基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究
岩石破坏过程中的声发射分布规律及其分形特征
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基于声波参数的岩体爆破损伤区检测方法
基于声波参数的岩体爆破损伤区检测方法岩石基础开挖是大型水电工程建设中的重要环节之一,钻孔爆破是目前岩石开挖的主要手段。
在利用炸药的能量对被开挖岩体进行破碎的同时,将对保留岩体产生不可避免的损伤。
工程实践中,开展爆破开挖损伤现场检测和并进行准确判定,是进行爆破损伤控制的前提,而基于声波测试的岩体开挖爆破损伤区检测,是国家标准和行业规范推荐的主要现场检测方法。
论文以白鹤滩水电站坝肩槽开挖爆破损伤现场检测为背景,结合理论分析和室内试验,分析了边坡岩体开挖爆破损伤机理,建立了岩体损伤的纵波上升时间变化率判据、提出了基于纵波上升时间的损伤区检测方法,研发了新型声波换能器,发展了基于声波参数的岩体爆破损伤区检测方法。
论文取得的主要研究成果如下：揭示了岩石开挖爆破损伤区微裂纹分区扩展机制。
研究微裂纹的激活、扩展机理,是理解岩体宏观损伤规律的必要基础。
爆炸荷载在岩石介质中激发的应力场,使得岩石中的应力状态会按照时间顺序,先后处于以下几个阶段：径向应力与环向应力均为压应力的压剪应力状态,径向应力为压应力、环向应力为拉应力的拉剪应力状态,径向应力与环向应力均为拉应力的拉剪应力状态。
当距离爆破孔较近时,压剪应力状态控制了岩石中微裂纹的扩展；随着距离的增大,微裂纹的扩展主要由拉剪应力状态控制。
提出了基于纵波上升时间变化率的岩体爆破损伤区检测方法。
理论分析和室内试验表明,测试孔孔壁与声波换能器之间的距离对测得的纵波速度结果影响较大,并足以影响纵波速度测试结果的准确性,而测得的纵波上升时间则基本不受该距离的影响。
相对纵波速度变化率而言,纵波上升时间变化率对所测岩体物理力学特性的变化更加敏感。
通过对比分析,建立了基于纵波上升时间变化率的爆破损伤判据,较为合理的变化率为≥10%。
而且,采用纵波上升时间变化率来判别爆破损伤区,较采用传统的纵波速度变化率而言,所测得数据的稳定性及可靠性更好。
研发了可以应用纵波振幅进行损伤区检测的声波换能器。
用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制
用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制Ξ河北理工学院资源工程系 徐东强ΞΞ 单晓云 张艳博摘 要:文中介绍了利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式;用不同孔隙率的阜平大理岩进行了双轴压缩试验,模拟了双向受力状态下的岩爆,研究了其破坏过程中的声发射特征,并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。
关键词:声发射 损伤力学 岩爆1 前言地壳中的岩体本身存在着一个极其复杂的自然应力场。
采掘活动会引起自然应力场的变化,使岩体中的应力重新分布。
在某些条件下,积聚在岩体中的弹性应变能一旦超过岩体的弹性临界状态就会引起岩石的非线性变形,剧烈时可产生岩爆。
岩体在变形破坏过程中会产生应力波和声波,我们称为声发射。
声发射的发生是由于错位的累计而形成的裂纹、晶格错动、或从原有的缺陷发生的脆性破裂及其向外扩张传播,以及由此而引起的内部结构上的变化所释放的能量等等。
研究岩石变形破坏过程中的声发射特性,对于探讨岩体突发失稳的机制及其防治、预报岩爆具有重要作用。
损伤是指在外载荷环境的作用下,由于细观结构的缺陷(如微裂纹、微孔洞等)引起的材料或结构的劣化过程。
损伤力学则是研究含损伤介质的材料性质以及在变形过程中损伤的演化发展直到破坏的力学过程的学科。
损伤力学是近20年来发展起来的一门新的学科,它是材料结构变形与破坏理论的重要组成部分。
损伤力学的研究不仅限于金属材料方面,而且逐渐被引进到岩石、混凝土类材料的强度及结构关系的研究。
几十年来,材料损伤性质的研究发展迅速,在微观、细观及宏观的基础上进行了大量的工作。
有关细观损伤的成核机理、演化规律、细观损伤对宏观力学性质的影响等是当前损伤研究的主要问题。
通过声发射的产生机理和损伤力学的研究内容,我们有理由认为声发射活动与岩石内部的损伤状态之间存在一定的关系,本文通过阜平大理岩双向加载声发射实验和双向受力岩石损伤分析,研究了岩爆的发生机制和岩爆的预报。
2 损伤变量与声发射关系在连续损伤力学中损伤变量D是这样定义的:材料损伤形成的微孔洞、微裂纹面积与材料损伤前总承载面积之比,其表达式为: D=S nS(1)式中,S—原始无损伤时材料面积;・82・ΞΞΞ徐东强 副教授 河北唐山 063009河北省自然科学基金资助项目S n—损伤面积。
岩石应变岩爆实验声发射频谱特征
大尺度片麻岩试件（105 cm×40 cm×10 cm）在 循环荷载作用下声发射频率范围为 50~250 kHz［7］。 混凝土在低荷载作用下声发射频率分布范围为 10~ 50 kHz，分布窄，频率较低，幅值较小。有微裂纹产生 时，出现 165 kHz 的高频成分。随着荷载增加，10~ 165 kHz 频宽范围内的幅值增大。当宏观裂纹形成 时，高幅值的声发射频率位于 15 kHz 左右，而在临近 破坏前，高幅值覆盖了 10~165 kHz，声发射活跃［8］。 花岗岩节理摩擦滑移产生的声发射信号频率范围为 78.1~312.5 kHz［9］。
115
总第 626 期
现代矿业
2021 年 6 月第 6 期
期声发射在室内岩石实验应用主要是对荷载—声发 射特征—破坏特征的关系进行分析。随着技术进 步，声发射定位精度提高，实现了采用矩张量理论对 声发射数据进行分析，判定声发射源张拉或剪切类 型［3］。现场矿山开采过程中通过建立声发射微震监 测网，实时监测声发射信息，用于预警［4］。
本研究根据声发射波的传播及衰减规律，根据 已有的研究成果，对室内应变岩爆实验条件下岩石 材料破坏过程中的声发射频谱特征进行分析，并就
如何分析应用室内实验声发射结果进行初步说明。
1 声发射波的传播及衰减特征
一般认为采用声发射技术对材料进行研究时，
有一个频率适用范围［11］。岩石材料声发射频率范围
真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究
真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究一、本文概述本文旨在深入研究真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性及其诱发的岩爆机理。
