冲击性岩石应力状态与声发射信号频率特征相关性研究

 博士学位论文摘要：岩爆、冲击地压的发生是由岩体本身的物理力学性质与其所处的应力环境等因素综合决定的。声发射(acoustic emission,AE)技术是岩爆、冲击地压等这系列冲击性动力灾害监测预警的一种重要手段。通过分析冲击性岩石在不同受力变形破坏过程中的AE特征,推断岩石内部的性质变化,反演岩石的破坏机制及破坏程度,可进一步为岩爆、冲击地压等冲击性动力灾害源的识别、预警提供重要的技术途径。采用不同频率的AE检测通道,对不同冲击性岩石在不同受力方式下的AE信号频率及基本参数特征进行试验研究,主要研究内容与成果包括： (1) 通过对冲击性花岗岩进行单轴压缩、三轴压缩、单轴加卸载、三轴加卸载试验,分析围压对岩石冲击危险性的影响,得到岩石损伤能量释放率与损伤变量之间的关系,确定冲击性花岗岩具备发生冲击危险的最低轴向应力水平。 (2) 基于单轴加卸载扰动AE试验,研究了冲击性粉砂岩AE响应比值、弹性模量响应比值及变形响应比值随轴向相对应力水平变化规律,提出了在实际应用中,可综合利用多种因素响应比值变化规律进行联合预判来提高岩体失稳破坏预测的准确性。 (3) 通过对冲击性花岗岩在不同围压下循环加卸载AE试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低2种频率的AE通道中AE累计振铃计数、应力与时间的关系。基于此,研究AE不可逆性特征。同时,运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点的AE信号进行消躁,并采用FFT分析消躁后信号的频谱特征,得到冲击性花岗岩发生主破裂前Kaiser点的主频特征及变化规律,为进一步反演冲击性岩石的损伤破坏机制及破坏程度提供依据。 (4) 在冲击性花岗岩不同围压下循环加卸载AE试验的基础上,运用小波包频段分解法和G-P算法对Kaiser点信号及其相邻点的频段能量分布特征与AE能量关联维数进行研究,得到Kaiser点特征频段变化规律及Kaiser点AE关联维数均小于其相邻点的结论,为进一步揭示冲击性岩石的损伤破坏机制提供参考依据。 (5) 研究不同冲击倾向性岩石在单轴压缩和三轴压缩下的AE频率和基本参数特征,得到较强冲击性岩石、较弱冲击性岩石和非冲击性岩石在不同受力及变形破坏阶段的AE频率、优势频率、振铃计数、能量、撞击数等相关参数变化特征及规律,进一步为岩爆、冲击地压等冲击性动力灾害源的AE技术识别、预警提供基础依据。 (6) 建立了基于AE信号频段与岩石力学参数间关系的多频段AE信号频率识别模式,在此基础上,研究了冲击性花岗岩在单轴和三轴压缩下频率分布特征,得到冲击性花岗岩在单轴和三轴压缩下破坏失稳及临界破坏状态的频率组合识别模式。     

常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究

 通过岩石力学室内加载试验,对花岗岩在不同围压下的破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破裂全过程中的力学参数和声发射低频、高频信号特征,研究了低频、高频声发射信号的振铃计数、能量累计数与岩石应力、时间之间的关系,探求了声发射信号峰值频率在岩石主破裂前期的分布情况。研究表明：低频与高频通道接收的声发射信号基本特征--振铃计数、能量累计数在岩石破裂过程中的整体变化趋势基本相同,与岩石力学过程形成良好的对应;两通道的信号基本特征主要区别在于数值大小。在声发射频谱特征方面,岩石破裂的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征,表现为信号峰频分布由岩石加载初期的1～2个主频段(40～50 kHz和150～170 kHz频段)在岩石临界主破裂时增多到最多5个主频段(25～30 kHz、40～50 kHz、60～70 kHz、90～100 kHz及150～160 kHz频段)。     

