（采矿工程专业论文）声发射技术在源岩应力测量中的应用.pdf

! 。c 0 l j 0 ，矿磕雾罐hr。黧；巍 红? 1 r 、 j - ad i s s e r t a t i o ni n a p p l i c a t i o m e a s u r e m e n t b yy a n gy u j i a n g 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 a n u a r y2 0 0 7 p、 -。陪，v 芦j 引j 1 itlrillij 毋k 参。 2 独创性声明 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它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 明并表示谢意。 学位论文作者签名：狗穿 上 日期： 2 7 ，f 2 、弓口 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 、 t-暂#10jt，：f7。 k ； ； ， 、l 东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文采用岩石声发射实验方法，对抚顺红透山铜矿深部矿岩体不同水平的岩石 试样进行了单轴加载实验。应用k a i s e r 效应理论，对红透山铜矿深部矿岩体原岩应 力场分布规律进行了研究，并对深部矿岩体的岩爆倾向性进行了分析，得出以下主 要结论： ( 1 ) k a i s e r 效应在高强度脆性岩石的破坏过程中现象明显，但在低强度和非脆性 的岩石中表现不明显甚至观察不到； ( 2 ) k a i s e r 效应在岩石受载的线弹性变形阶段比较明显，k a i s e r 效应点一般显现 在破坏载荷的4 5 5 0 ： ( 3 ) 由k a i s e r 效应测得不同水平原岩应力的分布得出：垂直方向的原岩应力与 埋深呈线性关系，得到线性回归方程为o - - - 2 7 m 0 8 h ，与岩体自重无明显的对应关 系： ( 4 ) 应用k a i s e r 效应测得的原岩应力与现场实测比较，a e 的方法测得的应力值 小于岩石在原岩中的实际应力值，这主要是由于单轴加载不可能恢复岩石的原始应 力状态，即围压而且这种差异随埋深( 围压) 的增加而相差越大： ( 5 ) 根据实测原岩应力，分析不同深度、不同岩性的矿岩体岩爆倾向性，得出 在6 4 7 水平以下存在较高的岩爆倾向。 九 关键词：声发射：k a i s e r 效应；原岩应力；岩爆 ，。1 v 叠 _；气，p 0 、 气 东北大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o no f a e t e c h n i q u ei ni n - - s i t us t r e s s m e a s u r e m e n t a bs t r a c t i nt h i sr e s e a r c h ，a ee v o n t si nt h ef a i l u r ep r o c e s so fr o c ks p e c i l l l c n sf r o md i f f e r e n t l e v e l i nh o n g t o u s h a nc o p p e rm i n ew e 他a c q u i r e db ya em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t a p p l y i n gk a i s z re f f e c tt h e o r y , t h er e g u l a t i o no fi n - s i t us t r 铭si nt h eh o n g t o u s h a nc o p p e r m i l l ew a ss t u d i e da n dt h er o c k b u r s tp r o n e n e s so ft h ed e e pr o c i c m a s sw a sa n a l y z e d s o m e s i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sw e t ea c h i e v e d ( 1 ) p h e n o m e n o no f k a i s e re f f e c tw a s a p p a r e n ti nt h ep r o c e s so ft h ed e s t r u c t i o n o fh i g h - i n t e n s i t yb r