随着地下工程向深部发展，深部岩体的力学行为及其稳定性问题日益突出。
岩爆作为一种常见的深部岩体动力灾害，对地下工程的安全性和稳定性构成了严重威胁。
因此，揭示真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性和岩爆机理，对于预防和控制岩爆灾害具有重要的理论意义和实践价值。
本文首先回顾了国内外关于深部岩体破裂特性和岩爆机理的研究现状，指出了现有研究的不足和需要进一步深入探索的问题。
在此基础上，通过理论分析、实验室试验和数值模拟等多种方法，系统地研究了真三轴卸载条件下深部岩体的应力-应变关系、破裂模式、能量演化规律等关键科学问题。
本文的主要研究内容包括：1）建立真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性的理论分析框架；2）开展真三轴卸载试验，揭示深部岩体在不同卸载路径下的破裂模式和能量演化规律；3）利用数值模拟方法，分析深部岩体在真三轴卸载过程中的应力分布、位移场和能量场的变化特征；4）结合理论分析和数值模拟结果，探讨真三轴卸载条件下诱发岩爆的机理和影响因素。
本文的研究成果不仅有助于深化对深部岩体破裂特性和岩爆机理的认识，也为地下工程的安全设计和灾害防控提供了重要的理论依据和技术支持。
二、真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性研究在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性是一个复杂且关键的问题。
为了深入了解这一过程，本研究采用了一系列先进的实验方法和数值模拟技术，对岩体的应力-应变行为、破裂模式以及能量演化等方面进行了详细的分析。
通过真三轴实验设备对深部岩体进行卸载模拟。
实验过程中，我们精确控制了卸载速率和卸载路径，以模拟实际工程中的卸载过程。
同时，利用高分辨率的摄像头和位移传感器，实时记录了岩体表面的裂缝扩展和变形情况。
实验结果表明，在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性呈现出明显的非线性特征。
随着卸载的进行，岩体内的应力场和应变场发生重分布，导致岩体逐渐产生裂缝。
基于声发射的高松矿田白云岩破坏特征分析
裂； 岩石 （ 体） 沿微 观 裂 隙整 体 滑动 或 已有破 裂 面 的滑
动； 岩石体内既存磁场 的磁性效应 。对个 旧高松 矿 田白云岩 的研 究 表 明 ， 试 样 内微裂 隙 的产 生 和 已有
裂 隙 的扩 展 、 断裂 是产 生声 发射 现象 的 主要 因素 ， 岩 石 的宏 观破 裂是 其微 破裂 的发 展 和积 累 。
田白云岩 作 了单 轴 压 缩 试 验 ， 研 究 了 岩石 试 样 在 加 载 过程 中的声 发射 活动 规律 ， 阐述 了岩 石 的破坏 机理 。
目前 对 岩石声 发 射 机 制 的研 究 ， 主要 包 括 以 下 四
芦塘 坝矿 段 １ ５ ４ ０ ｍ 中段 ， 共 采集 样 品 ６件 ， 样 品大 小 ３ ０ ｃ ｍ× ３ ０ ｅ ｍ×１ ５ ｃ ｍ， 样 品 整 体 完 整 性较 差 ， 具 有 明
石破坏全过程 力学特征和 声发射特征 ，在 此基础上分析石 灰岩 的破 坏机 理。试验研 究表 明 ：白云岩在 加载
初 期有声发射活动 ，为原有微 裂隙闭合过程 中挤 压破 坏产 生；弹性阶段 的 中期 ，声发射事件 比较稳 定 ；后 期 和塑性阶段的前期 声发 射事件 明显 增加 ，此 时原 有 裂纹扩展 是 造成 岩石 声发 射 活动 和体 积 变化 的 主要
内部 的性 态 变化 。因 此 ， 开 展 单 轴 受 压 岩石 破 坏 全 过 程声 发射 特征 研 究 ， 深 刻 揭 示 岩 石 破 裂过 程 与 声 发 射
参 数 之 间的关 系 ， 有 助 于我 们 进 一 步认 识 岩 石 的破 坏
２ 岩石单轴压缩测试 系统及试样制备
． １ 试样 特征 机理 ， 提出合理的岩石破坏 的前兆判据。本文运用 岩 ２ 石声 发 射 参 数 动 态 测 试 系 统 Ｉ ６ Ｊ ， 对 个 旧锡 矿 高 松矿 室 内声发 射试 验所 用岩 样取 自个 旧锡 矿 高松 矿 田
声发射与微震监测定位技术的研究进展
声发射与微震监测定位技术的研究进展声发射与微震监测定位技术是一种用于监测结构物或岩体中的裂纹、破坏和泄漏等问题的非破坏性测试方法。
声发射技术可以通过监听结构物中的超声波信号来监测可能出现的破坏现象，而微震监测定位技术则是通过检测地下微震信号来定位地下的异常活动。
这两种技术的研究进展如下。
声发射技术的研究进展：1.监测范围扩大：声发射技术最初主要应用于金属材料和混凝土等结构物的监测，但近年来已逐渐扩大到了岩石、岩层和土体等更广泛的领域。
2.信号处理优化：研究者们通过改进信号处理算法和技术，提高了对声发射信号的识别和分类能力，从而提高了监测的准确性和可靠性。
3.嵌入式监测：采用嵌入式技术，将声发射传感器安装在结构物的内部，实现对结构物长期在线的监测和预警。
这种技术能够提早发现潜在的潜在破坏问题，为维修和保养提供便利。
4.发展远程监测：通过无线传输技术和互联网的发展，研究者们已经开始利用远程监测平台对声发射信号进行实时观测和分析，实现了对分布广泛的结构物的长期监测。
微震监测定位技术的研究进展：1.定位精度提高：研究者们通过改进定位算法和传感器布置方式，提高了地下微震信号的定位精度。
现在的微震监测定位技术可以实现对地下微震事件的三维定位。
2.目标识别和分类：通过对地下微震信号的特征参数进行分析，研究者们已经实现了对不同类型的地下微震事件进行识别和分类，例如定位地震、洪水和岩体破裂等。
3.监测深度提高：通过改进传感器的灵敏度和信号放大技术，研究者们已经实现了对深层地下微震信号的监测。
现在的微震监测技术可以监测到几百米甚至上千米深度的地下微震事件。
4.同步监测网络：通过部署多个微震监测站点，并采用同步监测网络的方式，研究者们可以实现对区域内微震事件的协同监测和定位，提高监测的准确性和可靠性。
声发射与微震监测定位技术的研究进展主要包括监测范围的扩大、信号处理优化、嵌入式监测和远程监测，以及微震监测定位技术中定位精度的提高、目标识别和分类、监测深度提高和同步监测网络的发展。
岩石声发射的Kaiser效应及其应用
岩石声发射的Kaiser效应及其应用摘要：岩石声发射技术在岩土工程应用中具有重要意义。
借助于岩石声发射技术，可以再时间、空间和强度上分析岩石破裂过程中的力学行为与岩石内部结构变化之间的关系，揭露岩石破坏过程中的基本规律；可以了解岩石内部介质缺陷的状态；还可以推断认识缺陷形成的历史和发展的趋势。