两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别方法的试验研究

 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。     

二长花岗岩三轴加卸载过程中声发射特征分析

为认识二长花岗岩在不同受载路径条件下破坏过程中声发射特征,通过三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验,分析了玲珑金矿二长花岗破坏过程应力应变曲线和声发射特征参数的关系,结果表明:(1)在花岗岩的循环加卸载过程中,声发射信号主要出现在加载期的超过前一循环最大值的阶段和卸载过程的初期,弹性加载和卸载阶段后期基本无声发射现象;(2)岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关,在对二长花岗岩的加卸载试验的过程中,随着加卸载的进行,存在着声发射活动的活跃期和相对平静期;(3)主破裂阶段及峰后相对应力较高的时期所释放的能量要远高于卸荷阶段的初期、塑性变形的中后期这两个活跃期释放的能量,该阶段绝大部分的弹性应变能释放出来;(4)在岩石试样初期的循环加卸载过程中,岩石内部塑性破坏程度较低,Kaiser效应显著,后期的循环加卸载过程中即塑性阶段的中后期,Felicity效应显著;(5)岩石进入塑性变形的中后期,微破裂发展至破坏阶段,裂纹大量扩展、贯穿,形成宏观裂缝,弹性应变能大量释放,AE信号强烈,当达到塑性中后期的标志点时,岩石试件即到了主破裂的前夕。     

花岗岩剪切破坏过程声发射横、纵波特征试验研究

开展花岗岩剪切声发射监测试验,利用横、纵波2种传感器接收花岗岩剪切破坏过程的声发射信号,分析声发射横、纵波信号的变化规律及其异同点,探讨两类信号变化规律差异性的原因。研究结果表明：剪切破坏过程中声发射横、纵波事件率变化趋势不一致,纵波事件率在弹性阶段达到最大值后降低,峰值应力前出现“平静期”,累计计数呈“S”型变化;横波事件率在临近峰值应力时出现最大值,累计计数呈“指数”型变化。剪切破坏过程声发射横、纵波事件能量变化趋势一致,破坏过程能量不断增大,临近峰值应力能率达到最大值,累计能量陡增。声发射横、纵波信号频率演化和分布差异性明显,纵波主频在6个固定的频率,近似呈条带状演化,而横波频率成分复杂,主频条带状演化不明显;纵波主频集中分布在90～110 kHz,而横波主频离散分布在0～500k Hz。由于横、纵传感器类型的差异,对岩石破裂过程不同频率声发射信号响应机制不同,是二者声发射事件数量变化趋势不一致的原因;横、纵波声发射事件能量变化趋势一致,这可能与二者高能量的信号均呈现低频特征有关。研究成果进一步丰富和完善了对岩石破裂过程声发射信号特征认识,有助于深入揭示岩石破裂灾变机制。     

循环加载高应力对大理岩Kaiser效应影响的试验研究

声发射法(AE)广泛用于地应力测量。当单次加载Kaiser效应不明显时,可采用循环加载方式。通常各循环峰值加载应力大于岩石在地壳中所受最大应力?m,将大于?m的加载应力称为高应力。为研究高应力对岩石Kaiser效应的影响,对取自铜绿山矿的垂直钻孔岩芯进行循环加载试验,根据声发射特征曲线变化趋势及变形率分析法(DRA)地应力测量结果,对比水压致裂法所测地应力量值,确定不同加载阶段Kaiser效应点位置。研究结果表明:当循环加载峰值应力大于?m时,高应力将削弱与?m对应声发射事件的能量,使后续加载循环Kaiser效应不明显,同时会改变岩石之前记忆的应力值,使AE法地应力测量结果产生偏差;多次循环加载可导致岩石内部微结构面的破坏,其产生的大量声发射事件会混淆Kaiser效应点的辨识;因岩石差异性,高应力可能会取代岩石之前所受最大应力,成为岩石记忆的新应力。鉴于此,采用循环加载方式时,首次加载峰值应力A?应不超过?m,同时应使岩石跨过压密阶段进入线弹性阶段。铜绿山矿所取岩样循环加载试验结果表明,A?较合适的取值范围为岩石单轴抗压强度的6%~28%。此外,还给出声发射法和DRA法联合用于地应力测量的合理加载方式。     