i t t l er o c k , b u ti tw 弱n o to b v i o u si nt h et h el o w i n t e n s i t ya n d n o n - b r i t t l er o c k ( 2 ) k a i s 靠e f f e c tw a sm o o b v i o u si nt h er o c ke l a s t i cd e f o r m a t i o ns t a g ea n dt h e p o i n t so f k a i s e re f f e c tw e 心a m o n gi nt h e4 5 - 5 0 o ft h ep e a kl o a d i n g ( 3 ) t h ei n - s i t us t r e s sb a s e do nt h em e h o do fk a i s e re f f e c ts h o w nt h a t ：t h ev e r t i c a l i n - s i r es t r e s sw a sl i n e a r r e l a t i o n s h i p 、) l ，i t ht h ed e p t ha n dw a su n r e l a t e d 、航t l lt h e s e l f - w e i g h t s t i c s s n c o q u a t i o n o fl i n e a r r e g r e s s i o n o fv e r t i c a ls 灯c s sw a s o - 一2 7 7 + 0 0 8 h ( 4 ) c o m p 瑟c d 诵t ht h ea c t u a lm e a s u r e m e n ta n dk a i s e r e f f e c ts l r e s s ，t h es t r e s so fa e m e t h o dw a sl e s st h a nt h ea c t u a li n - s t i us t r e s s t h i sw a sd u et ot h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s tc a l ln o tn 终t ”ct h eo n g i n a ls t r e s se n v i r o n m e n ta n dt h i sk i n do fd i f f e r e n c ew a sm o r e s e r i o u s 丽t ht h ed e p t h ( 5 ) t h cr o c k b u r s tt e n d e n c yo fd i f f e r e n td e p t ha n dr o c kt y p ew e r ea n a l y z e db yt h e r e s u l to ft e s t 1 1 1 er 豁- u l t ss h o w nt h a tr o c k b u r s tp r o n e n e s sw a sm o r es e r i o u sb d o wt h e l e v e lo f 6 4 7 k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ；k a i s e re f f e c t ；i n - s i t us t r e s s ；r o c k b u r s t u ki 、r j 、 ，驺略：，- 0，1 东北大学硕士论文 目录 目录 摘要i a t ) s t r a c t 。i i 第1 章 绪论一1 1 1 研究的目的和意义一l 1 2 研究背景一1 1 3 本文的内容和主要方法一4 第2 章原岩应力场厶一5 2 1 原岩应力场的概念及影响因素5 2 2 原岩应力场的组成及成因- 5 一 2 3 原岩应力场的基本规律- 7 2 4 原岩应力的测量方法一8 第3 章岩石k a i s e r 效应实验1 0 3 1k a i s e r 效应的基本原理- 1 0 一 3 2 岩石k a i s e r 效应实验1 1 - 3 2 1 试验样品1 1 - 3 2 2 试验设备- 1 1 3 3 小结- 1 6 一 第4 章红透山岩样k a i s e r 效应实验1 7 4 1 红透山铜矿简介一1 7 - 4 2k a i s 贫效应测定原岩应力的理论前提一2 0 一 。