有关水对深部花岗岩巷道岩爆声发射实验研究的毕业论文.docx

有关水对深部花岗岩巷道岩爆声发射实验研究的毕业论文目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1选题背景与研究意义11.2国内外研究现状21.2.1岩爆研究现状21.2.2国内外声发射技术研究现状31.3 本文的研究内容和思路51.3.1 研究内容61.3.2 研究思路6第二章 声发射的试验原理72.1 声发射测试技术基本原理72.2 声发射的产生72.3 影响声发射特征的因素82.4 声发射检测仪器的组成82.5 声发射信号分析92.5.1 声发射信号类型92.5.2 声发射信号特征参数9第三章 花岗岩岩爆模拟实验133.1实验方案133.2 试样制取设备133.3 试验样品的选取与加工163.4 试样处理173.5 实验设备173.6 不同含水花岗岩岩爆声发射实验193.7 本章小结21第四章 实验结果及分析224.1 岩爆实验现象及破坏分析224.2 实验过程中力学特性分析234.3 实验过程中声发射特性分析254.3.1 声发射事件率分析254.3.2 声发射绝对能率分析284.4 本章小结31第五章 总结和展望325.1 总结325.2 展望32参考文献34谢 辞37第一章 绪论1.1 选题背景与研究意义近几十年来，我国经济持续高速发展状态。而经济的发展不开能源和矿产资源的强有力支撑,而地下开采方式是目前我国获得多种能源资源与矿产资源的重要途径。随着浅部资源的逐渐减少和枯竭,地下开采陆续转入深部开采,向深部资源进军就成为一种必然趋势1-2。然而深部开采必然面临着各种问题，岩爆是其中最重要的一项。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3。影响岩爆的因素众多，而水是其中最重要的一项。因为水对岩石的物理、化学和力学等作用，均对岩体的强度、变形和破坏等起到了不可忽视的影响，这使得岩石的力学特性表现出各向异性、非均质性以及强度变化特性等。大多数情况下水对岩体的侵蚀破坏是从岩体介质初始结构面开始的，然后贯穿整个岩体，从而影响岩体的破裂方式和破裂形态。大量工程实践中岩石的含水率并未达到饱和状态,而国内外大量的岩爆研究都是基于岩石在干燥、饱和状态下的开展的,而对不饱和状态下岩石的岩爆的研究相对较少。因此研究不同含水条件对岩爆的影响,对我们更好的研究岩石岩爆特征提供着一定的理论依据,对工程建设和岩爆理论研究的开展都能起到很好的参考价值。岩石变形和声发射往往是工程岩体由稳定到不稳定直至破坏的先兆。为此，人们在实验室和现场对岩石力学性质做了大量试验测试及分析，以便了解在岩石破坏之前其力学和物理性质的变化。然而，因岩石力学性质参量的测量十分困难，加上影响岩石力学性质的环境因素较多，增加了测试结果的不确定性。为了克服只测岩石力学性质参量的不足，常常利用声发射测试技术在测试岩石力学参量的同时测试岩石的声发射特征4。声发射测试技术是靠岩石发声来探测其内部状态和力学特性的一种实验方法。当岩石受力变形时，岩石中原有的或新产生的裂隙周围应力集中，应变能较高，当外力增加到一定大小时，有裂缝缺陷部位会发生微观屈服或变形，裂缝扩展，从而使得应力松弛，贮藏的部分能量将以弹性波的形式释放出来，这就是声发射现象5-6。由此可知，声发射是在岩石受力和发生变形过程中产生的，可以根据岩石声发射的多少、大小、频率等参数了解到岩石的变形破坏过程。本文采选用深部巷道花岗岩进行不同含水条件下双轴模拟实验，并同步收集声发射、力学等参数，进行综合比较分析，寻找其中的规律，从而为岩爆监测提供研究基础和技术手段。1.2国内外研究现状1.2.1 岩爆研究现状近一个世纪以来，中外学者在岩爆机理、岩爆预测及防治等方面进行了大量的研究，但由于岩爆的复杂性，岩爆的理论研究进展缓慢。在我国，岩爆研究工作起步较晚，且多停留在观察、描述阶段，和国外相比更为滞后。国际上，南非在岩爆的理论研究、预测、预防等方面积累了丰富的经验和资料，建立了较为完整的理论体系，是目前世界上岩爆研究最先进的国家之一。自20世纪70年代后期，中外岩爆研究进入一个新的发展阶段，多次专门召开岩爆问题的国际学术会议，交流和积累了许多有价值的研究资料及有关岩爆预测、控制和防治的实践成果。归纳起来主要有岩爆发生条件、形成机理、岩爆各种预测、监测措施等。水对岩石产生物理、化学及力学作用可从微细观上改变岩石的结构，水对岩石有软化作用，使其产生孔隙、溶洞及溶蚀裂隙等，增加其孔隙度，影响其渗透率和孔隙压力，进而改变其强度和刚度等宏观力学性质。因此岩石在与水之后弹性能减弱，在地应力作用下不易发生岩爆国内外一些学者通过室内不同含水状态下岩石的单轴剪切、单轴压缩及三轴压缩试验并结合声波测试结果证实，随着饱和度的增加，岩石各项力学性能指标都发生了不同程度的降低。