在岩石的声发射中，kaiser效应是岩石材料的一种“记忆”现象，对于研究岩石的声发射机理以及在岩土工程中的应用有着重要地位。
本文介绍了岩石声发射技术以及岩石声发射的kaiser效应，从其在岩土工程实际中的应用说明了其重要意义。
关键词：声发射；弹性波；kaiser效应；应用；大地应力Rock acoustic emission Kaiser effect and its applicationChen zhouAbstract:Rock acoustic emission technique in geotechnical engineering application has important significance. With the help of rock acoustic emission technology, can be time, space and intensity analysis in the process of rock fracture mechanics and rock internal relationship between structural changes, exposing the rock failure process of basic law; can understand the rock medium defect state; can also be inferred knowledge defect formation in the history and development trends. In the rock acoustic emission of rock material, the Kaiser effect is a phenomenon of " memory ", for the study of rock acoustic emission mechanism and application in geotechnical engineering is very important. This paper introduces the rock acoustic emission technology and Kaiser effect of acoustic emission in the rock and soil engineering, from the actual application shows its significance.Key words：Acoustic emission; elastic wave; Kaiser effect; application; ground stress.1 岩石声发射基础固体物质在外界条件（机械载荷、温度变化等）作用下，其内部将产生局部应力集中现象，而应力集中区的高能状态是不稳定的，必将向稳定的低能状态过度，在这一过程中，应变能将以弹性波的形式释放，即声发射现象【1】。
煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制_左建平
第30卷第8期岩石力学与工程学报V ol.30 No.8 2011年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2011煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制左建平1，2，裴建良3，刘建锋3，彭瑞东1，李岳春2(1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；2. 中国矿业大学力学与建筑工程学院岩石力学与分形研究所，北京 100083；3. 四川大学水利水电学院，四川成都 610065)摘要：利用MTS 815试验机和声发射监测系统对单体岩石、单体煤和煤岩组合体进行单轴试验下的声发射测试，找出三者之间破坏机制的差异，从而为现场微震监测提供指导。
试验结果表明，随着荷载的增加，单体岩石、单体煤及煤岩组合体的累积声发射数都增加，并且煤及煤岩组合体单位体积的声发射数要比岩石的声发射数高1个数量级，这主要是煤的强度较低且内部结构松软破碎所致。
通过区分不同时段的声发射特征，得出三者破坏存在本质差异：随着荷载的增加，岩石的时段声发射数逐渐增多，煤的时段声发射数逐渐减少，而煤岩组合体的时段声发射先逐渐增加后逐渐减少。
岩石的抗拉强度最高，煤的最低，而煤岩组合体的位于单体岩石和煤之间。
对于煤岩组合体，岩石内部的声发射数约占声发射总数的10%～30%，煤体占70%～90%；并且声发射的空间分布主要受煤体结构及原生裂隙的影响。
关键词：岩石力学；煤岩组合体；声发射；破坏机制；三维空间定位中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)08–1564–07INVESTIGATION ON ACOUSTIC EMISSION BEHA VIOR AND ITSTIME-SPACE EVOLUTION MECHANISM IN FAILURE PROCESS OFCOAL-ROCK COMBINED BODYZUO Jianping1，2，PEI Jianliang3，LIU Jianfeng3，PENG Ruidong1，LI Yuechun2(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2. Institute of Rock Mechanics and Fractals，School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining andTechnology，Beijing100083，China；3. College of Water Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu，Sichuan610065，China)Abstract：Both of MTS 815 testing system and acoustic emission (AE) monitoring system are used to measure the AE activities of single rock，single coal and coal-rock combined body under uniaxial compression test. We focus on finding the discrepancies of failure mechanisms of the three；and then it can