4 3 实验方法2 2 4 4 试样的制备一2 3 一 、4 5 实验过程- 2 4 4 6k a i $ c r 效应点的确定- 2 5 4 7 实验结果一2 8 4 8 数据处理结果- 3 8 4 9 实验结果讨论4 0 4 1 0 小结4 5 东北大学硕士论文目录 第5 章红透山岩爆倾向性分析4 6 5 1 引言4 6 5 2 岩爆的表现形式4 6 5 3 岩爆发生的条件4 7 5 4 岩爆的机制及预测- 4 9 5 5 红透山岩爆的现状一5 3 5 6 红透山岩爆倾向性分析- 5 4 第6 章结论5 9 参考文献6 1 附录6 4 致谢：6 6 -分 vp 1 。 - 、 、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 是由于在外力或内应力作用下，脆性材 料内部的裂纹在形成、扩展时应变能释放而产生弹性波的现象【l 】。声发射除来源于 微裂纹的形成外，还来源于亚临界裂纹的生长、晶体的位错运动、晶体间的滑移、 弹性和塑性变形、裂纹间的摩擦作用等。对于大多数材料来说，声发射信号的强度 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【2 】。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它力学参数的关系，对于认识和理解岩石受载的 应力历史有很大帮助。 在影响地下矿床开采稳定性的因素中，原岩应力是比较重要的因素之一。只有 充分了解具体工程区域的原岩应力分布条件，才能准确合理的确定矿山的总体布 局、选取适当的采矿方法、确定巷道和采场的最佳断面尺寸、回采与开挖步骤及支 护形式、支护时间等。因此对于原岩应力场的研究已受到国内外学者的高度重视。 尤其随着采矿向深部发展，原岩应力场的分布规律与浅部有着明显的不同。为此， 本文运用a e 的方法研究深部原岩应力的分布状况，对于确保安全，获取较高的经 济效益具有十分重要的意义。 1 2 研究背景 ( 1 ) 声发射技术研究现状 现代声发射的研究起源于1 9 5 0 年的“k a i s e r 效应 ，此后，世界各地开始了对 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 声发射的研究。5 0 年代后期，声发射研究工作的重点在美国，并且历史上也是美国 最早将声发射技术应用于工程，主要是用于煤炭行业。在煤矿开采时，将该技术用 于对煤层顶板、采煤工作面以及煤矿柱的监测，当其有发生破坏的征兆时立即提出 报警，以确保安全。这项工作最早是由o b e r t t 3 1 发起，此后，o b c r t 和d u v a l l t 卅在美 国，h o d g s o n t 5 - 6 在加拿大都把声发射技术应用于实际工程中并取得了较好的效果， 随后在美国出现了声发射技术的研究高潮。1 9 5 4 年，s c h o f i e l d l 开始实施在材料工 程领域应用声发射技术的研究计划，主要目的是要证实k a i s e r 的发现和测定声发射 源。通过广泛的调查，他得出了一个重要的结论：声发射主要来自于体效应， 而不是“面效应。1 9 5 7 年，t a t r o 和s c h o f i e l d 8 】开始合作，主要研究：( 1 ) 产生声 发射的物理机理；( 2 ) 把声发射作为一种工具来研究某些工程材料性质的复杂问题。 1 9 6 3 年，d u n e g a n t 9 】开始研究把声发射技术应用于压力容器检测。并于1 9 6 9 年， d u n e g a n 和k n a u s s 组建了第一家专门生产声发射仪器的公司。7 0 年代，声发射技 术的发展热潮传到了日本，后来，欧洲的许多国家也开始相应开展了声发射技术的 研究工作【1 1 。 我国对声发射技术的研究起始于2 0 世纪7 0 年代，其特点是首先着眼于便携式 声发射仪的现场应用。李典文、杜增林等人于1 9 8 1 1 9 8 4 年分别在北京矿务局门头 沟矿和开滦矿务局的唐山矿利用波兰s a k - 3 和s y l o k 声发射监测系统对冲击地压 进行研究，并多次成功预报了冲击地压的来临。8 0 年代，随电子元件集成化和计算 机技术的发展，国内声发射仪的研制发展也很快。长沙矿山研究院，北京矿冶研究 总院，武汉安全环保研究院等科研单位相继对一系列的声发射仪进行了研制或改 进。例如长沙矿山研究院“七五 期间研制的8 通道s d l - i 型声发射定位监测系统， s t l 1 2 型声发射监测系统，以及用于单点检测的d y f 1 和d y f 2 型智能声波监测 多用仪。这些仪器经多年在云锡公司矿山、金川公司矿山、白银公司矿山、凡口铅 锌矿、锡矿山、三山岛金矿等许多矿山进行声发射监测，取得了良好的效果【l 】。 在理论方面国内一些学者也做了有益的研究，陈忠辉、唐春安等人对三维应力 状态下岩石快速加卸围压对声发射的影响进行了理论探讨，他们还利用统计损伤模 型对岩石声发射k a i s e r 效应机制进行研究，建立了声发射数和岩石微元强度统计分 布之间的定量关系，推导出了单轴应力状态下的k a i s e r 效应表达式【1 0 1 。