《岩石声发射技术概论》
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秦四清 《岩石声发射技术概论》大部分材料都是非均质的和有缺陷的，在外应力作用下 ，内部强度较低的微元体在局部应力集中到某一程度时发生破坏（产生塑性变形），使局部应力松弛，产生应力降，造成局部区域快速卸载，因而产生声发射。材料产生声发射的必要条件是：（1）局部塑性变形或断裂产生应力降；（2）快速卸载，如果卸载的时间较长，释放的能量减小，就可能使灵敏度较低的检测仪器检测不到声发射信号。此外，仪器能否接受到信号还与材料的性质有关，如果材料的衰减系数很大，也有可能接受不到信号。P8 一个瞬变信号的能量定义为E =1∞2V (t ) dt ，式中R 是电压测量电路的输入阻抗，V (t ) 为?0R与时间有关的电压。据此，将声发射信号的幅度平方，然后进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，作为信号所包含的能量的量度。P13塑性变形及微裂纹成核产生的声发射：在应力作用下，位错源的作用使一个晶粒内的屈服强度降低了，由此释放的能量是 E q =(σ2-σi 22E ) d 3微裂纹成核时释放的能量为：51Gb σth 1b σth E q =2k [σi +() 2]d 2，式中k =[]2 d 2E (1+γ)在微裂纹成核时释放的能量比塑性变形时大，且此时起作用的位错源也最多，那么有可能在微裂纹成核时，即在屈服应力处，声发射率出现峰值。（对真三轴也成立）P23 脆性岩石中晶粒断裂产生的声发射释放的能量：E q =σ22E d 3，式中E 为弹性模量。若把阀值应力视为晶粒开始断裂所对应的应力，则初始声发射（应力为σ0）释放的能量为：E q =σ022E d 3 P25声发射不仅取决于材料所处的应力状态，而且取决于材料的力学性质，即强度特性。声发射总数与加载速率无关，声发射率与加载速率有关。P26低脆性岩石裂纹尖端塑性变形过程产生的声发射释放的能量：123B A 2m 2σs m 2-3E q =K I 4=A 3K I 4，A 3为常数。A 2为与材料性质有关的常数，m 2为64π(m 2+1)(3-m 2)硬化指数的倒数。P30脆性岩石中裂纹扩展产生的声发射释放的能量：试验数据表明，晶粒断裂对声发射的贡献很小，声发射主要来自于原有裂纹的增量。对于脆性岩石，声发射主要与裂纹扩展有关。当裂纹扩展?a 时，释放的应变能：E q =AK I ?a P34由于声发射率与应力强度因子及裂纹长度增量有较弱的对数依赖关系，一旦充分超过声发射的应力强度因子阀值，则声发射率主要与裂纹扩展速率有关。 ' 2Mirable 曾计算出裂纹尖端塑性变形过程释放的能量约为10-11—10-7J 之间，裂纹扩展释放的能量约在10-6—10-1J 之间。考虑到低脆性岩石裂纹尖端的塑性变形小，释放的能量也较小，故在裂纹扩展期间释放的能量将远大于其塑性变形时释放的能量，因而塑性变形过程产生的声发射可以忽略。P35用一般刚性压机加载时，过峰值强度后，应变速率开始增长。在发生应力降的瞬间，应变速率达到某一极大值，此时声发射率曲线亦出现一个峰值。可以预料：压机刚度越大，声发射率第一峰值与第二峰值之间的“平静时期”越长，第二峰值的幅度越低。若用理想刚性压机加载，则第二峰值不会出现。P40连续型声发射对应变速率很敏感，具有应变速率效应。声发射与岩石的应变速率有明显的关系。当应变增加时，声发射出现；当应变减小时声发射极少，甚至没有。特别当应力接近岩石破裂强度时，这种触发作用变得越明显。应变控制和应力控制试验声发射特性不同。应力控制试验中，在试样接近破裂时，应变速率实际上是逐渐增大的，故声发射率会急剧升高。因此，声发射试验，最好应采用应变控制方式加载。P45岩石的不均匀性对声发射也有影响。（1）非常均匀的岩样中，破坏前声发射极少；（2）不均匀岩样中，破裂前有一些声发射；（3）在非常不均匀的样品中，加力后不断出现声发射，其强度和频度不断增加直到破坏。P47考虑到岩石是一种不均匀及各向异性的材料，再加之加工应力及加载初期裂纹闭合的影响，一般不应选取初始声发射点作为凯塞尔效应特征点。笔者的做法是：根据声发射能量—时间曲线的急增开始点和能率—时间曲线斜率由缓变陡的转折点总和确定凯塞尔效应特征点。P112