provide guidance for microseismic monitoring in the field. The experimental results indicate that with the increase of load，the cumulative AE numbers of single rock，single coal and coal-rock combined bodies are increasing. In addition，the AE numbers of unit volume of single coal or coal-rock combined body is about 1 order of magnitude more than those of single rock. It can be attributed to the low coal strength and its internal fractured structure. Through comparison of the AE numbers of different periods，we find the essential characteristics among the three kinds of samples. With the increase of load，the AE number in a time interval gradually increases in rock，decreases in coal，and increases initially and then decreases in coal-rock combined body. In the three kinds of samples，single rock and coal have the maximum and the minimum failure strength，respectively. However，the failure strength of coal-rock combined收稿日期：2011–02–14；修回日期：2011–03–31基金项目：高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金(201030)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB732002)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET–09–0726)作者简介：左建平(1978–)，男，博士，1999年毕业于中南大学机电工程学院机辆工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学、损伤、断裂及数值计算等方面的教学与研究工作。
岩石声发射b_值及其计算方法研究
·68·第8期张慧敏，等.大连自贸区岩质边坡稳定性评价在滑动面上边坡安全系数要根据极限平衡条件求得。
这时，安全系数等于总抗滑力比总滑动力如式（1）。
Fs=（CL+γV cosαtanφ）/γV sinα（1）式中：C代表岩土体的黏聚力，kPa；L表示滑动面的长度，m；γ表示边坡土体的容重，kn/m3；V代表岩体的体积，m3；α代表结构面的倾角，（°）；φ表示内摩擦角，（°）［7］。
计算结果见表2，由表2可知，平面滑动法所得到的边坡安全系数与上述赤平投影法所得到的边坡稳定状态相符合，三段边坡均处于稳定状态。
需要注意的是，通过平面滑动法得到的BC段边坡安全系数结果接近规范规定结果，理论上边坡仍处于稳定状态，但在实际工程应用中，这种类型边坡需要做支护处理，下文中有提及支护建议。
5边坡防护建议现场调查发现，该段边坡长时间暴露在外，在风化作用以及雨水的冲刷作用下，仍然存在坍塌滑落的风险。
而大连地处季风气候区，夏季多突发性暴雨。
据统计，大连日最大降水量为247.2mm，在这种条件下非常容易引发滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害［5-6］。
研究区域内岩体破碎，发育有大量节理、裂隙，遇降雨后易形成坡面径流，雨水沿着岩石上部裂隙不断渗入，在此条件下岩体会发生软化导致岩体抗剪强度降低，为滑塌创造条件。
观察该段边坡岩土体的情况可以发现，这段边坡坡度较大且遭受风化剥蚀严重，决定采取喷锚支护作为边坡的防护手段。
5.1支护技术参数设置全场黏结锚杆，锚杆长度6m，间距3×3m，梅花型布置。
AB段边坡支护如图5所示。
表面喷C20混凝土，混凝土厚度10cm。
坡面设置泄水孔，间距3×3m。
施工时坡面表面将松动和凸出的岩体凿除。
坡顶和坡底各设置一道截水沟，截水沟截面面积500×500mm2。
5.2支护施工工序支护施工工序如下：首先，清理坡面上的孤石、危岩及破碎岩体，并清除坡面植被；其次，分层清理坡面，清理一层完毕后立即进行坡面钻孔，设置锚杆；最后，喷射混凝土，挂设钢筋网，张拉锚索，设置坡面泄水孔。
含孔洞岩样破裂过程研究
ｓｓ ｍ ａ ｄｓｅｓａａｙｉｇｓｆ ａｅ ｔｅ３ ｉ ｒ ｒｃｓ ａ ａ ｔ ｙｔ ｏ ｃ ｍ ｌｓ Ｆ Ａ ． ｙｔ ｎ ｔ ｓ ｎ ｌ ｎ ｏｗ ｒ（ｈ ｆ ｌ ｅｐｏ ｅｓ ｎ ｌ ｉ ｓｓ ｍ ｆ ｏｋｓ ｐｅ ，Ｒ Ｐ ３ ｅ ｒ ｚ ｔ Ｄ ａｕ ｙｃ ｅ ｒ ａ Ｄ）
Ｋｅ ｙｗｏ ｄ Ｒｏ ｋ ｓ ｍｐ ｅ ｔ ｏ ｅ ｒｓ ｃ ａ ｌ ｓｗｉｈ ｈ ｌ ｓ，Ｆｒ ｃｕ ｅ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ，Ｓｏ ｎ ｍｉｓｏ ａ ｔ ｒ ｈａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｕ ｄ ｅ ｓ ｉｎ
矿产资源是人类赖 以生存 、 社会发展 的物质基 础， 其作用在 国民经济与社会 发展 中具有不可替代
（． Ｉ 中钢集 团马鞍 山矿 山研 究院有限公 司；． ２ 金属矿 山安全 与健康 国家重点实验 室）
摘
要
岩石是典型的非均匀脆性材料 ， 内部富含各种缺陷， 其 在受载破裂过程 中会产生大量
的声发射信号。在 实验 室内单轴加载条件 下， 用声发射监 测 系统 以及应力分析软件（ 应 三维岩石 破 裂过程 分 析 系统 ， Ｆ Ａ。 ， 究分析 了不 同孔洞数 目岩石试 样破 裂机 理 以及 其破 裂过 程 中的行 Ｒ Ｐ ） 研
用 的一种 地下 结构 形式 。一些 岩石 工程 ， 如硐 室 、 巷