这类试验多数只是简单的数据处理，部分作者对水-岩作用机理进行了探讨。李昌友7等人对风化板岩进行不同含水率条件下的崩解特性试验研究,证实了矿物的水理性强弱与含水率的变化交替程度有关,一般保持在天然含水率状态下浸水的矿岩,其水理性显现程度较小,而干燥失水作用的矿岩再浸水后,其水理性变得极其强烈。赵忠波8进行了干燥及含水率为7%的板岩的抗拉、抗压和抗剪试验,证实了板岩在干燥状态下抗压强度为80MPa,含水状态下为45MPa,强度下降了57%左右,水对岩石具有弱化作用,其主要原因是板岩层面相对光滑,粗糖度小,试验工程中形成的相对薄层粉末减小了摩擦力,破坏是沿层面产生的。彭曙光9等对金川四种不同岩性试样进行了饱水状态下的抗压试验,采用数值分析方法总结出含水率与单轴抗压强度的拟合关系,证实了该区域矿岩遇水软化,岩石抗压强度降低,岩石破坏时不属于脆性破坏谢和平10等利用软化系数来阐述岩石强度的变化,岩石的干抗压强度明显高于湿抗压强度,软化作用很显著,不同的岩石的软化系数不同,软化系数一般在0.50-0.75之间。岩石遇水后软化系数较小的其强度大幅度下降。这些研究大多只针对了软岩、及某些硬质岩石在天然、干燥及饱和作用下其力学强度及参数与含水率变换关系的研究,对于岩石各个不同吸水时间状态下的岩石的力学特性的研究相对比较少,尤其是硬质岩石。1.2.2国内外声发射技术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50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；60年代初期，Mogi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11；70年代，Hardy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;80年代，一些日本学者对岩石的声发射特征、岩石的KaiSer效应等进行了一系列的室内试验研究；HolComb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12。90年代，Rao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13；Lockner讨论了声发射技术应用于岩石破坏机理方面的研究作用，Cox等对岩石微破裂和软化过程中声发射的现象做了研究，Rudajev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14。Pestman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15。到了20世纪后期，Dai对岩石材料的损伤与其声发射特征之间的关系，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16。近年来,随着现代声发射仪器的发展，Tham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。Ganne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17。声发射技术在20世纪70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，陈颖是国内较早地开展岩石声发射特征室内试验研究的学者18；他于1987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19；90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20-21；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22；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23。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24；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25；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26；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27；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28；赵兴东应用声发射定位技术对不同岩样破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29；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；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；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；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间的关系30。