花岗岩灾变声发射信号多参量耦合分析及主破裂前兆特征试验研究

 通过开展花岗岩单轴压缩声发射试验,提取花岗岩破裂过程声发射信号的能量、主频和主频幅值,分析花岗岩破裂过程中3种耦合关系：破裂尺度和能量、能量和主频幅值、能量和主频的关系。以能量为媒介,探讨破裂尺度和声发射信号特征(能量、幅值和主频)之间的对应关系,研究花岗岩破裂过程中不同破裂尺度对应声发射信号的演化规律,探索岩石破裂的声发射前兆规律。研究结果表明：花岗岩破裂过程中存在4种模式声发射信号：低频高幅值、低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值。花岗岩破裂过程中大尺度破裂声发射表现为低主频、高幅值和高能量的特征,对应低频高幅值声发射信号;小尺度破裂表现为低幅值和低能量,低、中和高主频共存的声发射特征,对应低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值3种模式声发射信号。中、高频低幅值和低频高幅值3种模式声发射信号,适合作为花岗岩破裂预测的主要信号源,前兆特征表现为：中、高频低幅值信号逐渐消失,低频高幅值信号出现,即出现中、高频低幅值信号平静,而低频高幅值信号不平静的现象。高频低幅值和低频高幅值信号的前兆响应系数为0.2,中频低幅值信号前兆响应系数为0.14,相比中频低幅值信号,高频低幅值和低频高幅值信号的前兆响应时间早,前兆响应能力较强。     

二长花岗岩三轴压缩下声发射特征围压效应的试验研究

 岩石材料在受载情况下,发生变形和内部破裂,储存的部分能量以应力波的形式释放出来,产生声发射现象。采用三轴压缩试验和声发射试验,研究玲珑金矿二长花岗岩声发射特征与力学参数之间的关系。结果表明：(1) 岩石试样在三轴试验条件下,其声发射特征基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,其中压密阶段在围压对岩石材料的压实作用下没有明显体现出来。(2) 通过分析围压对岩石记忆效应的影响得出,在相对低围压水平时,Kaiser效应显著性会随轴向应力水平提高而降低,Felicity效应显著增大;随着围压水平的提高,Kaiser效应显著增大,Felicity效应显著降低。(3) 在声发射法测量地应力过程中采用三轴试验更为适合,三轴试验可消除应力环境不同和高应力水平Kaiser效应模糊所引起的误差,使测量值更接近实际岩体所处的应力状态。(4) 随着围压水平的提高,岩石的抗压强度随之提高,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征,表现为突然激发出高能量振铃计数率、能量累积迅猛增加,并且伴随没有峰后曲线的岩石突然破裂现象。     

复杂加卸载路径下闪长玢岩强度特征及声发射特性试验研究

选取典型深部矿山脆性岩石进行加卸载岩石力学试验,对复杂应力路径下脆性岩石的力学及破裂特征进行对比分析。采用声发射设备对破裂过程中声发射演化特征进行研究。研究表明,岩石的力学性质和变形特性与围压有密切的关系,围压的增加使围岩逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;对试件进行卸围压操作,容易造成岩石的突然破坏,同时造成了岩石强度的降低;由破裂形式素描图可知,卸载造成破坏更加剧烈,岩石表面出现大量竖向裂纹,卸载往往造成岩石的复合拉压破坏,且卸载破坏的的声发射计数率远远加载破坏。卸载破坏过程中,岩石声发射演化过程总体分为3个阶段,包括峰前平静期、活跃期及峰后平缓期,每个时期都有一个应力、应变及振铃计数临界值,需要通过大量试验及现场测试。     

含层理岩石的AE特征分析及基于Kaiser效应的地应力测试研究

 针对煤矿沉积岩系地应力测试需要,通过单轴压缩声发射实验,分析顶板含层理沉积岩系岩石试件的破坏特征、声发射特征,研究Kaiser效应点的综合判断方法及基于声发射Kaiser效应的地应力计算方法。研究表明：(1) 单轴荷载作用下,无层理岩石试件破坏过程为：加载→完全破坏,表现出脆性破坏特征;含层理构造的岩石试件的破坏过程为：加载→局部滑移剪切破坏→加载→剪切带失稳、岩石试件破坏。(2) 无层理岩石试件的AE总计数随时间的增长趋势表现为“缓慢增长→急剧飙升”型,而含层理岩石则呈现出“台阶状”上升趋势,分析认为产生这种不同规律的根源在于岩石内部损伤破坏过程的差异性。(3) 通过研究AE特征提出Kaiser效应点综合判断方法,并完善Kaiser效应法地应力计算方法,最终得到测点地应力为： = 25.06 MPa, = 13.75 MPa, = 8.07 MPa,验证表明：计算结果在大小及方向上均具有一定的可信度。故提出的Kaiser效应点判断方法和地应力计算方法可用于Kaiser效应法地应力测试,该实验研究方法和结果可为工程实践或类似研究提供借鉴和参考。     