遥感技 术 、 ｘ射线 （ Ｘ—Ｒ ｙ 技术 、Ｔ Ｃｍ ｕｅｚｄ ａ） Ｃ （ ｏ ｐｔ ｅ ｉ ｒ Ｔｍｏｒｐｙ 方法 、 时全息 干涉 技术 、 光散 斑 （ ａ ｏ ｇａｈ ） 实 激 Ｌ－
ｓ ｅ ｌ）声发射（ ｃｕ ｉ Ｅ ｉｉ ） ｅｓ ｃｅ、 ｒｐ ｋ Ａ ｏｓｃ ｍｓｏ 技术等手段。 ｔ ｓ ｎ 而声发射主要包括有限元方法和离散元方法。有限
单轴压缩条件下岩石损伤过程的声发射实验研究_潘懿
3． 3 声发射波形特征分析
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矿业研究与开发
不同受力变形阶段声发射波形如图 4 ～ 图 7 所 示。其统计特征如表 1 所示。
2011，31( 6)
图 4 压密阶段声发射波形
图 5 弹性变形阶段声发射波形
图 6 弹塑性变形阶段声发射波形
表 1 不同受力变形阶段声发射波形特征
破坏提供可靠的预测预报依据。
关键词: 岩石损伤; 声发射; 单轴压缩; 波形识别
中图分类号: TD315
文献标识码: A
文章编号: 1005 － 2763( 2011) 06 － 0056 － 04
failure of rock mass． Key Words: Rock damage，Acoustic emission，Uniaxial compression，Wave recognition
图 1 声发射事件分布
图 2 大理岩应力、应变与声发射事件关系
3． 2 应力、应变与声发射特性关系 从图 2 和图 3 可以看出，岩石试样压缩过程中
表现出的声发射特征大体为: ( 1) 岩石压密阶段，声发射事件数迅速增加，持
续较短时间后，又迅速减少，在应力应变曲线上表现 为应力增长速率较慢;
( 2) 弹性阶段，岩石压密阶段后，声发射事件进 入平静期，长时间内稳定在一个较低值，岩石所受应 力急剧增长;
采用数字化声发射系统，对单轴压缩条件下不 同岩石试样声发射特性进行分析研究，声发射测试 使用 6 个 PICO 传感器上下交叉布置，系统前置放 大器增益为 40 dB，设置声发射事件间隔为 3 μs。 2． 2 试验方法
将声发射传感器用胶皮圈与透明胶固定在试件 上，为保证耦合效果，在探头与试件接触部位均匀涂 上专用耦合剂。为尽可能减少端面影响，在试样上 下端面垫上滤纸。
《2024年三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》范文
《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言岩石破裂过程是地质学、岩土工程学等领域的重要研究内容。
随着科技的发展，三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究逐渐成为研究热点。
本文旨在探讨三维条件下的岩石破裂过程，并对其数值试验方法进行研究，以期为相关领域的研究提供参考。
二、岩石破裂的基本理论岩石破裂是指岩石在受到外力作用时，内部应力超过其承受极限，导致岩石结构破坏的现象。
岩石的破裂过程受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、地质构造、应力状态等。
在三维条件下，岩石的破裂过程更为复杂，需要考虑多方向应力、温度、湿度等因素的影响。
三、三维条件下的岩石破裂过程分析1. 理论模型：在三维条件下，岩石的破裂过程可以通过建立理论模型进行分析。
常用的模型包括弹性力学模型、塑性力学模型、断裂力学模型等。
这些模型可以描述岩石在不同条件下的应力、应变及破裂过程。
2. 数值模拟：通过数值模拟方法，可以更直观地了解岩石的破裂过程。
常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法、边界元法等。
这些方法可以模拟岩石在不同条件下的应力分布、裂纹扩展及最终破裂形态。
3. 实验观察：通过实验观察，可以更深入地了解岩石的破裂过程。
实验方法包括光学显微镜观察、电子显微镜观察、声发射监测等。
这些方法可以观察岩石的微观结构变化、裂纹扩展及破裂模式。
四、数值试验方法研究1. 有限元法：有限元法是一种常用的数值试验方法，通过将岩石划分为有限个单元，求解每个单元的应力、应变及位移等参数，从而分析岩石的破裂过程。
该方法可以处理复杂的几何形状和边界条件，但需要较高的计算成本。
2. 离散元法：离散元法是一种基于刚性块体运动的数值试验方法，适用于模拟岩体的不连续性。
该方法通过考虑块体间的接触和相互作用，模拟岩体的破裂过程。
其优点是可以处理大变形和失稳问题，但需要较细致的模型构建。
3. 结合实际：在实际应用中，可以根据研究目的和岩石性质选择合适的数值试验方法。
基于声发射与微震技术的新型岩体稳定性监测系统及应用
6) 震源定位, 通过多通道同步数据采集来测定 各传感器接收到的声发射与微震信号的到达时刻, 并结合各传感器坐标及岩体的实测波速通过优化的 定位算法求出震源位置 [ 3] 。通过震源 位置可以判 断岩体受破坏的主要部位。 112 系统组成
监测系统是 基于 RS - 485总线结 构的多通道 分布式测控系统, 主要包括监测仪、主控仪和上位机 三部分, 系统组成见图 1。监测仪和主控仪通过各 自的 RS- 485 接口连接在系统总线上, 由主控仪协 调各监测仪同步工作, 主控仪与上位机之间采用 RS - 232方式进行数据通信 [ 4] 。
系统安装完毕时, 正逢地压活动期, 期间共发生
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有 色 金 属 (矿山部分 )
第 60卷
两次大规模的岩体垮塌, 时间分别在 2006年 12月 6日 17: 30和 2007年 2月 6日 11: 45。两次垮塌前 后系统记录了大量的声发射与微震信号, 从频率上 可划分为高频和低频两类信号。
高频类信号能量小, 主震持续时间仅有数毫秒, 主频多在 8~ 15 kH z之间 ( 如图 2)。低频类信号能
关键 词: 声发射; 微震; 监测; 信号特征; 事件频度 中图 分类号: TD 315 文献标识码: A 文章编号: 1671- 4172 ( 2008 ) 04- 0032 - 04
A N ew System B ased on AE-M S T echnology for M onitoring Stability of Rockm ass and Its Application
1) 事件频度, 即单位时间内声发射与微震事件 数。对于一个突发型信号, 经过包络检波后的波形 超过预置的阈值电压时将形成一个矩形脉冲, 通过
岩石声发射特性研究综述
岩石声发射特性研究综述声发射试验主要在岩石力学试验中应用较广，国内外开展了大量的研究。