第３期彭新明，孙友宏，李安宁：岩石声发射技术的应用现状３０５活动，他发现上述茂木的研究结果可与宾涅夫斯基（Ｂｉｅｌｌｉａｗｓｋｉ）于１９６７年提出的岩石脆性破坏四阶段相对应，即：①在应力较低时，岩石中裂隙闭合阶段；②当应力逐步增加，岩石发生线弹性变形阶段；③应力继续增大，开始出现新裂纹，岩石处于裂隙稳定扩展阶段；④当应力加大到某种程度时，岩石处于裂隙失稳扩展阶段．终致产生断裂破坏，并不是所有的岩石在断裂前都经历上述四个阶段。保伊斯总结了大量的试验结果，归纳出四种类型：Ｉ型裂隙闭合、线弹性变形、裂隙稳定扩展和裂隙失稳扩展声发射四阶段完全具备的岩石，如花岗岩、片麻岩、自云岩和某些砂岩等。Ⅱ型声发射活动经历裂隙闭合、线弹性变形阶段后立即进入裂隙失稳扩展阶段，缺失裂隙稳定扩展阶段的岩石，如大理岩及某些页岩等。Ⅲ型声发射活动只表现出线弹性变形、裂隙稳定扩展和失稳扩展三个阶段的岩石，如云母片岩及某些页岩等。Ⅳ型声发射活动只有线弹性变形和裂隙失稳扩展两个阶段的岩石，如石灰岩、粉砂岩等。这种根据声发射特征对岩石脆性破坏机制的研究，揭示了岩石破坏的发展过程。国内学者也在这方面进行了一些研究，在多种岩样上用多种形状的压头进行了单齿压入试验，分别测定了它们产生的声发射特征。根据试验结果找出了不同压头作用下声发射率曲线的变化特点．根据声发射率的变化曲线将脆性岩石的受力破碎过程分为若干阶段，并对影响岩石声发射的因素进行了分析。另外曾做了压头压人时声发射图像与岩石破碎过程的关系的研究，试验得到了声信号频率和平均幅度的图像，并据此对较硬岩石的破碎阶段进行了划分。另外还发现岩石压人硬度与声发射的峰值平均幅度有良好的相关关系“。１．４坑道岩体稳定性监测随着矿山开采深度的增加，矿井内的地压力越来越大，围岩会出现顶板冒落及巷道岩爆等一系列地质灾害，已成为采掘设计、井巷支护中必须解决的工程地质问题。因而，国内外广泛开展了利用岩石声发射技术监测和预报矿井内发生的冒顶和岩爆。７０年代初、冶金工业部安全技术研究所李典文等开始研究声发射技术在矿山工程中的应用，研制成功了多种便携式声发射监测系统，对一些矿山危险工程进行了安全监测，预报了大面积地压灾害和采场冒顶。１９８１年７月～１９８２年８月门头沟煤矿曾用ＹＳＳ型岩体声发射监测仪对该矿２０队工作面进行了安全监测，这是我国第一次在煤矿中应用声发射技术预测井下地压。取得了满意的结果。根据煤矿要求，李典文等人又研制成功了ＳⅥ（一１型安全火花岩体声发射监测仪。１９８８年１１月，西安地质学院谭以安完成了题为“岩爆形成机理研究及综合评判”的博士论文，提出了“劈裂一剪折一弹射”三阶段的岩爆发生机制。美国矿务局对煤矿中顶板的冒落曾利用声发射技术进行过一系列研究工作，其研究重点在于监测预报可能发生冒顶的地段及其发生的时间。美国矿务局曾对科尔达兰（ｃ。ｅｕｒｄ’ＡＩｅｎｅ）金属矿岩爆进行了大规模的长期声发射监测研究，多次成功地记录了岩爆发生前后声发射讯号。目前，声发射技术还存在预报不准的现象。如有时声发射频度异常，而没有发生岩体破坏；有时岩体发生破坏，却没有明显的前兆信息。因而，尚需对声发射信号的声源机理进行研究，并进一步研制抗干扰能力强、信号处理功能强的现场监测仪器［８Ｊ。岩石声发射技术的应用现状作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：彭新明， 孙友宏， 李安宁彭新明(北京市地质工程勘察院,北京,100037)， 孙友宏(长春科技大学工程技术学院,吉林,长春,130026)， 李安宁(北京市地质矿产勘查开发局,北京,100050)世界地质WORLD GEOLOGY)13次 参考文献(9条)1. Hupe A J. 吴光琳 用套钻应力解除法和声发射凯塞效应法测定花岗岩中的原位应力 1996(05)2. Katz L J Drill bit location guidance by seismic seen feasible 19803. Asanuma H. Hardy H R Acoustic emission associated with rock drilling tests under laboratoryconditions 19904. 汤凤林 利用声发射研究钻进过程 1995(04)5. 汤凤林 利用声发射研究钻进过程 1995(05)6. 彭一民 岩石声发射技术的应用与进展 1989(04)7. 