吴刚、赵震 洋对不同应力状态下岩石类材料破坏的声发射特性进行了研究，揭示了在工程卸荷 作用下岩石类材料的声发射特性【l l 】。唐绍辉对岩石声发射活动的时空分布规律和活 2 。譬 vp ，_ 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 动模式进行了分析和探讨，为正确利用现场监测到的声发射信息进行岩体稳定性预 测预报提供了理论依据。曹庆林、傅鹤林、唐绍辉分别对采场冒顶灾害的声发射预 测预报理论进行了研究，提出用灰色理论、分形理论研究采场冒顶灾害，并用之于 现场，取得了较好的效果【1 2 1 4 1 。 ( 2 ) 原岩应力测量技术的研究现状 岩体是预应力体，研究岩体中的应力状态是岩体力学中的重要课题之一。人们 对原岩应力的认识起源于约一个世纪以前，1 9 0 5 一1 9 1 2 年瑞士地质学家海姆( h e i m ) 在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了原岩应力的概念，认 为岩体中存在应力蓄存，并处于近似静水压力状态，即地壳岩体中任意一点各个方 向的应力均相等，大小等于其单位面积上覆岩体的自重饵0 为岩体的比重，h 为 所处深度) 。1 9 2 6 年苏联学者金尼克依据弹性理论，假定岩体是均匀的、连续的弹 性介质，提出地壳中各点的垂直应力等于上覆岩体的自重阿一，而侧向应力( 水平 应力) 等于町h ( 1 由的假说( 侧向压力理论，“为泊松比) ，修i e t 海姆的静水压力 理论。2 0 世纪5 0 年代，瑞典学者哈斯特( n h a s t ) 研制出了压磁式应力计，于1 9 5 2 1 9 5 3 年在斯堪的那维亚半岛的4 个矿区利用钻孔测量了浅层原岩应力，发现实测水 平应力普遍比垂直应力高得多，从而从根本上动摇了静水压力理论和侧向压力理 论。此后，许多国家相继开展了各种在钻孔中测试原岩应力的测量方法。1 9 7 8 年， 布朗( e t b r o w l l ) 和胡克( e h o c k ) 对世界各地的原岩应力测量资料进行了研究 表明【1 5 , 1 6 ，在深度为2 5 - - 2 7 0 0 m 的范围内，垂直应力嘶随深度与岩体比重呈线性 关系，约为o v a 0 0 2 7 h ；在大多数地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面 内，水平主应力均值与垂直应力的比值随埋深呈非线性变化。1 9 8 2 年w r m c c u t c h e n 将地球视为理想球体，按球对称问题提出了另一种原岩应力假说，对 e t b r o w n 和e h o c k 获得的全球原岩应力测量数据的统计结果给出了比较合理的解 释0 7 1 。1 9 9 4 年p r s h e o r e y 提出了一个静弹性热应力模型来估算原岩应力大小，该 模型考虑了地壳曲率和岩层的弹性参数、密度和热膨胀系数的变化【l 引。 我国的原岩应力测量工作是在李四光教授的倡导下于上世纪六十年代初期开 展起来的岩体表面应力测量。最初由国家地震局地壳应力研究所与地质科学院地质 力学研究所联合从瑞典引进哈斯特压磁应力计。7 0 年代用钻孔孔底应力解除技术和 套孔技术对金川矿区岩体三维原岩应力状态进行了成功的测量，8 0 年代引进了水压 致裂测量技术，并在华北等地的油田区进行了大量的深孔应力测量。1 9 8 1 年，我国 气 东北大学硕士学位论文第一章绪论 原水利电力部颁发的水利水电工程岩石试验规程( 试行) 中规定了原岩应力测 试工作。目前，我国的原岩应力测量广泛分布在地震研究、水利水电、采矿、油田、 铁道、公路、土木建筑等工程领域，其中以前三个领域居多1 6 1 。 1 3 本文的内容和主要方法 本文拟采用岩石声发射实验方法，应用k a i s e r 效应理论，对红透山铜矿深部岩 体原岩应力分布进行了分析，开展如下内容的研究：( 1 ) 在相关文献基础上，对岩 体原岩应力场进行的综述；( 2 ) 对从现场( 抚顺红透山铜矿- 4 6 7 8 2 7 水平) 取回 的岩石试样( 黑云母石英片麻岩、辉绿岩等) 分别采用相同加载方式使其破坏，加 载的同时使用声发射系统( h u s ) 监测a e 信号；( 3 ) 根据k a i s e r 效应理论，求出岩样 破坏过程中声发射事件的分布序列、结合加载过程中的应力变化规律，综合分析各 参数的相互关系，总结出岩样破坏过程中k a i s e r 效应点，以尝试a e 方法在深部高 构造应力情况下，在垂直方向上的应力“记忆 的规律及其影响因素。( 4 ) 根据原 岩应力分布规律，分析红透山铜矿深部矿岩体的岩爆倾向性。 