一些学者着重研究了声发射信号的分析,v.Rudajev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。降川、刘新平、刘英、陈颖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31；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32；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34；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；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35。虽然岩石声发射技术在工程实际中得到了非常广泛的应用，并且取得了卓越的成绩，能够达到预期的效果并取得准确的结果，有着其他检测手段无法比拟的优势与特点，但是声发射技术在以下几个方面还存在很多问题需要研究解决，首先，在理论上，岩石声发射技术是公认的理论研究落后于工程实际的学科之一，无论是对声发射的产生机理，声发射波传播过程中的衰减、吸收与岩石中的各类缺陷的相互作用对声发射波的影响，还是对声发射信息承载特性、物理力学特性的研究与分析，由于缺乏坚实的理论基础和研究方法，目前大多数只停留在现象分析和定性分析上，仍未脱离经验式的现状，并且现有的一些基础理论，都不能对声发射信号的真实性进行较好的描述。这就导致了声发射信号数据同其他参数之间建立起相关的联系方面缺乏相应的理论基础。然后，在仪器方面，由于绝大部分岩土工程都是在极其糟糕的环境中进行施工，声发射仪器在这种环境条件下受到外界因素的影响不能得到准确的测量结果。还有，声发射信号具有复杂多变的特性，对于不同材料或同种材料在不同条件下所发出的声发射信号性能变化较大，各种相关参数的差异也是很大的。所以，需要更加深入、系统的研究不同岩石的声发射特征。经过了几十年的发展，声发射检测技术还没有制定相关的标准和规范，技术人员都是通过自身经验进行研究分析，各项研究差异性很大，为了更好地研究和推广声发射这门技术，制定出世界通用的相关规范，为工程应用统一标准。1.3 本文的研究内容和思路本文通过对深部巷道花岗岩进行不同含水双轴压缩条件下声发射模拟实验，采用声发射仪监测岩爆的孕育、发生以及爆发的整个过程。采集力学、声发射等参数对比分析不同含水条件下花岗岩岩爆特性。通过分析寻找岩爆发生的规律，从而为岩爆监测提供研究基础和技术手段。1.3.1研究内容（1）通过不同含水条件下深部花岗岩巷道岩爆模拟实验，收集声发射、力学参数，分析岩爆实验现象；（2）根据不同含水花岗岩岩爆实验力学参数，绘制载荷-时间曲线，然后对比分析；（3）通过分析试验中记录的声发射各项参数，绘制出声发射事件率、能率的曲线图，找出不同含水花岗岩事件率、能率的一般规律。1.3.2 研究思路论文的技术路线图如图1.1所示：文献综述及研究现状分析制定具体试验方案与实施计划岩石试样采集、加工、制作与状态处理不同含水深部巷道花岗岩岩爆模拟力学分析声发射分析载荷-时间曲线分析破坏分析AE事件率AE绝对能率不同含水花岗岩岩爆模拟实验力学与声发射结合分析与归纳总结展望图1.1 论文技术路线图37第二章 声发射的试验原理第二章 声发射的试验原理声发射又叫应力波发射，英文名称为AcousticEmission,简称AE，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,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，声发射测试技术己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，其基本原理为：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。（1）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。