两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别方法的试验研究

第30卷第3期岩石力学与工程学报V ol.30 No.3 2011年3月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2011

两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别

方法的试验研究

王小琼，葛洪魁，宋丽莉，和泰名，辛维

(中国地震局地球物理研究所，北京 100081)

摘要：岩石声发射(AE)是研究岩石内部变形与破坏机制和测量地应力的重要手段之一，但利用AE Kaiser效应测

量地应力尚未标准化，许多情况下Kaiser效应点不易判别。为了提高Kaiser效应点的识别能力，对取自鄂尔多斯

盆地的21块砾岩、砂岩、泥岩等岩芯开展单轴压缩AE测试试验。分析不同应力下AE的规律以及岩性、加载模

式和AE参数对Kaiser效应点识别的影响。结果发现：不同载荷条件下AE事件具有不同的数量、能量和频率特

征，在Kaiser效应点判别方面，砾岩比砂岩和泥岩更易获得地应力读数；循环加载优于分级循环加载，优于单次

加载模式；累积能量优于振铃数和AE数。结合岩芯不同应力下的微观变形破裂机制，可以认为，存在2种类型

的AE事件：一为原有裂隙闭合和颗粒间摩擦引起的摩擦型AE，一为新裂隙扩张引起的破裂型AE，破裂型AE

能够更好地反映AE对应力的记忆。为了突显Kaiser效应点，应尽量压制摩擦型AE，突出破裂型AE。建议在地

应力测试中采用循环加载方式消除摩擦型AE的影响，预压应力水平应超过预先估计的地应力，采用累积能量作

为Kaiser效应点的识别参数。

关键词：岩石力学；声发射；摩擦型AE；破裂型AE；Kaiser效应；地应力；试验

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)03–0580–09 EXPERIMENTAL STUDY OF TWO TYPES OF ROCK SAMPLE ACOUSTIC EMISSION EVENTS AND KAISER EFFECT POINT RECOGNITION

APPROACH

WANG Xiaoqiong，GE Hongkui，SONG Lili，HE Taiming，XIN Wei

(Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China)

Abstract：Acoustic emission(AE) is an important means to study rock internal micro-deformation and failure mechanism，the Kaiser effect is one of the common used methods of geostress measurement which is not standardized now. In many cases the Kaiser effect points are not obvious. In order to improve the ability of identifying Kaiser effect point，uniaxial compressive AE experiments of 21 rock samples are carried out. The samples derived from Ordos basin and consist of conglomerate，sandstone and mudstone. Comparison of the influence of lithology，loading mode and AE parameters on Kaiser effect point recognition are made. The results show that conglomerate is better than sandstone and mudstone；cyclic loading is better than step cyclic loading and monotonic loading；accumulated energy is better than AE and counts for identifying Kaiser effect point. The analysis of counts，power and frequency of AE events and the deformation and cracking micromechanism of rock samples under different load levels and cycles，suggesting that there are two types of AE events：one is frictional AE caused by the closure of original cracks and friction between the particles of rock；the other is cracking AE

收稿日期：2010–10–09；修回日期：2011–01–21

基金项目：中国地震局地球物理研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目(DQJB09A01)

作者简介：王小琼(1984–)，女，2007年毕业于武汉大学固体地球物理学专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学、主动和被动成像方面的研究工作。E-mail：wxq4526@

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produced by the new failure extension or dislocation. Suppressing frictional AE and highlighting cracking AE can make Kaiser effect point more clear. It is recommended that the cyclic loading should be used to eliminate the frictional AE，and accumulated energy should be used to indentify Kaiser effect point，and the pre-loading stress level should exceed the estimated geostress.

Key words：rock mechanics；acoustic emission；frictional AE；cracking AE；Kaiser effect；geostress；experiment

1 引言

地应力测量对于工程应用具有重要意义，岩石声发射(简称AE)是测量地应力的有效方法之一。美国材料与试验协会(ASTM)对AE现象的定义如下：材料内局部能量源快速释放而产生瞬态弹性波的一种现象[1]。AE测量地应力的理论基础是Kaiser效应，指对具有应力记忆能力的材料进行再加载后，如果未加载到以前所受的最大应力时几乎不发生AE，当超过此值时有显著AE发生[2]。1963年，R.

E. Goodman[3]提出岩石材料中也同样具有Kaiser效应。此后AE作为测量地应力的一种重要方法，广泛应用于各行各业[4～7]。

国内外学者对地应力测试和AE机制开展了大量的试验研究。T. Kanagawa等[6]认为，Kaiser效应对应于岩石经历的最高应力。K. Michihiro等[7]却认为，Kaiser点对应于产生饱和残余应变的应力。丁原辰等[8～10]用“抹录不净现象”解释了上述2种观点，认为AE活动曲线上有“抹录不净点”和Kaiser点。滕山邦久[11]详尽地阐述了经历时间、围压等对Kaiser点的影响，以及如何采取循环加载方式突出Kaiser点。刘峥和巫虹[12]分析了围压以及岩性对Kaiser点的影响，认为泥岩Kaiser效应不明显。S. Yoshikawa和K. Mogi[13]采取第一次加载和第二次加载之间的AE活动差异性的急增点作为Kaiser点。到目前为止，AE Kaiser效应的研究多是对测试现象加以总结，Kaiser效应的机制、规律和影响因素等还有待进一步研究，AE测量地应力的方法步骤尚未标准化，许多情况下Kaiser效应点(简称Kaiser 点)不易判别。利用Kaiser效应测试地应力也往往带有经验性。因此如何精确获得Kaiser点，特别是深化岩石AE微观机制，掌握AE特征、影响因素和变化规律并用于提高Kaiser点识别(地应力测试)精度，还有待进一步的研究。

AE监测仪器系统，特别是连续波形记录能力和宽频带AE探头的应用，为利用AE波形信息(频谱分析、能量分析等)创造了条件。本文利用先进的全波形记录AE测试系统，对取自油田深部的21块砾岩、砂岩、泥岩等岩芯开展了单轴压缩AE测试试验，通过分析不同载荷下岩石AE的波形特征，研究了AE的机制与规律，根据岩石变形破裂的微观机制和AE特征，提出了岩石存在摩擦型AE和破裂型AE两类事件，并且分析了这2类AE事件的特征以及与Kaiser效应的关系，同时，分析了岩性、加载模式和AE参数对Kaiser点识别的影响，提出了一套利用Kaiser效应测试地应力的方法，对所测试岩芯获得了较好的Kaiser点。

2 试验方法与试验仪器

2.1 试验仪器和试验系统

本次试验采用美国物理声学公司(PAC)的PCI–II声发射系统以及美国MTS电液伺服加载系统(见图1)。MTS压机载荷的最大量程为 1 000 kN，

(a)PCI–II AEwin系统

(b)MTS

图1 PCI–IIAEwin系统和MTS

Fig.1 PCI–II AEwin system and MTS