东北大学硕士论文亮2 章豫若矗力场 第2 章原岩应力场 2 1 原岩应力场的概念及影响因素 未经采掘而又不受采动影响的岩体称为原岩，原岩处于自然应力平衡状态，这 种自然应力叫原岩应力( 或称初始应力，天然应力和地应力) 。原岩应力在空间的 分布状态称为原岩应力场。在各种原岩应力场环境下的岩石应力条件对于大型地下 工程的合理设计和安全运行是非常重要的，原岩应力场是工程建设过程中值得研究 的重要课题。产生原岩应力的原因十分复杂，也是至今尚不十分清楚的问题。近2 0 年来的研究表明，原岩应力场受下列因素的影响： ( 1 ) 岩石的组成、厚度、岩性变化和物理力学性质。构成岩体的岩石具有不 同的弹性性质，如在坚实的变质程度不一或沉积岩层中，含有弹性或挠性的岩层时， 会出现应力集中，而在接触带内会出现应力下降，影响原岩应力场的应力状态； ( 2 ) 岩体的结构特征，如褶皱、断层、裂隙等的空间分布，因结构体的接触 条件和相互作用，将对附近岩体的应力状态产生影响； ( 3 ) 地形条件。区域地形与切割程度( 山峰与山谷) 会使应力分布发生一些 异常现象。 上面所列的三种因素为地质环境对原岩应力场影响，表现为固定的到处存在 的；另外还有一些如地下水、瓦斯作用、人类生产活动等因素则表现为地区的，往 往具有局部的影响，但有时影响很大【1 9 1 。 2 2 原岩应力场的组成及成因 从当前对原岩应力场的了解认为，原岩应力由以下几个作用力结合形成的：重 力( 岩石重量) 、构造力、动水压力、温度应力和结晶力等。但在具体情况下，构 成原岩应力场的各种力的比例是很不相同的。通常是重力和构造力占优势，即在当 前我国矿山的开采深度，原岩应力可以认为是由重力和构造力组成的【1 9 , 2 0 1 。 ( 1 ) 岩体自重应力场【1 9 2 0 1 地壳内任一点在重力场的作用下，上覆岩体自重引起的应力叫自重应力，它在 东北大学硕士论文第2 章豫老旺力场 空间的分布状态称为自重应力场。自重应力场是原岩应力场中唯一一个可以进行精 确计算的应力场。 岩体自重应力理论，是建立在把岩体看做是均质各向同性弹性体的基础上。因 此，可应用连续介质力学原理来研究岩体的自重应力场。距地面深度为h 的一点m ( 图2 一1 ) 的应力，应用连续介质力学来建立它们关系及计算它们的数值。应用三 维平衡方程及物理方程求解该处各应力分量吼、o v 、龟。 y i i l 群 imu z 图2 1 自重应力计算图 f i g 2 1s e l f - w e i g h ts t r e s s 于是距地面h 深处岩体内应力状态表达示为： x 吒= q = 南矿 仃：= y 。h ( 2 1 ) 式中丫a 广上覆岩体的平均容重。 上面导出的应力值，是按地面为水平面计算的，没有考虑地表地形条件及岩体 中地质构造。根据模拟实验及有限元计算得知，岩体内自重应力分布受它们的影响 较大【1 9 捌。 ( 2 ) 岩体构造应力场【1 9 , 2 0 l 从地面岩石分布看，沉积岩约占7 7 ，而岩浆岩及变质岩仅占2 3 ，沉积岩在 建造之初呈水平，可是今天在野外看到的沉积岩则具有各种产状。这说明岩层在建 造之后，在漫长的地质年代里，不断历经各种地质运动的改造。这种在地壳中存在 的促使地壳发生变动的力称为构造力。构造应力在空间的分布状态称为构造应力 场。 构造应力场的形成一直倍受关注，并在很早以前就对他进行了研究。根据目前 东北大学硕士论文第2 章原岩应力场 掌握的地质勘探手段查明，在地壳上层地质构造形迹强烈，下层则逐渐平缓，再向 下就逐渐消失。这说明构造受水平方向的挤压产生。对构造应力的成因，目前一直 没有达成共识。地质地学认为是地球自转速度变化的结果，大地构造学说则认为是 由于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的。根据最近的板块理论及地球物理 测试资料表明，在地壳内引起构造应力的主要原因，是板块边界作用力以及与地表 地形起伏引起的与负载有关的应力。 板块边界力赋存于地幔上部的地壳，分割成若干个部份称为板块。板块能 够运动，自然存在着驱动力和阻力以及他们之间的相对动态平衡。作用在板块上的 驱动力有三种：( 1 ) 洋脊推力，作用在洋脊顶部，造成板块分开并对相邻板块形成 侧向压力；( 2 ) 板块牵引力，作用在聚拢板块边缘的潜没板上：( 3 ) 海沟吸引力，这 是一种较小的张力，可以认为是海沟下方缺少支撑造成的。 负载力由地表地形所造成的岩石圈负载。岩石圈厚度不均一或其内部侧向 密度变化可形成重力异常，规模大时可出现均衡补偿作用引起构造力。就我国目前 已有资料分析看出，均衡补偿及其所派生的作用，对区域构造应力的影响是明显的。 由卫星所测定的中国及其邻区的自由一空气重力异常图，与根据浅源强震资料所求 得的中国现代构造应力场的最大主应力方向迹线基本一致。 2 3 原岩应力场的基本规律 由于原岩应力分布的非均匀性，以及地质、地形、构造和岩石力学性质等方面 的差别，使得我们在概括原岩应力状态及其变化规律方面较为困难。