（2）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100到1000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。（3）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 影响声发射特征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；(2)环境，主要是指温度和腐蚀介质；(3)应力，主要有应力状态,应变率以及承载的力；(4)材料，主要是指材料的组织!成分!结构,例如金属材料中的晶格类型、晶粒尺寸、夹杂、缺陷、第二相；复合材料中的纤维方向。增强剂。基材、辅层、界面、残余应力等。2.4 声发射检测仪器的组成声发射信号是一种重复频率极高的瞬变随机波信号，它的一前沿时间一般在几十到几百毫微秒之间。经过局部瞬间变化而产生的频率分布在次声至超声频率范围内(约为几赫兹至几十赫兹)的声发射波，其垂直位移一般距试件表面大约1071014米，只有具有非常高的响应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围强、阻塞恢复能力等性能的声发射检测仪器才能接受到声发射波。目前的声发射测试仪器大致可以分成多通道声发射检测仪和单通道声发射系统两个基本类型。典型的单通道声发射检测仪一般采用一体结构，其基本构成单元有传感器、前置放大器、衰减器、主放大器、门槛电路、声发射率计数器、总数计数器和数模转换器。以下介绍系统的各个主要部分。声发射传感器是拾取声发射信号的关键部件，主要是用于检测出非常微弱的声发射信号，进而将信号转变成为系统可以识别的电信号，然后送到放大器进行进一步的放大。此过程大都要求声发射传感器具有极高的灵敏度和尽量宽的频带，以便于检测出处于微弱的宽频带范围中的声发射信号。置于传感器附近的是前置放大器，传感器输出的信号首先经过它得到放大，然后再经长电缆输送到主机，由主机处理。它所起到的主要作用是:防止信号衰减过大，提供低阻抗的输送电缆和高阻抗的传感器直接的匹配;确保提供信号的信噪比，对输入的微小信号进行放大来抑制电缆噪声;提供可以滤波的频率。主放大器及滤波器则是系统的重要组成部分。主放大器将声发射信号再进一步的放大，方便后面的参数测量和计算单元来进行信号处理。主放大器应当具有可以调节的放大倍数，能让整个系统的增益达到60100dB。检测系统中的滤波器则是用来排除不必要的噪声及限制检测系统工作的频率范围，让系统能在相对复杂的噪声环境中工作。滤波器一般情况下采用编程式或插件式，包括低通、高通或者带通滤波器，且可以组合使用。目前的声发射检测系统开发出了一系列包括信号采集、数据处理、数据显示的软件，使得声发射系统不仅具有提取声发射特征参数的功能，而且还具有采集波形与显示波形的功能，可以完成声发射的定位，更具有频谱分析功能，十分有利于分析声发射特征。2.5 声发射信号分析2.5.1 声发射信号类型传感器的输出信号有突发型和连续型两种基本类型。可以从时域上分离开来的波形称为突发型信号。基本所有的声发射源过程都是突发过程，例如裂纹的断续扩展，复合材料的纤维断裂等。而当声发射频度在时域上高到不能分离的时后，声发射就会以连续型的信号显示出来，燃烧信号、泄漏信号、塑性变形过程中声发射前期的信号等都是连续型的信号。往往在实际的检测中出现的是突发信号和连续信号的混合类型。不同的信号类型有不同的处理方法。早期的通用系统一般多以突发型信号检测为主，另一些专用的检测仪器则设有检测连续型信号的功能。最近发展去了的通用系统则可以同时收集两种信号。2.5.2 声发射信号特征参数声发射检测中，由于构件或试件的固有频率部分得到了加强亦或是可能出现较为明显的频散现象，导致通常检测出的信号是经多次反射和波形变换后的较为复杂的信号。这些信号中有的波形会产生非常严重的畸变，信号的波形前沿会出现变钝的现象，甚至波的一个峰可能分离变成多个峰。接收过程中信号一般都会发生变化，这是因为在接收时对信号做了加权处理。其工作的基本原理是:换能器接收畸变的信号并将其转换为电信号，经电子线路的处理，最后由显示器显示出来。对声发射信号进行处理的方法大致可分为三类:按随即信号处理、按确定信号处理以及其他方法。超过门槛的声发射信号经过特征提取电路转换为几个信号特征参数。其中，振铃计数、有效值电压和平均信号电压等是连续信号参数，突发信号的参数主要有能量计数、撞击事件计数、幅度、持续时间、上升时间和时差。如下图。门槛电压持续时间上升时间幅度能量振铃计数图2.1常用声发射参数示意图(1)门槛值(threshold)门槛值是根据实验的需要设定出某一特定的数值，使得在声发射实验过程中当信号强度超过该值时，能被声发射仪器监测出并记录下来，单位为分贝(dB)。