声发射Kaiser效应在地应力测量中的应用现状

声发射Kaiser效应在地应力测量中的应用现状
李利峰;邹正盛;张庆
【摘要】Based on periodical literature, the statistics of papers on accoustic emission since recent twenty years were made. The principle and mechanism of acoustic emission, space positioning for the samples were presented.With the theory of elastic mechanics, six direction and four direction methods in space for in-sim measurement using the rock acoustic emission were derived. There are two sampling methods according to the different methods.Influence factors of acoustic emission in in-sim stress measurement, determining method of Kaiser Point and treatment technique for signal and noise were systematically expounded. Two methods which are different from the traditional in-situ measurement are introduced. Problems and research trend of the in-situ stress measurement using acoustic emission were analyzed.%对近20年来岩石声发射测量地应力的研究现状进行了分析,介绍了声发射的原理和机理及试样的空间定位方法.利用弹性力学原理推导了声发射方法测定地应力的空间6向和4向的计算过程,对应有两种常用的取样方式.系统地阐述了影响声发射地应力测量的因素、Kaiser点的确定方法以及信噪处理技术,简单介绍了不同于传统利用声发射测量地应力的另外两种方法.对声发射测量地应力中存在的问题和研究趋势进行了分析.【期刊名称】《煤田地质与勘探》
【年(卷),期】2011(039)001
【总页数】6页(P41-45,51)
【关键词】声发射;地应力;数字期刊;影响因素;信号分析
【作者】李利峰;邹正盛;张庆
【作者单位】河南理工大学土木工程学院,河南焦作454003;河南理工大学土木工
程学院,河南焦作454003;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454003
【正文语种】中文
【中图分类】TU45
地下工程的破坏和失稳大都是由原岩应力引起的，因此原岩应力的测量对地下工程的稳定及其安全性评价具有重要意义。

20世纪 80年代以来，地应力测量从理论
到应用都得到迅速的发展。

目前地应力测量方法有液压盒法、扁千斤顶法、应力(应变)解除法、钻孔崩落法、水压致裂法和声发射法等，其中应力(应变)解除和水
压致裂法是目前应用较广的测量方法。

但是这些方法除声发射外都是在现场完成的，工作量大，工艺复杂，费时费钱，在一定程度上限制了在地应力测量中的使用。

声发射测量地应力是一种操作简便、成本低、速度快、现场作业量少的方法，在地应力测量中得到广泛应用[1-5]。

本文利用数字期刊统计了 1989—2009年发表的130篇有关岩石声发射地应力测量的论文(图1)，分析了其研究现状，介绍了声发射测量地应力的原理和机制，讨
论了主应力的确定方法、声发射的影响因素以及信号处理的方法。

声发射现象的实质是岩石内部显微缺陷受力的扩张，岩石每次受力都会产生与受力大小及方向相适应的显微裂缝。

当岩石再次受力小于先期产生裂纹的力，裂纹或缺陷不会进一步破裂，即不产生声发射，一旦达到或超过先期应力，裂纹或缺陷将进一步扩展，声发射现象随之产生，这就是岩石的Kaiser效应。

对应的应力就是先
期裂纹形成时的古应力值，也即Kaiser效应对古应力的记忆。

利用岩石对历史的记忆性可以进行岩石历史应力的测量，国内外在Kaiser效应发
生的机理方面作了大量研究，并建立了一系列模型。

国外主要有裂纹滑动模型[6]、可逆的格里菲斯模型[7]、微裂纹模型[8]、翼裂纹模型[9]、裂隙闭合模型[10]、离散粒子模型[11]和位移不连续的边界元模型[12]。

在国内，秦四清等[13]依据岩石的非均匀性，从损伤力学和断裂力学的角度，分别建立了损伤力学和断裂力学模型，唐春安等[14]从岩石非均匀性入手，通过对岩石非均匀性细观统计描述，建立了岩石细观弹性损伤模型，并编制了相应的数值模拟软件RFPA。

