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第28卷增1岩石力学与工程学报V ol.28 Supp.1 2009年5月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2009 单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究刘保县1，2，黄敬林1，王泽云1，刘立1(1. 西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039；2. 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044)摘要：为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系，更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律，进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制，利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统，对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究，分析单轴压缩煤岩的声发射特性，提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量，建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型，得出煤岩的损伤演化曲线和方程。
研究表明，声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况，与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关，煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。
基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。
单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。
煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化，直至出现宏观裂纹，再由裂纹扩展到破坏的全过程。
关键词：岩石力学；煤岩；损伤演化；声发射；损伤变量中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增1–3234–05 STUDY ON DAMAGE EVOLUTION AND ACOUSTIC EMISSIONCHARACTER OF COAL-ROCK UNDER UNIAXIAL COMPRESSIONLIU Baoxian1，2，HUANG Jinglin1，WANG Zeyun1，LIU Li1(1. School of Architecture and Civil Engineering，Xihua University，Chengdu，Sichuan610039，China；2. Key Laboratory for the Exploitation of Southwestern Resources and the Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400044，China)Abstract：In order to study the deformation and damage character under load and to further reveal the evolutionary process and the time effect mechanism of coal-rock，damage evolution and acoustic emission(AE) character of coal-rock under uniaxial compression are studied using MTS815 servo-controlled rock mechanical test system and 8CHS PCI–2 AE system. AE character of coal-rock under uniaxial compression is analyzed. A new damage variable，which is defined based on normalized cumulative ring-down count of AE，is proposed；and the damage model of coal-rock under uniaxial compression is established. Damage evolution curve and equation of coal-rock are obtained. The results show that AE information can reflect internal damage of coal-rock and is closely related with primary crack compression and evolutionary course of new crack generation，growth，and connectivity. AE can describe the deformation and damage evolution character of coal-rock. The new damage model of coal-rock under uniaxial compression is reasonable；the deformation and damage evolution process can be divided into three phases including the stage of initial damage，the stage of damage stable evolution and development，and the stage of damage accelerating development. The development of coal-rock deformation and damage can be regarded to be gradual，which is the whole process from deformation and damage initiation and evolution to the appearance of 收稿日期：2008–04–23；修回日期：2008–08–20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50504011)；高等学校重点实验室访问学者基金资助项目作者简介：刘保县(1972–)，男，博士，1995年毕业于重庆大学资源及环境科学学院采矿工程专业，现任教授，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。