(2)振铃计数振铃计数是指一个事件撞击传感器使传感器形成振铃，在这个过程中形成了一个个超过阀值的电信号的振荡波，越过门槛信号的振荡次数。振铃计数可以分为计数率和总计数。振铃计数是最常用的声发射评估技术的一种参数。振铃计数适宜于表征连续型声发射信号和突发型声发射信号，而且又能大致反映信号的频度和强度，使得信号变得简便容易处理，因此被广泛地用于评价声发射的活动性。但是门槛的高低对信号产生的振铃计数有很大影响，同样的信号可能会因为门槛的不同而产生不同的振铃计数，高门槛会减少振铃计数，而且门槛的高低偏差的变化幅度越大，振铃计数的变化也越大。(3)有效值电压和平均信号电平 信号均方根值(RMS因测量简便且受门槛的影响小而适用于连续型信号，主要用来对连续型声发射的活动性进行评价。信号均方根值跟声发射的大小有关，用V表示，是指采样时间内信号电平的方均根值。平均信号电平(ASL)提供的用途和信息类似于信号均方根值，是指采样时间内信号的电平均值，但它是对连续型信号特别有用，这类连续信号的幅度动态范围要求比较高但时间分辨力的要求不高。另外平均信号电平也可用于测量背景噪声水平。(4)能量(energy)能量计数可以分为总计数和计数率两种，是指信号检波包络线下的面积。能量计数对门槛、传播特性和工作频率不是很敏感，可以反映出事件的相对能量或强度。能量计数可以取代振铃计数，试件中的裂纹每向前扩展一步便会释放出一次能量，所以可以将声发射曲线所包含的面积作为能量的量度。由于能量是用计数表示的，所以计数值越大就表示声发射信号包含的面积越大。能量计数也可以用于鉴别波源的类型。(5)声发射事件计数(event count)和撞击计数(hits)撞击(hit)是指超过门槛值并导致某一系统通道获取数据的任一声发射信号，系统对撞击的累计计数被称为撞击计数(hits)。撞击一般可以分为总计数和计数率。单位时间内的累计个数就是计数率。撞击计数可以反映出声发射的活动总量和频度，常常用于评价声发射的活动性。当声发射事件发生时，通过介质传播的信号可能被好几个传感器所接收并且形成几个撞击。但是对于检测系统来说，通过一个或者几个撞击鉴别出来的一次材料的局部变化就是一个声发射事件。所以声发射事件数是指检测系统累计出的经过鉴别的声发射事件结果，它同样也可分为总计数和计数率。声发射事件数主要用于对声发射源的活动性及定位集中度进行评价，它不单单反映出声发射事件的总量，同时还反映了声发射事件的频度。撞击时间(time of hit )是指由声发射检测仪所接收到超过所设置的门槛值的一个声发射信号瞬间的值，单位为us(微秒)，也被称作测试时间。(6)幅度(amplitude)幅度是指声发射信号波形在一个声发射事件当中的最大振幅值，是声发射信号的一个重要参数，单位为dB，常用于波源的类型鉴别、衰减及强度的测量。它不受门槛值的影响，与事件的大小有直接关系，可以直接决定事件的可测性。(7)持续时间 (duration)持续时间是指第一次越过门槛值到最后降至门槛期间的事件信号所经历的时间间隔，以us(微秒)表示。持续时间约为传感器每一次振荡的时间周期与振铃计数的乘积。持续时间和振铃计数相关，和振铃计数非常相似，但它常被用来鉴别特殊波源的类型和噪声。(8)其他声发射参数上升时间(rise time )，是指信号第一次越过门槛直至最大振幅所经过的时间间隔，用us表示。上升时间表示事件信号超过门槛的水平到达峰值所经历的时间。由于易受传播的影响而导致其物理意义变得很不明确，有时用于机电噪声鉴别来滤除电子噪声和电子噪声。峰值计数(counts to peak )，信事件号第一次越过门槛到最大振幅所历程的时间间隔中的声发射信号的振铃计数，单位:个。时差，是一个声发射波到达各个不同的传感器的时间差，用us表示。可以通过时差的大小、传播速度和传感器的间距来计算出声发射的波源位置，然后预测出缺陷所在的位置以便做下一步的检测分析。外变量，外变量不属于信号参数，而属于撞击的信号参数的数据集，它可以用来分析声发射的活动性，了解试验过程中声发射参数和外变量的变化之间的互相关系。第三章 花岗岩岩爆模拟实验第三章 花岗岩岩爆模拟实验3.1实验方案根据巷道成巷及非弹性变形区扩大过程中应力的变化规律，采用双向加压系统模拟巷道的受力状态，轴向应力、横向应力开始按一定比例增加到一定程度，然后横向应力卸载，轴向应力继续加压至岩石试件破坏。通过岩爆模拟实验分析岩爆影响因素，获取声发射、力学变化的各种参数，分析水对岩爆的影响及不同含水情况下声发射变化的特征与规律。3.2 试样制取设备1）DJ-4型自动岩石切割机DJ-4自动岩石切割机采用无级调速，自动切割（双刀切割），用于切取各种形状的标本。该机由切片工作台、调速电机及电器控制等部分组成，以多种钢材为主焊接机架，整机结构紧凑，稳定可靠。采用自来水冷却。