吴光琳 压头压入时声发射图像与岩石破碎机理关系的探讨 1992(02)8. 胡定成 声发射技术在坑道工程中的应用 1991(03)9. 吴光琳 声发射技术在岩石力学领域中的应用 1991(04) 相似文献(10条)1.期刊论文 郭小云. 熊甜甜. 樊刚 关于声发射技术在岩石工程中应用的研究进展 -科技信息（学术版）2008(32) 本文从Kaiser效应应用方面,介绍了岩石的Kaiser效应及声发射技术在岩土工程中的应用.最后讨论了声发射技术未来的研究方向.2.学位论文 尹贤刚 岩石声发射技术理论、实验与应用研究 2003该论文评述了声发射技术国内国外的发展状况,采用MTS液压伺服刚性压力机和DYF—2便携式声发射仪等技术手段,对取自厂坝铅锌矿和三山岛金矿的岩石进行受力破坏过程的声发射特征室内实验和声发射Kaiser效应实验研究.通过实验揭示岩石破裂过程中应力、应变、声发射参数与时间参数之间的关系,进一步探讨岩石破坏的机理,提出岩石破坏的前兆判据.在室内实验研究的基础上,吸取非线性科学理论的思想与方法,运用分形理论建立声发射事件振幅和声发射累积数时间序列的数学计算模型,对试件破坏的声发射前兆特征进行分析,通过计算岩石破坏各阶段声发射强度维和关联维的分形维数的变化来描述岩石破坏过程的特征,寻找岩石破坏的判据.运用灰色GM(1,1)预测模型和分形理论相结合,建立现场岩体失稳声发射灰色—分形耦合预测预报的数学力学模型.同时,借助于VisualC语言开发基于Windows操作系统的岩体失稳声发射灰色—分形耦合预测预报这一模型的可视化处理软件,采用该软件来处理现场声发射监测数据,计算分形维数,对岩体稳定性进行综合评判,并使这一套系统在矿山的实际声发射监测预报中得到应用.3.期刊论文 张艳霞. 何晖. ZHANG Yan-xia. HE Hui 岩石声发射的Kaiser效应研究进展 -地下空间与工程学报)简要介绍了声发射技术的原理、发展史,从Kaiser效应应用方面,还介绍了声发射技术的研究成果.还介绍了岩石的Kaiser效应及声发射技术在岩土工程中的应用.最后讨论了声发射技术未来的研究方向.4.期刊论文 王祥. 孙来顺. 黄斌 声发射技术在地应力测量中的研究现状 -中国水运（下半月）)介绍了国内外岩石声发射技术在测量地应力的应用现状和目前的主要问题,以及声发射Kasier效应进行地应力测试的基本原理,结合现今声发射信号处理的理论试验成果,阐述了小波分析在地应力测量中的重要性,最后根据存在问题,展望了岩石声发射技术测量地应力的发展趋势.5.学位论文 罗啸泉 川西坳陷中段上侏罗统蓬莱镇组次生气藏成藏模式 1996该文依据地质、地震、测井等资料,应用石油地质动力学理论,对川西坳陷中段上侏罗统蓬莱镇组次生气藏成藏条件进行了研究,研究中采用了BP神经网络模型,模糊判别法,粘土矿物"X"衍射,岩石声发射技术,包括测温等新技术,取得了这样一些认识.6.期刊论文 金解放. 赵奎. JIN Jie-fang. ZHAO Kui 岩石声发射测量地应力信号处理技术研究 -江西理工大学学报)针对目前岩石声发射信号处理存在的问题,在对岩石声发射技术和信号处理技术归纳的基础上,对比了目前各种信号处理的方法,指出了小波分析理论满足岩石声发射信号处理的要求;接着,利用频谱分析等找出岩石声发射信号的频率范围;进而,通过分析研究得到合适的小波基、阈值形式;最后,对信号进行分解、去噪、重构和压缩.经理论分析和实例结果说明,借助Matlab软件,应用小波分析和小波包分析理论,可有效进行岩石声发射信号分析和处理.7.期刊论文 任丽华. 林承焰. REN Li-hua. LIN Cheng-yan 构造裂缝发育期次划分方法研究与应用——以海拉尔盆地布达特群为例 -沉积学报)以海拉尔盆地苏德尔特构造带布达特群古潜山油藏裂缝性储层为例,对构造裂缝发育期次的划分方法进行了探讨;在大量岩心观察的基础上,结合区域构造演化史,综合采用裂缝充填物的同位素分析、包裹体测温和岩石声发射技术等,分析了裂缝的形成期次.研究认为布达特群主要存在三期构造破裂:第Ⅰ期裂缝的形成与南屯末-大磨拐河组沉积时期的构造运动有关,缝内以方解石充填为主,形成温度介于72～76℃之间,并见有烃类包裹体,但其成熟度较低.第Ⅱ期裂缝是在伊敏时期区域伸展作用下形成的,又细分为两个亚期,第一亚期裂缝以方解石充填为主,方解石形成温度介于117～132℃之间,是深埋高温环境下的产物;第二亚期裂缝以微-细晶石英充填为主,其形成温度介于120～154℃之间.