Series No.386 Augest 2008 金 属 矿 山MET AL M I N E总第386期2008年第8期3国家863计划专题课题(编号:2007AA06Z107),教育部新世纪优秀人才支持计划(编号:NCET-07-0163),中科院岩土力学重点实验室开放基金(编号:Z110607)。
张省军(1967—),男,东北大学资源与土木工程学院,博士研究生,110004沈阳市和平区文化路三巷11号东北大学265信箱。
・地质与测量・基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究3张省军1,2 刘建坡1,3 石长岩1 李元辉1 赵兴东1 杨宇江1(1.东北大学;2.济南钢城矿业有限公司;31中国科学院岩土力学重点实验室)摘 要 在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。
选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。
结果表明:在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。
这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。
关键词 岩石力学 声发射 岩石破坏 b值 能量释放率Study on Precursory Character isti cs of Rock Fa ilure Ba sed on Acousti c Em issi on Exper i m en tZhang Shengjun1,2 L iu J ianpo1,3 Shi Changyan1 L i Yuanhui1 Zhao Xingdong1 Yang Yujiang1(1.N ortheastern U niversity;2.J inan Gangcheng CopperM ine Co.;3.Keylaboratory of Rock and Soil M echanics,Chinese A cade m y of Scioence.)Abstract Experi m ents on acoustic e m issi on(AE)characteristics of comp lete r ock failure p r ocess are carried out un2 der uniaxial l oading.The stress2strain curve,the relati on bet w een AE characteristics and ti m e are obtained.The relati on of the ti m e with cu mulative AE events,AE energy release rate,and the b2value of the relati on bet w een the magnitude and fre2 quency are selected t o study the p recurs ory characteristics of r ock failure.The results show that during the initial l oading phase,AE events are very fe w and its cu mulative nu mber rap idly increases at the late phase of the r ock elastic defor mati on and at the p lastic phase;the AE energy keep s a l ow release rate f or a l ong ti m e during the r ock fracturing p r ocess but exhib2 its an evident release just bef ore the r ock failure.Before the r ock instability failure,b2value will dr op quickly,with that of most r ock samp les reaching the l owest value before the r ock failure,These p recurs ory characteristics are significant for the field app licati on of AE monit oring and forecasting technol ogy s o as t o i m p r ove the accuracy of in2situ r ock mass monit oring and f orecast.Keywords Rock mechanics,Acoustic e m issi on(AE),Rock failure,b2value,AE energy release rate 对于脆性岩石材料而言,岩石的破坏过程与其内部微裂纹演化过程是一致的,岩石破裂主要表现为其内部的微裂纹的初始、扩展。
岩石变形破坏的声发射演化特征实验研究
岩石是地壳中的主要构成物质，其在地质过程中常常经历变形和破坏。
了解岩石变形破坏过程对于预测地壳运动和地震活动具有重要意义。
声发射是一种由岩石内部产生的微小振动信号，可以提供关于岩石变形破坏的重要信息。
本研究旨在通过实验研究，探索岩石变形破坏的声发射演化特征。
实验选取了不同类型的岩石样本，包括花岗岩、片麻岩和砂岩，分别进行了力学加载实验。
实验中使用了高灵敏度的声发射传感器，以捕捉岩石变形破坏过程中产生的微小振动信号。
通过记录和分析声发射信号的频率、能量和数量等参数，可以了解岩石变形破坏的演化特征。
实验结果表明，在岩石样本受到加载时，声发射信号呈现出明显的演化特征。
首先，声发射事件的数量随着加载增加而增加，表明岩石变形破坏过程中产生的微小裂纹和断裂事件逐渐增多。
其次，声发射信号的能量随着加载增加而增加，说明岩石变形破坏的程度逐渐加剧。
最后，声发射信号的频率在岩石变形破坏过程中会发生变化，表明岩石内部的局部应力状态不断变化。
通过进一步分析声发射信号的时序关系，可以发现岩石变形破坏过程中存在着明显的前兆信号。
这些前兆信号可以提供岩石变形破坏的预警信息，对于预测地壳运动和地震活动具有重要意义。
总之，岩石变形破坏的声发射演化特征实验研究揭示了岩石在受力加载过程中产生的微小振动信号的变化规律。
通过分析声发射信号的数量、能量、频率和时序关系等参数，可以深入了解岩石变形破坏的过程和机制。
这对于地质灾害预测和地震活动研究具有重要意义，也为岩石工程和地质工程提供了参考依据。
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。