主要包括：单轴压缩，常规三轴试验下岩石、混凝土以及煤的声发射特征；探讨和研究了应力作用下，岩石的应力应变与声发射特征的关系，分析了岩石破坏工程中的声发射频率和振幅的分布规律；利用岩石声发射对矿山、隧道、大坝以及边坡进行检测，对建筑结构、桥梁和铁塔进行动态检测和完整性评价，并取得了丰硕的成果：陶纪南等对岩石声发射的试验研究表明，岩石临近破坏前声发射相对平静，甚至会多次出现，它是岩石逐次破坏、能量逐次释放过程中暂时平衡反映。
岩石声发射信号的事件频度历时累计曲线和岩石对应的位移历时曲线都具有指数函数规律。
提出岩石声发射特征参数应根据声发射脉冲和按频率展开的振幅谱都不连续的特点定义事件额度和声发射能率。
陈忠辉等采用统计损伤力学观点推导出在围压作用下岩石应力应变本构关系理论表达式, 并探求了岩样在快速增、卸围压时的本构特性, 在此基础上, 得到了岩样在快速增、卸围压时的声发射变化特征, 结果表明: 围压作用下的岩样快速卸围压, 促使声发射突增,而在一定范围内快速增围压, 声发射并不发生, 只有增加一定的轴压后, 才会有声发射。
唐春安根据统计细观损伤力学原理和岩石声发射原理，提出了岩石的声发射与岩石的损伤具有一致性假设，即N ∝D（N为岩石的声发射数，D为岩石损伤参量），并在解析解简单模拟岩石声发射规律的基础上，提出用有限元方法研究岩石声发射规律的基本思路：首先考虑岩石单元体参数的非均匀性，假定其服从某种统计分布特征，然后采用上述基本假设，在计算过程中对每个时刻的单元破坏数进行统计，并将它作为岩石声发射数的度量，最后借助数值计算方法来研究岩石的声发射规律。
赵洪宝等研究了含瓦斯煤的声发射特征，对含瓦斯煤岩的进行常规三轴试验，发现含瓦斯煤样破坏过程中没有特别明显的声发射事件密集区和稀疏区；而声发射事件振幅比较均一，且维持在一个较小的振幅水平附近，大振幅事件的出现呈现“三峰”特性；含瓦斯煤样破坏过程中的声发射事件能量随变形的增加而逐渐变大；屈服阶段至峰值强度处之间，声发射事件能量达到最大；之后含瓦斯煤岩破坏点；含瓦斯煤样破坏过程中的声发射事件的声发射计数、事件振幅和能量变化趋势与三轴压缩曲线呈滞后对应关系。
基于声发射技术的裂缝检测与监测应用综述
基于声发射技术的裂缝检测与监测应用综述发布时间：2022-11-07T06:53:48.648Z 来源：《科学与技术》2022年7月第13期作者：郑永来文源潘坦博[导读] 随着基础设施大规模建设高峰期逐渐远去，对于结构安全的关注重点逐渐由建设向运营与养护转移。
在评估构件与结构的健康状况时，采用无损检测技术对裂缝的进行正确检测与监测至关重要。
郑永来文源潘坦博同济大学摘要：随着基础设施大规模建设高峰期逐渐远去，对于结构安全的关注重点逐渐由建设向运营与养护转移。
在评估构件与结构的健康状况时，采用无损检测技术对裂缝的进行正确检测与监测至关重要。
本文将简要介绍无损检测技术中最为常用的技术——声发射技术，其可以应用于混凝土、复合材料、金属、木材与岩石等不同材料，是一项面向未来的、科学可靠的、市场广阔的技术。
关键词：声发射；监测；裂缝1 声发射技术的介绍1.1 声发射现象当固体材料受到超过其机械阻力承受能力的荷载作用时，其内部结构会发生错位与断裂，这个过程伴随着能量的释放，这种能量在介质中以机械波的形式，从损伤部位向周围环境传播，被称为声发射(Acoustic Emissions)。
声发射本质上是指在介质中产生非永久变形的高频应力波的传播，由于其振幅会迅速衰减，因此他们具有瞬态特性。
摩擦接触、冲击、热变形、以及裂缝的形成与扩展都会导致声发射的产生。
1.2声发射监测原理及其系统组成典型的声发射监测布置采用传感元件表面接触的布置方法。
大多数的声发射传感器基于压电效应原理研发，利用某些材料在收到机械应力时会产生电压的原理制作而成。
一般有两类AE传感器，即用于测量所有类型AE波的体声波传感器，及用于测量瑞丽波的表面声波传感器，后者应用较为广泛。
传感器接收到AE信号后通常被预放大，然后使用高速A/D转换器进行采样（理想情况下采样频率应高于1MHZ）。
通过这种方式会记录到两种类型的声发射信号，一种是连续型信号，另一种为突发型信号。
动静组合加载下岩石破坏的声发射实验
动静组合加载下岩石破坏的声发射实验王其胜;万国香;李夕兵【摘要】在霍普金森(SHPB)实验系统上进行了动静组合加载下岩石破坏的声发射实验,获得了动静组合加载下花岗岩声发射能量的变化规律.结果表明,动静组合加载下声发射能量规律呈现出2种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载末期,能量出现一定的回升,产生了"拐点";II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现"拐点".分别讨论了轴向静载和动载应变率对声发射能量的影响:声发射峰值能量随轴向静载增大而减小;当轴向静载位于岩石弹性段时,峰前声发射能量随静载缓慢增大,当轴向静载超过弹性段时,峰前声发射能量随轴向静载增大而急剧增大;声发射峰值能量和峰前能量均随动载应变率增大而减小.本研究对于重新寻求动静组合加载下岩石破坏的声发射前兆规律具有理论和实践意义.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2010(030)003【总页数】7页(P247-253)【关键词】爆炸力学;声发射;动静组合加载;峰值能量;破碎程度【作者】王其胜;万国香;李夕兵【作者单位】嘉应学院土木工程系,广东,梅州,514015;嘉应学院物理与光信息科技学院,广东,梅州,514015;中南大学资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】O3891 引言当岩石、混凝土等脆性材料受外力或内力作用时,在变形和破裂过程中伴随着声、电磁、光等物理现象,其中以弹性波形式释放的应变能现象称为声发射（acoustic emission,AE）。
声发射作为一种无损检测技术,是研究脆性材料失稳破坏演化过程的良好工具,能够对岩石等脆性材料内部损伤的产生和扩展进行连续、实时监测,并能够实现对其破坏位置的定位,这是其他任何监测方法都不具有的优点,因此被广泛应用于岩石、混凝土等材料的破坏研究。
真正意义上的声发射研究以1953年德国物理学家Kaiser所做的工作为标志。
基于声发射的各向异性页岩变形破坏特征研究
页岩是一种层理性及其明显的岩石，由于构成页岩的矿物颗粒形状大小不同，且散乱分布和组合，使得页岩体的力学特性和破坏机制产生了十分明显的各向异性特征[1-2]。
在常用的页岩水力压裂过程中，层理面总是早于岩体发生破裂，从而导致水力裂缝在逐渐延伸时沿着软弱面开裂，使得裂缝缝网难以产生，从而导致水力压裂的效率下降[3]。