相对来讲,第Ⅱ期烃类成熟度明显增强.第Ⅲ期裂缝是在伊敏末期强烈的抬升作用下形成的,裂缝内充填了微-细晶方解石和石英.其形成温度介于89～110℃之间,烃类成熟度减弱.裂缝发育期次划分对于恢复裂缝发育演化历史具有重要意义.8.学位论文 段波 岩石Kaiser效应及隧道围岩稳定性分析 2004利用岩石Kaiser效应测定隧道围岩地应力以及分析围岩稳定性是岩土工程领域的重要研究课题之一.Kaiser效应是指施加于金属材料的应力达到其所受到的最大先期应力时才开始出现明显声发射的现象.美国学者Goodman(1963)实验发现Kaiser效应在岩石材料中仍然成立.由于岩石的这种记忆效应,使得我们能够通过室内实验来计算出岩石地应力大小和方向,应用于隧道围岩稳定性分析.该文以岩石声发射技术、岩石力学、工程地质学、地质构造学及数值分析等交叉学科的理论为基础,从地质历史分析与力学分析紧密结合的观点出发,通过大量试验以解决岩石Kaiser效应测定隧道围岩地应力.通过室内岩石单轴压缩试验,我们得到岩石的弹性模量、泊松比等物理力学指标,并且通过声发射仪记录下岩石压缩破坏过程中产生的声发射频度值,并对其中特征明显的频度值所对应的声发射特征值进行组合计算,结合该地区的地质历史,得出隧道围岩中岩石的主应力大小和方向,并进行围压下的地应力大小的修正,并将其中得到的现今地应力场应用于隧道围岩稳定性数值计算分析中.通过以上的计算分析,从得到的地应力结果认为基本符合该区域历史和现今地应力特征,该方法可以应用于隧道围岩地应力测试中,并且简单有效,对于指导隧道设计和施工都有一定的意义.9.期刊论文 尹贤刚. 李庶林 用岩石声发射凯塞效应量测地应力研究 -采矿技术)凯塞效应在实际工程中的应用越来越受到重视,通过介绍利用岩石声发射技术进行地应力测试的基本原理和实验方法,指出该方法具有比一般应力解除法进行现场地应力量测所特有的经济、简便、有效的优点,并且还介绍了利用该方法对厂坝铅锌矿地应力进行测试的实例,最后指明对凯塞效应有影响的一些因素以及有待进一步研究的方向.10.会议论文 尹贤刚. 李庶林 用岩石声发射凯塞效应量测地应力研究 2006凯塞效应在实际工程中的应用越来越受到重视,通过介绍利用岩石声发射技术进行地应力测试的基本原理和实验方法,指出该方法具有比一般应力解除法进行现场地应力量测所特有的经济、简便、有效的优点,并且还介绍了利用该方法对厂坝铅锌矿地应力进行测试的实例,最后指明对凯塞效应有影响的一些因素以及有待进一步研究的方向. 引证文献(12条)1. 褚静 土木工程结构的无线AE测试系统设计与实现[期刊论文]-现代商贸工业 2010(1)2. 平健. 李仕雄. 陈虹燕. 夏媛媛 微震定位原理与实现[期刊论文]-金属矿山 2010(1)3. 杨文博. 申强. 张臣. 韩帅 声发射在土木工程中的应用[期刊论文]-交通标准化 2009(12)4. 褚静 土木工程结构的无线AE测试系统的设计与实现[期刊论文]-网络财富 2009(24)5. 陈景涛 岩石变形特征和声发射特征的三轴试验研究[期刊论文]-武汉理工大学学报 2008(2)6. 邹银辉. 董国伟. 张庆华. 吕贵春 波导器中声发射信号传播规律研究[期刊论文]-矿业安全与环保 2007(6)7. 何建平. 王宁 声发射技术在土木工程中的应用发展[期刊论文]-西部探矿工程 2006(11)8. 邹银辉. 赵旭生. 刘胜 声发射连续预测煤与瓦斯突出技术研究[期刊论文]-煤炭科学技术 2005(6)9. 邹银辉. 文光才. 胡千庭. 许进鹏 岩体声发射传播衰减理论分析与试验研究[期刊论文]-煤炭学报 2004(6)10. 邹银辉 煤岩声发射机理初探[期刊论文]-矿业安全与环保 2004(1)11. 邹银辉 煤岩声发射机理及实验研究[期刊论文]-湘潭矿业学院学报 2003(4)12. 赵向东. 王育平. 陈波. 姜福兴 微地震研究及在深部采动围岩监测中的应用[期刊论文]-合肥工业大学学报(自然科学版) 2003(3) 本文链接：http://d..cn/Periodical_sjdz.aspx授权使用：北京科技大学(bjkjdx)，授权号：fd0e382a-5f02-40cc-b335-9e7200dee552下载时间：日