第17卷第2期 2008年2月中 国 矿 业CHINA MINING MAG AZINE Vol.17,No.2February 2008岩石压裂过程中的声发射信号研究周瑶琪,王爱国,陈 勇,周振柱(中国石油大学地球化学与岩石圈动力学开放实验室,山东东营257061) 摘 要:当岩石受力变形和断裂时,会产生声发射现象(弹性波),对其声发射事件的分析,可用来研究岩石裂纹形成机制和断裂过程。
本文利用M EMS 传感器对花岗岩单轴压裂过程的声发射事件进行研究,发现岩石试样破裂失稳可划分为四个过程。
在整个应力加载过程中,声发射事件次数随岩石应变先呈增长趋势,后在岩石发生宏观断裂前呈减少趋势;声发射能量一直呈增长趋势,在岩石宏观断裂时达到最大;其声发射信号的频率一般为200～700Hz ,随断裂的发生有降低的趋势。
研究同时也表明,可通过对事件本身的定位(微震源定位)来研究岩石断裂位置。
因此,M EMS 传感器可应用于煤矿、水库和油田压裂等微地震的监测。
关键词:岩石压裂;M EMS ;传感器; 中图分类号:TD311 文献标识码:B 文章编号:1004-4051(2008)02-0094-04R esearch on acoustic emission of rock fractureZHOU Yao 2qi ,WAN G Ai 2guo ,CH EN Y ong ,ZHOU Zhen 2zhu (Laboratory of G eochemistry and Lithosphere Dynamics in ChinaUniversity of petroleum ,Dongying 257061,China ) Abstract :The rock sample will generate acoustic emission when it was suffering the external or internalloading 1The mechanism and process of rock failure is used to study by analyzing acoustic emission 1In this paper ,through analyzing the signals of acoustic emission under mono 2axial compression loading ,the total failure process of sample is caref ully divided into four procedures 1With the loading increasing ,the events of acoustic emission gradually increased with the strain changing in the first and began to decrease afterwards before the sample faulting totally 1The energy of acoustic emission continuously increased to the maximum when the sample faulting totally 1The f requency of acoustic emission was generally the content :2002700Hz and decreased continuously along with the failure process At the same time ,the M EMS geophone can be used to monitor the micro 2seismic event of coal mining ,water reservoir and hydraulic fracturing through the research of failure location 1 K ey w ords :rock f racture ;micro 2electro 2mechanical systems ;geophone ;acoustic emission收稿日期:2007-11-12基金项目:863项目(2006AA09Z340)作者简介:周瑶琪(1963-),男,湖南人,博导,从事地球化学与地球物理研究。
第23卷 第15期岩石力学与工程学报 23(15)：2499～25032004年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，20042003年3月7日收到初稿，2003年4月24日收到修改稿。
* 国家“十五”科技攻关项目(2001BA609A-09-02)资助课题。
作者 李庶林 简介：男，39岁，博士后，2000年于东北大学工程力学专业获博士学位，现任教授级高工，主要从事岩石力学、地压监测和地质灾害等方面的教学与研究工作。
E-mail ：shulin.li@ 。
单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究*李庶林1，2尹贤刚2王泳嘉1 唐海燕2(1东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110004) (2长沙矿山研究院岩体力学研究所 长沙 410012)摘要 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。
关键词 岩石力学，岩石破坏，声发射，时间，监测和预报分类号 TU 45 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)15-2499-05STUDIES ON ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICS OF UNIAXIALCOMPRESSIVE ROCK FAILURELi Shulin 1，2，Yin Xiangang 2，Wang Yongjia 1，Fang Haiyan 2(1School of Resources and Civil Engineering ，Northeastern University ， Shenyang 110004 China ) (2Division of Rock Mechanics ，Changsha Institute of Mining Research ， Changsha 410012 China )Abstract Experiments on acoustic emission (AE) characteristics of full-regime rock failure are carried out on stiffness test machine (MTS). The mechanical properties of rocks and acoustic emission characteristics ，including full-regime curves ，AE counts and AE rate ，are obtained. The relations among AE counts ，AE rate ，stress levels ，and time are analyzed in detail. The results show that the Kaiser effect