从目前现有实 测资料来看，岩体的原岩应力值是空间与时间的函数，在3 0 0 0 m 以内浅层地壳原岩 应力的变化规律，大致可归纳为如下几点【1 9 , 2 0 l ： 区域初始应力场有一致性，而区域内局部地点的初始应力又有很大差别， 这种差别主要是地质因素造成的。 存在于地表浅层的初始应力，是三个主应力不等的空间应力场。据国内外 大量研究表明，原岩应力绝大多数是压应力，拉应力只在个别情况下存在。 初始应力场的垂直分量并非与地表水平面垂直且应力值大多不等于上覆岩 体自重。国内外大量实测资料表明，垂直应力分量与地表水平面垂线多数有1 0 。左 右的偏角，并且实测的垂直应力s v 普遍大于上覆岩体自重的垂直应力7 h 。若用 东北大学硕士论文第2 章原岩应力场 h = s 。竹h ，在我国，k 1 2 的占6 5 以上， 最大的为2 0 。根据前苏联资料的表明【2 1 1 ，h 1 2 的占7 3 ，个别最大的高达3 7 ，这些统计资料的最大深度为9 1 5 m ，结果与我国的 统计资料大致相当。 水平应力分量并非与水平面平行且有强烈的方向性，水平应力值普遍大于 垂直应力值。根据我国的实测资料，水平应力分量8 h 与水平面呈l o 。至2 5 。的倾 角。最大水平主应力s l - l r a 缸与垂直应力s v 的比值一般为0 5 - - 5 5 ，大多数情况下 2 。 最大水平应力8 l - l m a x 与最小水平应力$ l - i m i a 的比值一般为1 4 - 3 3 。就岩体中一点的 三向应力状态而言，垂直应力在多数情况下是最小应力，少数情况下为中间应力， 只在个别情况下为最大应力。 2 4 原岩应力的测量方法 近3 0 年来，随着原岩应力场理论研究的深入和大开水电、土木工程的需要， 现场测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪器也不断发展起来。就目前而言， 具体的方法有几十种之多，对测量方法的分类也一直没有统一的标准。有人根据测 量手段的不同，将在实际测量中使用过的测量方法分为五大类，即：构造法、变形 法、电磁法、地震法、放射性法等。也有人根据测量原理的不同分为应力恢复法、 应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、x 射线法、重力 法等八类。还有人根据原岩应力测量的目的分为绝对原岩应力测量法与相对原岩应 力测量法。蔡美峰等( 1 9 9 5 年) 依据测量基本原理的不同，将测量方法分为直接法 和间接法两大类【1 6 】： 直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应 力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。 在计算过程中并不涉及不同物理量的相互换算，不需要知道岩石的物理力学性质和 应力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法是实际测 量中较为广泛应用的四种直接测量法。 在间接测量法中，不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些媒介， 测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变， 岩体的密度、渗透性、吸水性、电磁、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化 东北大学硕士论文 第2 章原岩应力场 等，然后由测得的间接物理量的变化，通过己知的公式计算出岩体中的应力值。因 此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以 及所测物理量和应力的相互关系等【1 酿1 - 2 3 1 。 目前，大多数的原岩应力直接测量方法需要在现场进行，设备庞大、过程繁杂、 成本高昂、费工费时；间接测量的方法需要测定或估计相关的参数，目前尚有许多 关键技术问题有待突破。而通过声发射的方法测量原岩应力是目前能够在实验室进 行的简便方法，与其它各种原岩应力现场测量方法相比，声发射方法具有测量成本 低，方法简便、快捷，不受现场条件限制等突出优点，因此特别适用于矿山工程优 化设计、地下建筑物选址、水坝、穿山隧道等工程的原岩应力测量，在岩石力学及 工程领域中具有广阔的应用前景。 但是，对k a i s e r 效应测试技术，目前并没有统一的标准。关于原岩应力场测 量技术的详细论述请参阅文献【1 6 ，2 1 2 4 。 