第30卷 第10期 岩 土 工 程 学 报 Vol.30 No.10 2008年 10月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Oct., 2008岩石声发射定位技术及其实验验证赵兴东1，2，刘建坡，李元辉22，3，田 军，朱万成22（1. 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 . 东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004；3. 中国科学院岩土力学重点实验室，湖北 武汉 430071） 摘 要：岩石是典型的非均匀脆性材料，其内部富含各种缺陷(微裂纹、空隙、节理裂隙等)，在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。对含不同预制裂纹及完整岩样进行单轴压缩实验，应用声发射仪器及其盖格尔（Geiger ）定位算法对岩样破裂过程的裂纹扩展过程进行实验验证。实验结果表明：在单轴压缩加载条件下，含预制裂纹的岩样发生剪切破坏；完整岩样发生劈裂破坏。声发射事件的定位达到较高的精度，很好地反映了岩样内部微裂纹孕育、萌生、繁衍和扩展的三维空间演化模式，不论是含裂纹还是完整试样的声发射定位结果与实际破坏模式非常吻合，这为研究岩石破裂失稳机理提供有力的工具。关键词：声发射；Geiger 算法；裂纹扩展；实验验证中图分类号：TU452 文献标识码：A 文章编号：(72–05作者简介：赵兴东(1975– )，男，辽宁辽中人，博士，讲师，主要从事岩石失稳与控制方面的教学与研究工作。E-mail: zhaoxingdong@mail.。Experimental verification of rock locating technique with acoustic emissionZHAO Xing-dong1, 2，LIU Jian-po2，LI Yuan-hui2, 3，TIAN Jun2，ZHU Wan-cheng2(1. State Key Laboratory of Geohazards Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, C 2. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, C 3.Key Laboratory of Rock andSoil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China) Abstract : Rock was a kind of typical inhomogeneous brittle material abundant in various deficiencies such as microcracks, gaps and joints and would generate a large quantity of acoustic emission signals during damage process under loading. Application of locating techniques with acoustic emission to monitoring rock damage was a good method to study 3D spatial evolutional pattern of microcrack initiation, propagation, expansion and breakthrough during rock failure process. The Geiger locating algorithm was used to verify the locating precision of acoustic emission generated during rock failure. It was shown that the locating precision of acoustic emission would be much better if the Geiger locating algorithm was