岩石破裂过程中产生的声发射现象是因为外荷载加载至岩石试样上以后，其内部积聚的能量以弹性波形式释放引起的[4]。
而页岩所产生的声发射现象，本质上就是页岩在受到荷载作用而发生破坏时，自身内部从开始萌发微裂隙并逐渐扩展，直到最后发生贯通的这整个过程中伴随着一些声发射信号出现[5]。
进行不同层理角度页岩变形破坏及声发射特征研究，对于分析水力压裂过程中遇到的井壁稳定性以及水力裂缝扩展规律有着非常深刻的现实意义。
张茹等[6]对花岗岩受荷破坏的全过程进行了声发射信号的采集监测，最终分析得到其花岗岩应力–应变、声发射相关参数与应力和时间之间的关系。
张朝鹏等[7]分析研究了煤岩自身存在的层理对于其声发射时序参数、能量的释放规律、以及空间演化特征和声发射振幅分布的作用和影响。
索彧等[8]研究了页岩从受荷到发生破坏的整个过程中的力学性质和声发射特征。
王林均等[9]使用累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值、b值等声发射参数分析了其力学性质和声发射特征。
基于声发射技术开展的岩石破坏过程的研究工作形式多样，研究所采用的声发射参数也有所区别，本文不再一一引用和赘述。
单轴压缩下岩石的破坏过程是研究复杂应力状态下岩石力学性质的基础，且本文所研究的页岩具有很强的各向异性特征，因此对于利用声发射技术并且考虑页岩各向异性特征所开展的单轴压缩变形破坏研究，是非常必要的。
1 试验概况1.1 试样采集与制备基于声发射的各向异性页岩变形破坏特征研究田小朋1 高萍1 张伯虎21. 甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司 甘肃 兰州 7300702. 西南石油大学 四川 成都 610500摘要：为进一步研究各向异性页岩变形破坏特征，选取典型地区露头页岩，沿页岩自身层理面在不同方向取芯，进行基于声发射的单轴压缩试验。
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实验 方法
岩样编号
岩样尺寸 /(mm×mm×mm)
P 波波速 /(m·s－1)
花岗片麻岩
3 790
砂岩
4 910
单轴 压缩
大理岩 黑岩 花岗岩 1 红岩
花岗岩 2
70×70×150
70×70×75 70×70×100 70×70×150 70×70×200
5 820 3 630 3 810 3 650 3 710 3 970 3 790 3 940
(1. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004； 2. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)
摘要：应用声发射及其定位技术，采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不
同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程。实验结果表明，在岩石弹性变形阶段，声发射事件定位位置为岩样内部
rock samples are varied by the sizes of granite samples. The AE activity is influenced by crack generation during loading process；by contrast，the AE activity is different for various rock samples as well. The AE activity of granite sample shows stress jump，but few AE events are generated during initial loading processing and elastic loading period of sandstone. The AE events increase abruptly with the external loading，which is related to the
STUDY ON ROCK FAILURE PROCESS BASED ON ACOUSTIC EMISSION AND ITS LOCATION TECHNIQUE
ZHAO Xingdong1，2，LI Yuanhui1，LIU Jianpo1，ZHANG Jianyong1，ZHU Wancheng1
动具有突跳特性，这主要与岩石均质程度相关。声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置，
这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义。
关键词：岩石力学；声发射；岩石破裂过程；巴西实验；单轴加载来自中图分类号：TU 452
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)05–0990–06
第 27 卷 第 5 期
赵兴东，等. 基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究
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characteristics of rock components. AE location results also directly reflect the spatial position，direction and spatial curved face of crack propagation in the rock samples，which provides very significant evidences for the
(1) 加载系统：采用液压式压力实验机(NYL– 500 型，最大荷载 5 000 kN)进行加载，压力机的加 载速率控制在 5～8 kN/s。
(2) 声发射监测系统。 (3) 数据采集系统：采用应力传感器和动态应 变仪对岩石所加荷载和纵向变形进行量测。为消除 压力机压头对声发射事件的影响，在压头与试件接 触部分采用橡胶材料进行隔离。
2 声发射仪器简介及其定位原理
实验所采用的声发射仪器是由加拿大 ESG 公 司生产的，该仪器是一个综合的、全波形采集处理 系统，同时，很多源参数(能量、震级等参数)也被 实时计算。此声发射仪器具有 8 个数据采集通道， 整个声发射系统的采样频率设为 10 MHz，其门槛 值设定为 80 mV。所采用的声发射传感器为 Nano30