东北大学硕士学位论文第3 章岩石k a i s e r 效应实验 第3 章岩石k a i s e r 效应实验 声发射技术的一个重要应用就是k a i s e r 效应，该项研究起源于1 9 5 0 年，德国 学者j o s e p hk a i s e r 在他的博士论文中，应用常规工程材料拉伸实验的方法研究了： ( 1 ) 试样内产生了什么样的噪音；( 2 ) 涉及到的声学过程；( 3 ) 频率状况；( 4 ) 应力 应变曲线和试样承受不同应力时频率的关系。实验过程中他发现了声发射的不可逆 现象，即材料在单向拉伸未达到它受过的先期应力值时，没有明显的声发射作用发 生，但当其达到或超过先期应力值时，就会产生声发射，这就是“k a i s e r 效应 。同 时，他还得出了如下结论：声发射的产生起因于多晶体材料颗粒的相互摩擦和颗粒 的断裂。他的工作促进了世界各国对声发射技术的进一步研究【1 1 。 3 1k a i s e r 效应的基本原理 岩石产生声发射现象的实质是来源于其内部缺陷的受力扩张，而岩石的每一次 受力，都会使其内部组织结构产生与受力大小及方向相适应的破裂系统，在构造力 学上把这种显微裂纹称为格里菲斯裂纹( c r n m t hm i c r of a e t u r e ) 。当岩体受力时，如 果受力小于先期产生裂纹的力，则先期形成的裂纹或缺陷不会进一步破裂，因此也 就无声发射现象产生，一旦受力达到或超过先期应力，则先期产生的裂纹或缺陷将 进一步扩展，声发射作用随之产生，这就是岩石的k a i s e r 效应。 此时的应力值，代表了先期裂纹形成时的古应力值，这也就是k a i s e r 效应对古 应力强度的记忆。这里应该指出的是，由于材料产生声发射意味着损伤，损伤是不 。 可逆的，变形增加伴随着微元的破裂，即使变形复原或完全卸载，那些已破裂微元 的强度是不可恢复的。岩石对先前应力环境的“记忆 ，是通过对岩石自身受到的 损伤程度来实现的。因此只有当应力环境对岩石产生新的损伤时，才会有k a i s e r 效 - 应现象产生。从理论上讲，k a i s e r 效应并不能把岩石每一次破裂变形时的所经历的 奸 应力强度都“记忆 下来，它只是“记忆 其中最高应力场强度。例如：如果岩石 遭受某一应力场的强度高于之前的受力强度，则不仅形成新的裂纹，同时以前的应 力“记忆 随着微裂纹的扩展而被抹掉。 关于声发射k a i s e r 效应的原理和前人的研究过程，笔者不再赘述，详细描述请 东北大学硕士学位论文 第3 章岩石k a i s e r 效应实验 阅读文献 1 ，2 4 3 4 。 3 2 岩石k a i s e r 效应实验 岩石k a i s e r 效应是对先前所承受过的最大应力的“记忆一，为了验证岩石的 k a i s e r 效应现象及其对应力“记忆的准确程度，对一个试件进行循环加载试验。 3 2 1 试验样品 实验所选用的试件为细粒花岗岩，规格为1 5 0 x 1 5 0 1 5 0 m m ，具体参数见表3 1 。 试样进行了端部处理，四边与传感器控头接触的部位磨平，以保证与传感器接触良 好。 表3 1 花岗岩的物理力学性质 t a b l e3 1p h y s i c a la n dm e c h a n i c sc h a r a c t e ro fg r a n i t e 3 2 2 试验设备 ( 1 ) 声发射监测系统【3 5 3 6 】 实验采用的声发射仪器是由加拿大e s g 生产的h y p e r i o n 超声波系统 ( h y p e r i o nu l t r a s o n i cs y s t e m ，h u s ) ，该设备是多通道超声波采集处理系统，能够 实时采集声发射事件，并记录事件的波形，然后通过内置a d 转换卡转换成数字信 号存进计算机硬盘。随机携带的后处理程序，可以计算出事件的位置和主要参数( 发 生时间、瞬间震级、能量、最大振幅等) 并存入数据库。该设备包括主机和外围设 备，主机设备的主要参数如下： 响应频率范围：3 0 z 2 姗z ； 通道数目：8 采集卡，最多3 2 通道； 采集卡数目：1 个，最多4 个； 触发方法：( a ) 通道触发：可调电压门槛值( m v ) ； ( b ) 设备采集工作触发：同时被触发的通道数目； 东北大学硕士学位论文 第3 章岩石k a i s e r 效应实验 放大器：0 2 0 d b 自动调整； 接口：i s a 总路线p c 机接口； 采集和处理软件：e s g sh y p e r i o ns o f t w a r e ，基于w i n d o w s 操作系统； 采样频率：5 0 0 k h z - - - 1 0 m h z 。 外围设备主要有：n a n 0 3 0 型传感器，响应频率范围为1 2 5 7 5 0 k h z ；1 2 2 0 a a s t 型前置放大器，增益为4 0 d b 或6 0 d b ( 可调) ，并有2 0 h z 的高通滤波功能。 ( a ) 主机 ( a ) w h o l es y s t e m ( b ) 放大器 ( b ) p r e - a m p l i f i c r ( c ) 传感器 ( c ) s e n s o r s 图3 1 声发射监测设备 f i g 。3 1a em o n i t o r i n gi n s t r u m e a t s ( 2 ) 实验系统 实验中用到的其他主要设备有n y l - 5 0 0 型压力机( 最大加载能力5 0 0 t ) ，动 态应变仪，波速测量仪。另外还有游标卡尺、天平、耦合剂、橡胶垫片等常用的工 具。 a e 监测分析系统 图3 2 岩石声发射实验系统示意图 f i g 3 2a r r a n g e m e n to f e x l x r i m c n t a li n s t r u m e n t s 1 2 一， 东北大学硕士学位论文 笫3 章岩石k a i s e r 效应实验 图3 3 实验系统照片 f i g 3 3p h o t oo fe x p e r i m e n t a ls y s t e m ( 3 ) 实验过程 一 实验中采用8 个通道采集数据，根据实验室内环境的噪声水平和以往的经验， 传感器的触发阈值设为1 0 0 m v ，前置放大器增益设为4 0 d b ，设备采样频率设为 i m h z 。 在传感器与试样表面之间涂适量黄油作为耦合剂，8 个传感器尽量分开布置， 以尽可能包围住最大的试样体积为原则。传感器与试样加载两端应留约2 0 m m 的距 离，以减小加载过程中压力机的干扰。在试样两端与压力机压头之间分别垫0 5 r a m 厚的橡胶片以减少压头与试样的摩擦对a e 信号产生的干扰。加载前安装好荷载和 位移传感器，由动态数字采集仪采集荷载数据。 准备工作完成后，同时启动加载系统，声发射监测设备，动态数字采集仪。加 载速率控制在0 0 0 2 m m s 左右，实验过程中保持加载速率不变。实验过程中，每5 0 k n 所一次记录，记录的内容为当时的荷载和对应的a e 事件总数，实验中每次记录间 隔的应力增量为2 2 2 m p a 。第一次加载到3 0 0 k n ( 1 3 3 3 m p a ) ，然后完全卸载。第 二次加载到6 0 0 k n ( 2 6 6 6 m p a ) ，同样完全卸载。第三次加载到8 5 0 k n ( 3 7 7 8 m p a ) ， 加载过程中载荷与所对应的a e 事件累计数见表3 2 、3 3 、3 4 。 表3 2 第一次加载的荷载与a e 事件数 t a b l e3 2l o a d i n ga n da ee v e n t so ff i r s tl o a d i n g 东北大学硕士学位论文 第3 章岩石k a i s e r 效应实验 表3 5 第三次加载的荷载与a e 事件数 t a b l e3 5l o a d i n ga n da ee v e n t so ft h i r dl o a d i n g ( 4 ) k a i s e r 效应验证结果 由实验结果可以看出，第一次加载到3 0 0 k n 时，试件中产生7 4 3 个a e 事件， 加载过程中a e 事件随荷载持续增加，荷载一a e 事件如图3 4 所示。第二次加载到 6 0 0 k n ，加载前a e 事件数为7 5 2 个( 中间的9 个事件是卸载期间产生的) ，在加载 到2 5 0 k n 时a e 事件数为7 5 8 个，递增6 ，速率均匀，变化很小。加载到3 0 0 k n ， a e 事件数突然增加，达7 7 5 个，递增2 3 ，此后a e 事件持续增加，到6 0 0 k n 时递 增2 9 8 个。荷载一a e 事件如图3 5 所示，可以明显的看出3 0 0 k n 对应的k a i s e r 效 应点。图3 6 为第三次加载的荷载一a e 事件图，同样可以清楚的看到6 0 0 k n 对应 力的k a i s e r 效应现象。 东北大学硕士学位论文 第3 章岩石k a i s e r 效应实验 o- 2 0 0瑚姗 l o a d k n 图3 4 第一次加载的k a i s e r 效应曲线 f i g 3 4k a i s e re f f e c tc u r v eo ff i r s tl o a d i n g o1 0 0m枷枷m l o a d k n 图3 5 第二次加载的k a i s e r 效应曲线 f i g 3 5k a i s e re f f e c tc u t v co fs e c o n dl o a d n i g l o a d k n 图3 6 第三次加载的k a i s e r 效应曲线 f i g 3 6k a i s e re f f e c tc u r v eo f t h i r dl o a d i n g 0 (