applied. The rock acoustic emission system was accurate and could monitor the real-time microcrack propagation. The process of the acoustic emission and rock damage were consistent and the locating results could reflect the process of initial, propagation and breakthrough of microcracks accurately. The locating results of the intact specimens and the samples with pre-cracks were in acordance with the real failure pattern of rock, indicating that it was a good tool to study the rock failure mechanism. Key words: G mi experimental verification0 引 言当岩石等脆性材料受外力或内力作用，由于其本身的弹性形变、裂纹扩展，造成其材料内局部能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象，称为声发射（Acoustic emission，简称AE ）[1-2]，亦被称为弹性波发射。声发射是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，因为它能连续、实时地监测脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，这是其它实验方法都不具有的特点，已被广泛应用于研究岩石、混凝土等脆性材料的破裂失稳机理研究。目前，国内外许多岩石力学工作者，利用声发射系统研究岩石的失稳破坏，并获得了大量的研究成果───────基金项目：国家自然科学基金项目（）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目（）；国家重大技术研究发展规划（973）项目（）；中国科学院岩土力学重点实验室开放研究基金项目（Z110607）；国家高技术研究发展计划（863计划）专题课题（）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-07-0163）；中国博士后基金项目（，）；沈阳市大型仪器共享项目 收稿日期：第10期[3-10]赵兴东，等. 岩石声发射定位技术及其实验验证 1473。初始裂纹的产生、扩展是诱发岩石、混凝土等脆性材料进一步破坏的根本因素，为研究岩石、混凝土等脆性材料的破裂失稳过程，必须先清楚初始裂纹的形成及扩展。因此，声发射事件定位是进行岩石破裂失稳过程研究的首要工作。目前，按照声发射定位原理分[11-15]：区域定位法和点定位法（时差定位法）；按照声发射传感器布设位置分线性定位、平面定位、三维立方体定位。常用的几种定位方法主要有：最小二乘法（Fedorow ，1974）[16]、Bayesian 定位方法（Tarantola 和 Valette ，1982）[17]、慢度离差法[18]、相对定位法（A TD ）[19]、Geiger （1912）定位方法[13]和单纯形定位方法[20]。其中，Geiger 定位方法是高斯–牛顿最小拟合函数的一个应用，适用于小区域地震事件。Scholz 在1968年用一组声发射探头组成探头阵，确定每个声发射事件的三维空间位置。许昭永、梅世蓉等[21]研究了在真三轴压缩条件下几种岩样的微裂纹初步定位，通过声发射事件定位能够勾勒出岩石损伤区域。Jansen D P等[22]应用声发射技术研究了岩石破裂过程中，随着时间变化，勾勒出三维微裂纹分布，描述岩石损伤累积、裂纹成核以及宏观裂纹扩展。本文在以上研究成果基础上，应用声发射及其定位技术，对声发射的定位机理进行了分析，在此基础上实验验证了单轴压缩条件下岩样内部裂纹扩展三维空间演化过程，为研究岩石破裂失稳机理奠定了基础。