主要技术参数如下：（1）锯片直径：600mm；（2）最大可切试样：230230400mm；（3）切割线速度：33-45m/min；（4）纵向进给速度：工进6-60mm/min；（5）调速范围：125-1250rpm；（6）工作时间：连续；（7）环境温度：-5 40；图3.1 DJ-4型自动岩石切割机2）SHM-200型双端面磨石机SHM-200型双端面磨石机是各类岩石，混凝土等非金属固体进行力学测试标准样本制作的必备主要设备，适用于大专院校水利水电，地质矿产，交通，建筑等部门。该机由基座工作台，磨削动力头，变速传动系统，电控装置等部分组成，整机操作方便，自动进给性能稳定。主要技术参数如下：（1）工作台电机功率：0.55KW，转速：1450rpm；（2）磨削动力头功率：1.1KW 2台 转速2750rpm；（3）削磨直径：200mm；（4）可磨样本规格：方块252525150150150mm，圆柱25150mm；（5）标本精度：平面度50mm，范围内公差0.05mm，光洁度Ra3.2；（6）自动磨削进给量：0.040.12Mm深刻可调；（7）冷却装置：自来水冷却。图3.2 SHM-200型双端面磨石机3）GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱（热空气消毒箱）是供工矿企业、化验室、科研单位等干燥、烘培、熔蜡、灭菌作用。采用国内首创流线型圆弧设计，外壳采用冷轧钢板制造，表面静电喷塑；本机温控系统采用微电脑单片机技术，系统具有控温、定时和超温报警等功能；合理风道和循环系统，使工作室内温度均匀度变化小；采用双屏高亮度数码管显示，示值准确直观，性能优越，触摸式按键设定调节；内胆均为镜面不锈钢材料制成，半圆形四角设计使清洁更方便；工作室内搁架可随用户的要求任意调节高度以及搁架的数量；采用进口电机及风叶，具有空气对流微风装置，内腔空气可以更新循环；箱门具备大视角观察玻璃窗，便于用户观察，采用纳米材料门封条及保温材料令整机性能体现更优越。主要技术参数如下：（1）产品类型：微电脑普通型；（2）电源电压：AC 220V10%/50Hz2%；（3）控温范围：室温+5250；（4）温度分辨率：1；（5）温度波动度：1；（6）温度均匀度：1；（7）输入功率：1100W；（8）内胆尺寸：450400450mm，外形尺寸：740530630mm；（9）载物托架：2块；（10）定时范围：0-999分钟。图3.3 GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱4）ZS-100岩石钻孔取样机ZS100型全自动钻孔取样机来自于姜堰市华能石油化工机械厂，ZS100型全自动钻孔取样机适用于钻取各类岩矿石、混凝土等非金属圆柱体样品标本，换装25100mm范围的金刚石钻头，可钻取其所需要长度350mm的圆柱标本，自动取芯，自动升降回位停止。操作方便。该机可与双端面磨石机、岩石切割机配套使用。 主要技术参数：（1）圆柱直径：25100 mm；（2）主机功率：2.2 KW；（3）升降电机：0.55 KW；（4）最大钻孔深度：350 mm 图3.4ZS-100岩石钻孔取样机3.3 试验样品的选取与加工本文主要谈论水对岩石岩爆的影响，发生岩爆的金属矿山(如玲珑金矿、金川二矿)岩石类型主要是花岗岩，所以实验岩样选取岩爆倾向性较强的花岗岩。为了达到本次实验的预期目标试验结果且具有更好的代表性，取样时对岩石进行层位、方位及受力方向标记，并将岩石粗加工程块状，为长宽高为150150150mm的立方体，以方便运输及实验室岩样切割。为了尽可能保持样品的天然含水量，避免暴露于空气中而发生风化影响，样品表面采用多层食品保鲜膜包裹；为减小样品在运输途中可能发生的破坏，在岩石样品表面外面包扎多层纸皮，并存放于制作牢固的木箱内，且样品石块之间用木屑和纸皮充填密实，然后装车运输至实验室。到实验室后要对岩块先进行筛选，必须保证在统一完整且不包括节理裂隙等明显可见缺陷。因为在一个小试样中的节理、裂隙是随机的，不具有代表性。首先将岩块经DJ-4型自动岩石切割机，采用湿式加工法制备岩样。采用湿式加工法主要是防止切割岩块时岩石与转盘摩擦产生大量热量影响岩样的力学特性。然后将制备好的试样在SHM-200型双端面磨石机上磨平岩样的6个端面,最后经过人工打磨,试样两端面高度差不大于0.05 mm,端面不平整度误差不大于0.02 mm。最后对选取好的试件测定其尺寸，所选用的是精度为0.02mm的游标卡尺。分别对两端及中间三个面进行测量，看是否符合所需尺寸，如果不合格，则继续磨平，直到合格为止。3.4 试样处理选择12块符合规格的岩样，长宽高为150150150mm的立方体，在中心正对着的两面钻孔（=45mm），一面孔深50mm，另一面孔深90mm的孔，孔间留厚度10mm岩层。分两组，每组4块，进行如下处理。1）干燥试件制备将试件置于GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱内，在105恒温下烘48h。