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。

Correlation on frequency characteristics of acoustic emission with stress state of bump-prone rocks