对于P 波到达每个传感器的时间t o i ，可以用试验点坐标计算出的到达时间的一阶泰勒展开式表示：?t ?t ?t ?tt o i =t c i +i ?x +i ?y +i ?z +i ?t 。 (2)?x ?y ?z ?t 式中 t o i 为第i 个传感器检测的P 波的到达时间；t c i为由实验点坐标计算出的P 波到达第i 个传感器时间。 在式（2）中：?t (y -y )?t i (x i -x )，i =i ， =?y vR vR ?x?t i (z i -z )?t i ，=1， =vR ?t ?z1 声发射定位算法声发射定位算法主要有单纯形算法和Geiger 算法，此二种算法均基于不同位置传感器接收到的声发射信号的时间差（本文以P 波时差）来计算[23]。本文岩石声发射定位实验验证过程中采用的算法为Geiger 算法。Geiger 定位方法通过从一个给定的初始点（试验点）通过迭代而接近最终结果。每一次迭代，都基于最小二乘法计算一个修正向量?θ(?x ，?y ，?z ，?t ) ，把向量?θ加到上次迭代的结果（试验点）上，得到一个新的试验点，然后判断这个新试验点是否满足要求，如果满足要求此点坐标，即为所求震源位置；如果不满足则继续迭代。每次迭代的结果都由下面的时间距离方程式（1）产生（注意：式（1）中的θ(x ，y ，z ，t ) 是由人为设定或迭代产生的已知数）。 ?(x i -x )+(y i -y )+(z i -z )?=v p (t i -t ) 。 (1)??式中 x ，y ，z 为试验点坐标（初始值人为设定）；t 为事件发生时间（初始值人为设定）；x i ，y i ，z i 为第i 个传感器的位置；t i 为P 波到达第i 个传感器的时间；v p 为P 波波速。 22212R =?(x i -x )+(y i -y )+(z i -z )?，??对于N 个传感器，就可以得到N 个方程，写成矩阵的形式：A ?θ=B ， (3)??t 1?t 1?t 1???x ?y ?z 1?????t 2?t 2?t 2?1?， 式中，A =?x y z ??????####???t t t ???n n n ?1?????x ?y ?z ???x ??t o 1-t c1???y ??t -t ?θ=??，B =?o2c2? 。??z ??#???????t ??t o n -t c n ?用高斯消元法求解式（3）就得到修正向量：A T A ?θ=A T B ， (4)?θ=(A T A )A T B 。 (5)-122212由方程（5）求出修正向量后，以（θ+?θ）为新的试验点时继续迭代，直到满足误差要求。2 岩样制作、加载条件及声发射系统本文实验验证所采用的岩样为带预制裂纹试样和完整试样两种。带预制裂纹岩石试样尺寸为70 mm×70 mm×150 mm（长×宽×高），所有预制裂纹的宽度为5 mm的一条水平裂纹，预制裂纹的位置和尺寸见图1。花岗岩的物理力学性质见表1。完整岩石试样为黑云母片麻岩，其尺寸为70 mm×70 mm×150 mm（长×宽×高）。以上岩石试样均严格按照国际岩石力学会建议方法，在实验室内加工完成。压力系统采用液压式压力实验机（NYL-500型，最大荷载500 t）进行加载。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1474 岩 土 工 程 学 报 2008年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。 图1 预制侧裂纹位置、大小及传感器布置方式 Fig. 1 Size and distribution of crack and arrangement ofAE sensors表1 花岗岩的物理力学性质Table 1 The physical and mechanical characters of granite 岩类 花岗岩单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比P 波波速 /(m·s-1)S 波波速/(m·s-1)30%）声发射事件定位开始在一个小的区域范围内集中，试样中声发射定位事件在预制裂纹下方的垂直面附近集中，说明岩样中有新的微裂纹产生，试样处于裂纹初始阶段（图3（b ））；随着载荷的增加，试样中声发射定位事件布满了预制裂纹端部下方的垂直面附近区域，说明裂纹已经由初始位置分别向水平和垂直方向扩展。随着载荷的继续增加，当岩石所受应力增加到18 MPa时，试样中的声发射定位事件则继续在预制裂纹端部下方垂直面附近集中，在岩石时间上产生肉眼可见的破坏裂纹（图4）；随着荷载的增加，20.2 MPa 时（峰值应力的50%左右），在岩样的上部也出现定位声发射事件的集中，说明此处亦有裂纹的初始与扩展（图3（c ））；在随后的加载过程中，声发射定位事件继续在裂纹的上、下积累，最终岩石内部裂纹贯通导致岩石发射失稳破坏（图3（d ）～（e ）），加载至43.1 MPa时岩样破坏。 50～86
