生的声发射大得多。最终断裂阶段。 当裂纹继续扩展直至发生失稳扩展，此时裂纹已接近i 临界裂纹的长度，随即 又变成快速地断裂，在这个过程中往往会产生出更大强度的声发射。 2 3 声发射波的传播 2 3 1 波的传播模式 ，声发射波源处的波形包含了波源的许多定量信息，它一般为宽频带尖脉 8 武汉理工大学硕士学位论文 冲。但是，由于传感器频响的特性和介质的传播特性的影响，导致我们测得 的信号波形与原波形截然不同，变得非常复杂。因此我们得到的波形特性参 数的物理意义在很大程度上被淡化了。所以我们要在实验条件设置和数据分 析评价过程中首先考虑波得传播对波形造成的影响。 声发射波在介质中传播，可以根据质点的振动方向和传播方向不同分为 横波、纵波、瑞利波、板波等。 ( 1 ) 横波 各个质点的振动方向与波的传播方向是垂直的波称为横波。在介质中传 播的时候，横波能使介质相应地产生交变的剪切变形，所以横波又叫切变波 或剪切波。由于气体和液体中没有能恢复横向运动的弹性力，故横波只有在 固体中才能传播，而不能存在于气体和液体中。 ( 2 ) 纵波 质点的运动方向与波得传播方向相同的波称为纵波，其质点的振动方向 平行于波得传播方向。纵波由于在介质中传播的时候能产生质点的稀疏部分 和稠密部分而又被称作疏密波。 ( 3 ) 瑞利波( 表面波) 瑞利波产生于气体介质和半无限大的固体介质的交界面上，它和横波一 样只能在固体介质中传播而不能在气体或液体介质中传播，它是由瑞利 ( r a y l e i g h ) 在1 8 8 7 年首次研究提出并且证明其存在的。瑞利波可以看做是 纵波和横波的合成。 ( 4 ) 板波 在气体介质和半无限大的固体介质的交界面上传播的瑞利波，在固体物 质变为板时且板的厚度小到某一程度的时候，就不能够存在而转变成各种不 同类型的板波。在这各种类型的板波中最主要的一种是兰姆波，所以通常意 义的板波就是指兰姆波。板波只能在固体薄板中传播，也是由横波和纵波组 合而成，其质点的运动轨迹为椭圆，根据其质点的振动特点可分为非对称形 ( 弯曲波) 和对称形( 膨胀波) 两种。 2 3 2 声发射波的传播速度 不同的材料波速是不同的，这是因为波的传播速度跟介质的密度和弹性 模量密切相关。另外波的传播速度还和波的传播模式有关。横波和纵波在均 9 武汉理工大学硕士学位论文 匀介质中的传播速度分别由下式表示。 旧 l 一盯 ； 1 万而习f 司 式中：u 横波波速； h 纵波波速； 仃泊松比； e 弹性模量； g 切变模量； p 密度。 在同一种材料中，不同模式的波速互相成一定的比例关系，比如瑞利波 波速大约为横波波速的9 0 ，而横波波速大致为纵波的6 0 。横波、纵波、 表面波的速度与其所对应的波的频率没有关系，但板波具有频散现象，其速 度与波得频率有关，大约分布在横波波速和纵波波速之间。波的传播速度还 和材料类型、结构形状与尺寸、各向异性等因素有关，所以波的速度是一种 易变量。 波长乘以频率就等于波的传播速度，即： v = 对 式中： ，波的传播速度； a 波长； 厂波频。 2 4 影响声发射特性的因素 能够影响变形和断裂机制的因素都能够对声发射的特征产生影响，这是 由于声发射是产生于材料的断裂和变形，这些因素主要有以下几点： ( 1 ) 试件，包括试件的形状和尺寸； 3 有强岩爆倾向 孵f = 2 3有弱岩爆倾向 i 孵p 2无岩爆倾向 比较坚硬的岩石在峰值荷载前几乎不产生非弹性变形，产生的微破坏也 非常小，e 几乎等于岩石试件在峰值荷载前储存的弹性变形能，而e 大约等 于岩石试件完全遭到破坏所需要消耗的能量。因此，冲击能指数的含义为： 如果岩石具有储存大于该岩石完全受到破坏所需要消耗的能量的弹性变形能 的能力，则说该岩石具有岩爆倾向。但是对于较软的岩石，其峰值前的塑性 变形比较大，且有严重的微破坏，e 与岩石试件内储存的弹性变形能有较大 的差别，另外软岩一般不会发生岩爆现象。因此仅将该指数应用于比较的坚 硬岩石。 ( 2 ) 弹性能量指数呢【5 3 】 弹性应变能指数既首先由波兰的z s z e c o w k a 等人在1 9 7 3 年提出，随后 s s p e n g ( 1 9 7 8 年) 、a k i d y b i n s k i ( 1 9 8 1 ) ，s p s i n g h ( 1 9 8 8 ) 等人相继地采 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 用这个指数来对煤和岩石的岩爆倾向性进行评价，目前更是得到比较广泛地 应用。弹性应变能指数的定义为：储存于岩石中的弹性应变能如比上岩样 在变形过程中所耗散的塑性能九( 见图3 2 ) ，即： = ( 3 - 2 ) 图2 1 中f 和f 1 分别是加载曲线与卸载曲线，c r c = ( o 8 o 9 ) c r c ，吒为峰 值应力。 丸和九分别用下面两个式子计算： 站= i 彳( 占) 如 ( 3 3 ) 九= i ( 占) 如一i z ( s ) 如 ( 3 - 4 ) 该指标反映出峰值荷载前岩石储存弹性变形能的能力的大小，比值越 大，就说明峰值前区岩石的塑性变形和产生的微破坏越小，岩石所储存的弹 性变形能就越多，破坏主要是发生在峰值后区。储能越大，释放必定是非常 迅速的，则岩爆的倾向性就越大。以下就是根据煤岩试验所得出的指标： 当f 叟0 时，无岩爆； 当2 o f 5 0 时，发生弱到中等程度的岩爆； 当脸5 0 时，发生强岩爆。 g o c 图3 - 2 岩石加卸载曲线 众多的研究结果表示出，随着岩石强度的提高呈现出增大的趋势。众 所周知，煤的单轴抗压强度大约是2 0 - - 4 0 m p a ，而硬岩矿石的单轴抗压强度 则远远大于煤的强度，一般约为8 0 -