在声发射测地应力中，主应力方向的准确性直接关系着测量结果的成败。

只有在试样的方位确定时，才可以按照下面介绍的公式计算主应力的方向。

目前确定试样方位的方法很多，对于埋深较浅的测点，可以直接定位或者开挖巷道至待测点，在巷道中开挖方位确定的体积较大的岩样，在实验室中定向加工成成品试样。

在条件允许时，可以在巷道中利用钻机定向钻取岩心岩样，然后在实验室中制成成品。

这种方法需开挖专用巷道，工作量大，主要应用在矿山地应力测量中。

当测点埋深较深，开挖专用巷道就不太经济，一般通过打钻法进行取样，岩心的定向主要有定向取心法、倾角测量仪法、井下电视法和古地磁法4种[15]。

除了通过试样的方位来定主应力的方向，利用岩体的地质构造也能够确定主应力的方向，这就是赤投影地质力学法[16]。

该方法利用地质力学分析岩体的主应力方向，运用声发射技术确定地应力的大小，最后确定主应力的一种方法。

但是这需有详细的工程地质资料，对判断者地质专业也有较高要求。

假定岩体内任意一点取一四面体OABC，建立如图 2的坐标系，六个应力分量分
别如图所示[1-5,17-18,]，三角形ABC所受的合力为P，P在三角形ABC上的正
应力为Pn，l，m，n分别为P与X，Y，Z的方向余弦值，则有下式：
为计算方便，常按如图2(a)在X，Y，Z，X45°Y，Y45°Z和Z45°X方向取样，利
用声发射原理可测出对应的值为:
将各方向的值代入式(1)可解出：
对四面体应力平衡分析有：
从特征方程可解 3个应力值 1， 2， 3，即为主应力的大小。

将式(3)中任意两式和式(4)联立，并将σ1, σ2, σ3的值带入，可解出3个l，m，n 的值。

当有一主应力和Z轴方向重合时，由式(1)可得：
由此可知只需知道就可确定待测点的应力状态σx、τxy、σy、σz。

对应图 3(b)。

利用式(5)、式(6)和式(8)可解出主应力的大小和方向。

声发射实验结果的准确性受到各种因素的影响，一部分是由于对岩石声发射认识的不足，另一部分来自于外部干扰。

岩石种类很多，不同岩石的声发射特征是不同的。

在地质历史过程中岩体受到各种的荷载影响，岩样取出之前处于环境复杂的三维应力状态，岩样取出后，力学、温度以及湿度等参数发生了变化。

实验室中的声发射实验在围压、加载路径、加载速率方面都很难与实际相符。

4.1 岩石种类
不同岩石的声发射特征是有区别的，脆性岩石岩石扩容之前能呈现明显的声发射现象[19]，初始应力越接近极限应力，Kaiser效应越不明显[20]。

初始应力在岩石极限破坏强度的 30%～80%才有明显的kaiser现象[21]。

而塑性岩石在扩容前后都有 kaiser现象，在破坏后阶段及应力应变曲线下降阶段更加明显[22]。

4.2 时间效应
Kaiser效应测的地应力是历史最高应力还是当今地应力这个问题存在很大争议，
学者们对此作了大量工作[23-27]。

研究表明：岩石Kaiser效应测的应力与历史最大应力到进行声发射测量的时间有关，若时间足以使岩石最大历史应力形成的最大应变得到恢复时，Kaiser效应所表现的不再是最大历史应力，这种现象称为声发
射的时间效应。

不同岩石的时间效应不尽相同，初始应力越接近岩石极限强度表现
越明显，水和温度对岩石声发射的时间效应有加剧的作用。

研究还发现塑性岩石和部分脆性岩石中，历史应力作用时间越长，声发射现象越明显。

处于稳定蠕变阶段的岩石Kaiser效应比处于非稳定阶段的岩石要明显。

4.3 加载速率
加载速率对声发射具有重要影响，当初始加载率高于实验加载率时，Kaiser效应
不明显，初始加载率低于实验加载率时，Kaiser现象较明显[28]。

加载速率越快，砂岩、粗砂岩、泥岩等岩石所测得Kaiser点应力值越大，但是对灰岩等脆性岩石
影响不大[29]。

4.4 围压
传统声发射测地应力没有考虑围压，实际上围压的存在对测量结果有很大影响。

国内外学者作了大量的研究[26,30-34]。

围压和kaiser点应力的关系有[26,32]：
式中为二次加载所测kaiser点的应力；为二次加载的围压应力；为预加载的轴向应力；为预加载的侧向围压应力；k1和 k2为和岩石相关的参数。

李元辉等[34]利用 RFPA2D数值分析软件，从不同应力路径方面分析围压对声发
射的影响。

张广清等[33]通过研究Kaiser效应围压的影响，并在实际中进行了应用。

4.5 加载方向
实验室的声发射验证实验，初次加载和再次验证加载大多是相同的，而实际中岩体所受地应力方向是极难确定的，这使理论和实际有所不同。

研究表明：在互相垂直的不同方向对试样加载，然后在对应的方向再次加载时所测Kaiser点的应力值和
上次该方向加载应力值相同，表现出Kaiser效应在垂直方向的方向无关性[25,35]。

利用这种原理测出结果和水压致裂、应力解除等方法的测量结果具有一致性[1-5]。

进一步研究发现，和加载方向夹角在10°以内再次加载时都有Kaiser效应，在此
之外没有Kaiser效应现象[12,20]。

另外，许多学者从取样过程岩样的力学分布[36]、取样角度偏差[37]、岩样尺寸效应[38]等方面对岩石声发射的影响方面进行了研究，深化了对声发射影响因素的认识。

5.1 Kaiser点的确定方法
声发射测定应力的关键就是找出Kaiser点，但是大多数岩石的Kaiser点并不明显，使得正确判断Kaiser点位置比较困难。

一般是先绘出 AE累积或AE率对应力的响应曲线，然后找出响应曲线的突变点作为Kaiser点。

Shen H.W [39]通过对响应
曲线的回归分析，提出了支点法，为了简化计算，可在Kaiser点的近似直线段做
响应曲线的切线，把交点作为Kaiser点，即双切线法，Hardy Jr 等[40]发现累计AE率的平方与应力的响应曲线在Kaiser点的改变比较明显，提出以累计 AE率的平方与应力的响应曲线来确定 Kaiser热点的方法，Momayez M[41]以声发射响
应曲线为基础提出把最大曲率出作为凯Kaiser点。