第 27 卷 第 5 期 2008 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.5 May，2008
基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究
赵兴东 1，2，李元辉 1，刘建坡 1，张建勇 1，朱万成 1
型(频域：125 Hz～750 kHz)；前置放大器型号为 1220A–AST(增益为 40 dB)；后置放大器的增益为 0～20 dB。整个声发射系统能够实现声波信号的采 集、空间定位、波形处理及事件发生时间确定，同 时本系统还可以对整个实验过程中，所发生的声发 射事件总数进行统计，并确定岩样内部裂纹破坏的 空间位置。声发射事件定位主要是通过不同位置的 传感器拾取 P(S)波到达时间差，应用盖格尔算法[12] 反演声发射源位置来反演岩石破裂源位置，进而实 现声发射事件的定位。声发射仪器及其定位原理详 见赵兴东等[13～15]的研究。
收稿日期：2007–11–26；修回日期：2008–02–17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574022，50674025，50504005)；国家重大技术研究发展规划项目(2007CB209405) 作者简介：赵兴东(1975–)，男，博士，1997 年毕业于焦作工学院矿井建设专业，现任讲师，主要从事岩石破裂失稳与控制方面的教学与研究工作。 E-mail：zhaoxingdong@
巴西 劈裂
花岗片麻岩 大理岩
φ100×50 φ100×50
三点 弯曲
花岗岩
70×90×700
注：巴西劈裂岩样尺寸单位为 mm×mm。
3 960 5 270 3 980
(a)
(b)
图 1 裂纹扩展过程声发射实验定位结果 Fig.1 Testing result of AE events location during crack
propagation process
给出了最终的定位结果及反映声发射活动特征曲 线，以供参考。 4.1 单轴压缩条件下岩石声发射事件定位
通过对岩样定位结果和实际破坏形式的比较发 现，声发射事件定位很好地反映岩样的实际破坏形 态，而且比较准确地对岩样裂纹的初始、扩展进行 定位(见图 1)。但此定位算法依靠时差进行定位，只 能反映裂纹初始及稳定扩展过程；在裂纹贯通瞬间， 其时差变化不明显，因此其不能反映裂纹扩展的非 稳定扩展及贯通过程。 4.2 三点弯曲声发射事件定位
尽管对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果， 但由于受到观测手段和方法的限制，不能对岩石内 部裂纹初始位置、演化过程进行实时监测，应用声 发射及其定位方法实时观测及定量分析裂纹初始和 扩展过程的研究更少。本文应用声发射及其定位技 术，系统实验研究了不同加载条件、不同岩样以及 不同尺寸岩石破裂失稳过程，直观反映了岩石内部 裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演 化过程，并分析了随应力变化其声发射活动规律。
3 岩样制作及加载条件
3.1 岩样制作 岩样种类分别为花岗岩、花岗片麻岩、大理岩、
砂岩(致密)，并严格按照国际岩石力学学会建议方 法在实验室内加工，岩样两端平整度 0.5 mm，尺寸 误差±0.3 mm，两端面垂直于轴线误差±0.25°。岩 样尺寸及 P 波波速见表 1。 3.2 加载条件
为对不同岩样破裂失稳过程进行研究，在东北 大学岩石失稳与控制实验室设计一套实验系统：
的应力集中位置；随着加载的进行，声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向，并直观地反映出其内
部裂纹稳定扩展过程。从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出，初始裂纹产生的位置具有随机特性，且
初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素。岩样尺寸影响其破坏模式，受加载过程裂纹初始时序不同影响其
声发射活动规律表现不一致；不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性，其中砂岩在加载过程其声发射活
4 实验结果与分析
通过应用声发射及其定位技术分别实验研究了 不同加载形式，不同岩样以及不同尺寸岩样的破裂 过程，限于文章篇幅限制，在实验结果分析中仅仅
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岩石力学与工程学报
2008 年
表 1 岩样尺寸及 P 波波速 Table 1 Sizes and P-wave velocities of rock samples
Abstract：Acoustic emission(AE) and its location technique are utilized to study the failure process of different sized rock samples under different loading conditions(uniaxial loading，Brazilian splitting testing and three-point bending loading). From experimental results，the position of AE events corresponds to the position of stress concentration during the elastic loading step. With the increase of external loading，AE instrument can exactly locate the position of crack initiation and propagation；and AE location events can reflect the stable crack propagation process. The AE location result of Brazilian splitting testing indicates that，the position of initial crack is generated randomly，and the initial crack is the primary factor inducing rock instability. The failure modes of