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］。
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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】。
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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