岩石破坏声发射时频分析算法与瞬时频率前兆研究

 为得到以时间、频率、幅度和动态过程为特征量的多维度瞬时频率前兆信息,为岩爆等地质灾害的预测提供原理上的支持,开展岩石破坏声发射波形分析的研究。以花岗岩单轴压缩为实例,对声发射大数据的分割、时频分析理论与算法,以及时频分析窗函数的滤波性能的优化进行了理论分析与计算机实验。建立分割短数据的时间/频率分辨率的计算公式与大数据优化分割的基本原则;阐明时频分析窗宽度与频率域指标的优选方法;提出时频分析的综合优化算法,即：先用对声发射大数据进行最优分割、再根据短数据的特点对分析窗进行优选、用优化的短时傅里叶变换进行主频带定位、再用维格纳变换进行主频带中心频率的识别、最后对变换后的时频图进行精细化处理,以充分展现其中蕴含的动态信息。时频分析综合优化算法的应用表明：分割的短数据较好地反映了在不同应力水平下裂纹扩展的动态过程;分析窗的优化提高了时频变换的频率局部化性能并减少了频谱泄漏效应;解决了短时傅里叶变换不能精确描述主频分布的问题,避免了维格纳变换中“交叉项”的识别问题。应用多维度瞬时频率前兆可以更好地描述岩石破坏非线性过程的前兆信息,为岩石破坏的预测与机制认识提供新的、有力的手段。     

莱州花岗岩应变岩爆实验声发射频谱特征分析

深部岩爆的发生对应着岩石的猛烈破坏,同时产生弹性应力波,相应的就会有声发射现象发生。声发射频谱特征的变化能够反映岩爆发生的本质信息,因此开展此方面的研究有着重要的理论与应用价值。利用自主研发的深部岩爆过程模拟实验系统,进行了花岗岩循环加卸载条件下的岩爆声发射模拟实验。首先对花岗岩的应变岩爆实验过程进行划分,分析其声发射释能特征;其次,选取实验过程中的关键特征点声发射波形信息并对其进行傅里叶变换,观察各关键特征点的原始波形特征、二维频谱特征,寻求岩爆时刻的本征频谱;从其二维频谱功率谱图上,获取各个关键特征点的频谱响应特征和其对应的幅值特征,研究其频谱响应规律。研究结果表明:岩爆时刻区别于其他阶段最明显的特点就是声发射表现为连续型波形,低频高幅值特征。     

Relation between Kaiser effect levels and pre-stresses applied in the laboratory

This study aims to investigate the relation between the Kaiser effect (KE) levels and pre-stresses applied to rock samples in laboratory. For the purpose, a number of test specimens were obtained from different types of rock and a mortar block. Deformation and crack propagation stages were identified for each sample group. Based on the thresholds of these stages, the specimens were subjected to selected pre-stresses under uniaxial and axisymetric triaxial loading under laboratory conditions. Following the laboratory preloadings, acoustic emission (AE) experiments were carried out on the specimens under uniaxial loading conditions to determine the KE levels. The comparisons made between the laboratory pre-stresses and the KE levels suggest that the KE level is not equal to one of the pre-stress values or their differences, and should be related to combined effect of axial and confined pre-stresses, and some rock dependent characteristics.     

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

声发射测量地应力综合分析方法与实验验证

通过岩石声发射试验测量地应力需要确定声发射某个参数或参数累计的试验曲线的拐点,即Kaiser效应点,针对作图法难以精确确定试验曲线拐点的难题,提出了声发射试验测量地应力的一种综合分析方法,即首先通过作图法求取试验曲线的拐点作为近似的Kaiser效应点,其次采用G-P算法计算声发射能量关联分形维数,将近似的Kaiser效应点邻近的能量关联分形维数最小点确定为最终Kaiser效应点,对应的应力值即为试验中试件加载方向的原岩应力值。为了验证该综合方法的有效性,进行了现场套孔应力解除试验,得到了试件加载方向的实测应力值,共进行了11个试件的岩石声发射试验,试验结果表明：综合分析方法得到的地应力值精度明显高于作图法,可作为岩石声发射测量地应力试验的一种新的分析方法。