期间烘干24小时后，取出后放入干燥器内冷却至室温后称量；再次间隔24小时，取出称量。若两次称量，试件质量变化率在0.1%之内，即为满足要求。最后将试样用塑料保鲜膜包裹好。2）饱和含水试件制备采用自由浸水法饱和，将干燥后的岩样放入水槽中，先注水至试样高度的1/4，以后每隔2h分别注水至试样高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试样，试样在水中浸泡48h。3.5 实验设备1）RLW-3000微机控制双轴试验机RLW3000型微机伺服岩石双轴试验机是岩石力学领域研究岩石在多种环境下力学特性的先进试验设备。该机可以自动完成岩石的单轴、双轴、蠕变试验该测控器的操作方便，容错性强、测量准确、保护功能全、控制精度高。（1）最大轴向试验力3000KN；（2）最大围压100MPa；（3）变形测量范围010mm（轴向）、05mm径向；（4）试验力精度1；（5）变形测量精度1；（6）围压测量精度2；（7）试验力控制精度2%（8）围压长时间稳定度2%（9）压力室内净空间（mm)：180300远红外设备1快速照像声发射设备1压力机压力机控制计算机图3.5 RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机2）PCI-2型声发射检测系统岩石声发射实验采用美国声学物理公司PAC（Physical Acoustic Corporation）生产的PCI-2型声发射系统。该AE系统是该公司推出的最新产品，采用了PCI板卡，最大程度的降低了采集噪声。可以显示声发射信号幅度，存储、显示分析结果数据。由于PCI-2AE系统采用的是全数字式系统，具有超快处理速度，低门槛值以及可靠的稳定性。PCI-2板卡主要有如下特点：（1）18位A/D，极低噪声，低门槛值设置；（2）频带宽度可达3kHz3MHz；（3）实时显示并可以10MSample/sec(一个通道)，5MSample/sec（两个通道）的速度将波形数据直接存储到硬盘；（4）采集频率可达40MHz；（5）每个通道有4个高通、6个低通虑波选择；（6）采用数字信号处理电路几乎消除了漂移，使系统更加精确，更加可靠；（7）具有自动传感器校准功能（AST）。图3.6 PCI-2型声发射检测系统声发射系统采用的是实时采集/分析软件AEwin。该系统的特点是可以进行WINDOWS环境下的实时数据采集、外参量输入采集及分析软件包。包括前端数字滤波，AE特征提取、报警输出，2D，3D图形，多参数分析、相关分析、聚类分析；小波分析及相关分析，FFT分析，灵活的图形功能，图形打印及输出等。3.6 不同含水花岗岩岩爆声发射实验选取不同含水状态下花岗岩，干燥花岗岩编号为GHG-1、GHG-2、GHG-3、GHG-4，饱水花岗岩编号为BSHG-1、BSHG-2、BSHG-3、BSHG-4，分别进行实验，实验步骤如下：1) 实验前将应变片在孔洞右侧内壁距离孔边3cm处贴好。测量岩样尺寸，称量岩样重量，试件各面进行编号并拍照，填写试样信息基本参数表。2) 连好应变仪，将声发射、放大器、探头连接好，在试件预定位置用橡皮条固定声发射探头，采用凡士林将试件表面与探头接触面耦合。3) 将试样置于压力机承压板中心，调节各垫片使试件中心与加载中心重合。4) 各人员分别对自己负责的设备进行基本设置。5) 打开压力机阀门，手动控制预加载到5kN，然后关闭内侧阀门，计算机控制加载，水平载荷以力控制方式以800N/s加到300KN，轴向预加载300KN。此时轴向加载、声发射、应变仪、监控设备同步开始。6) 轴向以0.3mm/min加载到1125KN，水平方向以25mm/min卸载，轴向继续加载，直到发生岩爆为止。7) 分别记录各应力曲线变化阶段岩样有何破裂现象，力保持和卸载的具体时间；由监控记录孔洞表面附近弹射的时间、弹射现象及具体位置；弹射前后声发射有何特征，以及声发射出现异常特征的具体时间。8) 试验结束后，保存压力机力学数据、输出声发射数据。保存监控视频；保存应变数据。9) 对岩样破裂形态拍照，并收集岩样孔洞内壁附近的悬浮碎片，用纸包好并写好编号，然后取下岩样四个面拍照。试样实验如图：图3.7 干燥岩样在机器中准备加载图3.8 饱水岩样在机器中准备加载3.7 本章小结本章首先介绍了实验方案，然后介绍了试样的制备、试样制备的设备和制备方法。最后则是进行试样处理，进行花岗岩岩爆模拟实验。重点介绍了试样的制备和实验的进行。实验期间，观察声发射、力学曲线和实验现象，正确的试验设计、方法、操作及准确实时的观察记录，才能确保试验的顺利进行、实验数据的完整无误的采集，为后来的实验结果分析做准备。河北联合大学矿业工程学院第四章 实验结果及分析4.1 岩爆实验现象及破坏分析实验发现，干燥状态和含水情况下都有明显的岩爆现象发生。