在实验中，Yoshikawa等发现，应力较低重复加载时，Kaiser点显现的比较明显，基于此现象提出重复加载法[26]。

薛亚东等[42]通过对岩石声发射信号重标区间(R/S)分析，发现 log(R/S)与时间间
隔对数值具有线性相关性，声发射信号曲线具有分形特征，将赫斯特指数H=0.5
确定声发射试验中的Kaiser点，提出R/S统计分析法。

另外赵奎[43]通过利用小
波分析对岩石声发射Kaiser点信号进行频谱分析，认为可通过Kaiser点声发射信号波形分析，利用波形来确定Kaiser点。

5.2 信噪分离技术
试验中所采集的声发射信号是一个复杂的集合体，它不仅包含了用于声发射真实的声发射信号，还夹杂了各种噪音，这些噪音不仅包括声发射系统内部噪声、电磁干扰噪声、机械噪声等常见噪声外，还包括岩石试件端面与压力机之间的摩擦噪声等岩石力学试验环境噪声，而声发射信号提取和去噪是目前还没有解决好的问题[44]。

赵奎等[42]对砂岩声发射Kaiser点信号进行了频谱分析，确定了Kaiser点信号的
频率范围，提出基于小波变换的Kaiser点信号的信噪分离方法。

它是首先利用门
限阈值等形式对所分解的小波系数进行处理，然后对信号进行小波重构可达到对信号降噪的目的。

李俊平[45]通过对支持向量机和遗传算法的研究和分析，认为 v—SVR在有限样本的信号识别、数值反演等领域具有很大的潜力，并把 v—SVR的确定性分析与遗
传算法(GA)的随即性分析相结合，作为今后岩体AE噪音识别与剔除的发展方向。

6.1 钻孔声发射地应力测量[46]
钻孔声发射地应力测量时，先向待测点打钻孔，待到达指定位置后，然后将加压装置和声发射传感器放入，依据加压装置的不同可以对钻孔壁施加定向和非定向压力。

通过观测声发射传感器采集的声发射信号，绘出 AE累积或 AE率对应力的响应曲线，通过确定Kaiser点来定待测点的地应力。

钻孔声发射地应力测量不必在不同
方向取样，直接在原位测试，取样工作量较少，同时也降低了围压、湿度、温度对实验结果的影响。

但是这种实验设备，需要专门设计与制造，和室内声发射实验装置相比费用比较高。

另外，同样受到钻孔时的扰动，加载方向等因素的影响。

6.2 点荷载测量地应力
赵奎等[47]针对目前费时、费力、测量可靠度和精度低等问题，通过对岩石Kaiser 效应的理论分析，认为岩石点荷载对应力具有记忆效应，并通过数值模拟和实际试验进行了验证，为岩石损伤、先前所受应力大小等方面的研究提供了新的手段，为现场地应力状态评估提供了简便的测试方法。

a. 声发射法测地应力虽然在实际中得到了广泛的应用，但是其在理论研究方面明
显落后于实践，在声发射机理方面还没有形成统一的认识。

b. 基于声发射方向的独立性，结合弹性力学对待测点的应力状态分析可知：在空
间 6向取样或 4向取样可以确定待测点的应力状态。

该方法存在致命的两点就是
围压和加载方向的影响。

围压的存在将使在单轴状态下所测得值不相符，加载方向
的影响使只有和初始地应力的加载方向夹角在10°以内时才有效。

但是大量实验利用上述测量方法的测量结果与水压致裂法和应力解除法等地应力测量结果相符合[1-5]，其中原因有待进一步研究。

c. 目前围压力对声发射Kaiser点的影响采用的主要是假三轴实验装置，由于受到设备的限制，在真三轴实验中围压对Kaiser点的影响还不太清楚。

d. 由于声发射信号波比较复杂，使得信号分析相当困难。

首先应进行信噪分离，
然后用去噪的信号进行Kaiser点确定。

现有理论和技术在岩石声发射的信噪分离以及定量确定kaiser点位置方面还不太完善。

e. 钻孔声发射测地应力虽然有一些缺点，但是该方法和室内声发射相比优势比较
明显，是一种原位的声发射测量方法，具有很大发展潜力，而点荷载确定地应力方法目前还只是一个设想，离实践还有一段距离。

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