does not occur for every rock samples subjected to simple loading. During the initial and late stages of elastic domains ，AE counts increase rapidly with the increase of stress level. But when the curve is near to the peak ，AE counts obviously drop ，which means that there is a relatively tranquil period. The AE rates change dramatically in different stages. In post-peak region ，AE events stay evident and the AE characteristics depend on the failure type of rocks. Key words rock mechanics ，rock failure ，acoustic emission(AE)，time ，monitoring and prediction1 前 言岩石受力破坏的过程是其内部微破裂萌生、扩展和断裂的过程，在这个过程中岩石会产生声发射现象。
这个现象早在20世纪30年代就由美国矿山局的Obert 所发现，并把声发射技术应用到矿山矿柱岩体稳定性和岩爆的监测预报中[1]。
自那时以来，声发射技术在国外岩土工程和矿山岩体稳定性监测方面得到推广应用[2]。
我国金属矿山自70年代开始• 2500 • 岩石力学与工程学报 2004年应用该项技术来监测采场顶板的稳定性，随着声发射监测设备的改进和发展，近年来岩石声发射监测技术在矿山地压研究中得到了广泛的应用[3～6]。
虽然在岩石声发射监测技术的设备研制与开发和应用研究方面已取得很大的成就，但岩石声发射技术是理论研究落后于工程实际的少数学科，特别是对于岩体失稳的声发射监测预报应用方面，迄今为止仍然是一大难题。
这是因为人们尚未掌握岩石破坏的前兆判据，实际应用中监测预报大多是基于经验判断，缺乏可靠的判别依据和理论基础，致使监测预报的成功率不高、效果不理想，这也是制约声发射监测应用技术的一个关键点。
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机理，提出合理的岩石破坏的前兆判据。
2 岩石声发射试验研究在受压岩石破坏全过程声发射特征研究方面，国内外一些学者进行过广泛的室内试验研究，包括岩石受压、张拉、剪切和断裂试验条件下的声发射特征研究等，且主要是研究岩石峰值强度前的应力、应变与声发射参数之间的关系[7～9]。
对于单轴受压岩石破坏全过程声发射特征，特别是声发射参数与时间变量之间的特征关系则研究得不多，尚未见到相关的报道。
众所周知，在岩石受力变形直至破坏的过程中，岩石塑性变形过程，是非等时变化的。
对于岩石声发射监测技术的应用来说，主要是依据声发射参数对时间的变化过程来对岩石的稳定性进行评价，时间是监测预报的一个基本变量。
基于这种思考，本文主要对单轴受压岩石破坏全过程、声发射参数对时间变化特征进行试验研究，力图寻找岩石破坏过程的声发射参数的时序变化特性，为岩石声发射监测预报技术的现场应用提供依据，提高岩石稳定性声发射监测预报的准确率。
2.1试验设备及装置试验采用加载控制系统和声发射监测系统2套装置。
试验加载设备是MTS851型液压伺服岩石力学试验机，该试验机经改造将原来的模拟控制系统升级为全数字计算机自动控制系统。
该系统的配置基于Windows平台的可视化操作软件，可跟踪记录当前荷载、应力、位移、应变值的大小，并同步绘制载荷-位移、应力-应变曲线等。
声发射监测系统可对声发射事件自动计数、存储，可与计算机通讯，实现对声发射的实时监测，并可进行波形和参数的分析。
试验装置见图1。
2.2试验内容对取自三山岛金矿的斑状黑云母化花岗岩、绢云母化花岗岩和辉绿岩、厂坝铅锌矿的结晶灰岩、铅锌矿石、黑云母片岩等岩石试样进行单轴受压岩石破坏全过程试验，研究岩石受力、变形直至破坏全过程声发射参数特征和时间过程特征等。
通过试验研究，探索单轴受压岩石变形直至破坏全过程的时间特性、声发射参数的时间过程特性以及岩石破坏全过程与声发射参数之间的特性等。
2.3试验测试方法试验时，保持加载过程与声发射监测同步。
对加载系统采用轴向应变控制加载，加载速率为2×10－6 mm/mm·s－1。
对声发射监测系统，设定声发射监测的采样间隔为50 μs，频率为102～104 Hz，为尽可能减少噪音的干扰，选择高的声信号触发电平为3.6或4.5 mV，使试验只测定岩石单轴受压破坏的声发射大事件。
同时，为消除加载系统的环境噪音，在对试件进行加载前，应率定加载系统的噪音图1 试验装置图Fig.1 Experimental equipments第23卷第15期李庶林等. 单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究 • 2501 •水平。
3 试验结果与分析岩石受力变形直致破坏全过程中，以恒定的加载速度，保持加载系统和声发射监测系统同步进行。
MTS系统以4次/s的间隔速度采集数据自动记录应力、应变和时间，并同步绘制荷载-位移、应力-应变曲线图；以等应力增量间隔或等时间间隔，读取声发射仪记录的声发射事件数，并抽样存储声发射事件的波形。
3.1岩石变形与声发射特征在全部试验岩样中，大部分岩石受力变形的特点大体上相近，都是经历初始压密、弹性、塑性和峰后破坏4个阶段，只有辉绿岩的初始压密阶段不明显。
本次试验研究进一步观察了岩石在峰值点前的受力变形特点，发现有的岩样在达到其峰值强度的85%～90%之后，出现一段应力增长减缓、而相对应的应变量明显增加的塑性变形阶段，这个阶段在荷载-位移图上很明显。
特别是这个阶段的持续时间较长，但是时间参数在荷载-位移曲线图上却被掩盖了。
具有这种特点的岩石，其在这一阶段的声发射就出现明显的相对平静现象。
图2为试验测得的具有这种特点的一典型的绢英岩化花岗岩岩样的荷载-位移曲线，该岩样的破坏形式为典型的单一剪切面破坏。
从图2中可以看出，该岩样具有明显的初始压密阶段，随后进入弹性阶段。
从图中可以明显看出，在接近峰值点之前、荷载90 kN之后，应变增加迅速，而应力增加缓慢，荷载-位移曲线明显趋缓。
图2 荷载-位移关系曲线Fig.2 Load-displacement curve在峰值强度之后，载荷-位移出现了3次应力突降，从宏观的肉眼观察为几条临近的宏观斜裂纹之间的岩桥破坏、裂纹沟通形成的最终破坏面。
在临近应力降之前，都出现了一段较长的时间延迟和声发射事件的相对平静，然后是应力的突然降低，声发射事件数的突然增加。
3.2应力、应变与声发射之关系在所进行的试验研究中，对岩石声发射监测研究全部是采用一次性加载方式。
通过试验发现岩石在峰值前的声发射事件与应力、应变之间的关系具有2种典型的类型：第1种类型是AE曲线与应力-应变相近似，在初始压密阶段几乎不出现声发射现象，在进入弹性阶段时声发射事件迅速增加，即出现所谓的Kaiser效应的特征点，有趣的是Kaiser效应特征点一般出现在压密阶段的后期或是弹性阶段的初期；第2种类型是AE曲线近乎为直线，不出现或不明显出现Kaiser效应特征点。