轴向应力达到一定程度有掉渣现象。随着载荷的增加，掉渣现象更加明显，孔侧壁碎片弹射，孔壁内部深层又有新的剥离层出现。达到极限应力时，整个洞孔受载突然破裂。实验发现含水之后花岗岩岩爆发生时间有滞后现象。另一方面，在出现明显的岩爆现象时间上存在差异。实验中花岗岩含水之后强度降低。分析认为，岩石强度的降低可能受以下两种岩石的水理性质影响；(1)溶蚀作用使岩石致密程度降低，孔隙度增大，导致岩石强度降低(2)软化性影响，岩石受水浸湿后，由于水分子的加入改变了岩石的物理状态，使岩石内部颗粒之间的表面能降低，同时由于水化使构成矿物的离子半径改变，使岩石力学性质受到影响，导致岩石强度降低，性变形成份增加。实验还发现含水后岩爆剧烈程度有所降低。由于水的作用，导致岩石强度减小，塑性变形成份增加，弹性成份减小，弹性模量相应减小，使积蓄的弹性能减少，造成岩爆剧烈程度降低，岩爆发生时间有所滞后。下面为实验后岩样图。 （a）BSHG-3 （b）BSHG-4图4.1 饱水花岗岩试验后爆裂图样 （a）GHG-2 （b）GHG-3图4.2 干燥花岗岩实验后爆裂图样4.2 实验过程中力学特性分析岩石的力学性质是指岩石在受力后所表现出来的某种力学特性，主要包括岩石的变形特性和岩石的强度特性。岩石作为一种特殊的非均质材料，其内部存在着各种缺陷，使得岩石材料的非均匀和不连续随变形过程演化发展，反应岩石变形特性的变化规律，加上本试验所用加载仪器设施，可从破坏过程、载荷-时间曲线、单轴抗压强度、破坏形式等方面入手，而这也是研究岩石力学特性的基础。本实验通过RLW3000型微机伺服岩石双轴试验机对花岗岩进行双向加载，可以得到各个试件的载荷-时间曲线。为使试验数据更具典型性和说服力，并能充分反应试验的准确性，以下分析均选取了每种状态下的三块试件进行分析。下面为不同含水状态下花岗岩载荷-时间曲线图。（a）BSHG-1 (b)BSHG-2(c)BSHG-3 (d)图4.3 饱水花岗岩载荷-时间曲线图（a）GHG-1 （b）GHG-2(c) GHG-3 (d)图4.4 干燥花岗岩载荷-时间曲线从图中可以看出花岗岩轴向、水平预加载相同，轴向持续加载直到极限应力后回落，水平载荷不变，在轴向加载到一定程度后卸载。在此可以将曲线分为四个阶段：（1）裂隙压密阶段。此阶段反应出岩石试件受载初期，内部已存在裂隙及孔隙受压闭合，岩石被逐渐压密，形成早期的非线性变形。但花岗岩属于高强度岩石，所以此处变化不明显：（2）弹性变形阶段。此阶段载荷-时间曲线均大致保持线性关系，试件中原有裂隙继续被压密，体积变形表现继续被压密。（3）断裂破坏阶段。此阶段载荷-时间曲线均偏离直线，且逐渐由新的裂纹产生，但这些微裂隙呈稳定状态发展，受施加压力控制。岩样孔壁有掉渣、碎片弹射现象。随后裂隙扩展接交形成滑动面，试件的承载能力达到极限，出现峰值强度。岩样爆裂，伴随巨大声响。（4）破裂后阶段。试件通过峰值强度之后，内部结构遭到破坏，曲线急剧下降。图4.5不同含水花岗岩载荷-时间曲线图图为饱水花岗岩和干燥花岗岩的载荷-时间曲线图。由图中不难看出干燥花岗岩线弹性阶段比较明显，弹性能大，经历时间最长。峰值强度较于饱水花岗岩大。而饱水花岗岩弹性阶段曲线较为平缓，花岗岩含水后弹性能较小。峰值强度较小。综上，干燥岩样弹性能大，而饱水花岗岩弹性能略小。峰值之后饱和状态下试件破裂前后端载荷出现的变化幅度要大于干燥状态。这说明产生相等变形量，干燥状态下施加的外部载荷明显要比饱和状态下需施加的外部荷载大。4.3 实验过程中声发射特性分析在实验进行过程中，用声发射仪对试件破坏发出的声发射信号进行采集，对岩石破坏的全过程中声发射参数对时间的变化特征进行研究。本文选取声发射事件率和声发射绝对能率，并通过分析其时间的变化规律来研究不同含水泥质粉砂岩破裂声发射特征。4.3.1 声发射事件率分析选取声发射事件率对花岗岩岩爆声发射特性进行描述，以此来反映花岗岩内部破裂事件发生的频率、声发射源活动性和定位集中度。由试验结果分别绘制出不同含水状态下花岗岩声发射事件率和载荷对时间的关联图，如下。（a） BSHG-1（b）BSHG-2(c)BSHG-3图4.6 饱水花岗岩声发射事件率、载荷时间曲线图由图4.6可以看出饱水花岗岩在受压初期，就有一些声发射事件发生，但活动水平都很低，持续时间最长，直至线性弹性阶段。这是由于花岗岩本身特性决定的。花岗岩主要由石英、长石、角闪石等矿物组成，矿物颗粒彼此呈镶嵌结晶连接，颗粒之间和某些矿物颗粒内部存在着许多不定向、不连续的微开型微裂隙，而组成花岗岩的各类矿物自身强度性质的差异和各自结晶连接的不均匀性，致使此类岩石在荷载作用下的裂纹行为非常活跃，对应力作用敏感。花岗岩即使在饱水时，含水量也很低，但含水还是有很大作用的。而其中BSHG-1在初加载时声发射就十分活跃，声发射事件率达到300次每秒的高度，说明此岩样在遇水时，晶粒