实验采用的声发射仪器具有八个数据采集通道，采样频率设为2 MHz，其门槛值设定为100 mv。所采用的声发射探头为Nano30型，其频域为125 Hz～750 kHz ；前置放大器型号为1220A －AST ，其增益为40 dB ；后置放大器的频率范围为0～20 dB。此声发射系统简介见文献[24]，传感器的布置方式见图1（c ）。3 实验结果分析3.1 单裂纹岩样声发射定位实验验证为了验证Geiger 定位算法对于岩石破裂产生声发射事件的定位精度，首先实验研究了1/3处含有预制裂纹岩样裂纹初始、扩展情况，对其在单轴加载条件下裂纹扩展过程进行验证。从声发射定位结果（图2（a ）～（e ））可以直观看出，首先在加载方向产生初始裂纹，随着荷载的逐渐增加，裂纹也逐步开始扩展，加载至19.2 MPa时岩样破坏。通过应用盖格尔定位算法对产生的声发射事件进行定位，声发射事件定位直观反映了裂纹初始、扩展过程，与实际岩石破坏模式（图2（f ））是一致的，说明盖格尔定位算法对于岩石破坏声发射事件的定位已经达到较高的精度。3.2 双裂纹岩样声发射定位实验验证对于双侧1/2处带裂纹的岩石试样，在初始压密阶段岩样的定位声发射事件的数目非常少（图3（a ）），而且零乱分布于岩样内的不同位置，此阶段的应力一般在峰值应力的15%～20%之间，这些事件的产生主要是试样中原有缺陷、微裂隙等被压密的阶段。当岩石所受应力增加到10.7 MPa时（峰值应力的20%～图2 声发射定位结果及裂纹扩展过程Fig. 2 AE locating results and crack propagation process通过对试样定位结果和实际破坏形式的比较发现，岩石声发射系统对试样的定位过程能够很好地反映试样的实际破坏过程，而且比较准确地对试样裂纹的初始、扩展进行定位（图3（f ））。但岩石声发射系统对裂纹集中区的定位比较模糊（例如：对双侧中间含裂纹试样上部裂纹集中区的定位）。试样的破坏形式依然是以劈裂为主，但裂纹的初始在试样薄弱部位（预制裂纹的尖端）。3.3 完整岩样声发射事件定位本文在带预制裂纹岩样声发射定位验证结果的基础上，应用盖格尔定位算法对完整岩石失稳破坏过程也进行了实验研究。第10期 赵兴东，等. 岩石声发射定位技术及其实验验证 1475 4 结 论本文通过带侧裂纹和完整岩石受压破坏声发射实验表明：（1）不论是含裂纹还是完整试样的声发射定位结果于实际破坏模式非常吻合，对试样的定位过程很好地反映了试样的实际破裂过程，而且准确地对试样裂纹的初始、扩展和贯通过程进行了定位。（2）加载初期，岩样的定位声发射事件的数目非常少，而且零星分布于岩样内的不同位置，当岩石被加载到峰值应力的20%～30%时，声发射事件定位开始在一个小的区域范围内集中，反映了岩石在此应力范围出现裂纹初始。声发射定位算法对于岩石破裂声发射事件的定位已经达到较高的精度，直观反映了裂纹初始、扩展过程，与实际岩石破坏模式是一致的，这为研究岩石破裂失稳机理提供有力的工具。 参考文献：[1] LOCKNER D A. 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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
can understand the rock 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：A K ground stress. 利用精密仪器对岩石的声发射信号进行观测和分析就是岩石的声发射技术。借助于岩1 岩石声发射基础 石的声发射技术，岩石破裂过程中内部结构【】固体物质在外界条件（机械载荷、温度的变化就可以通过声发射的检测来反映2。变化等）作用下，其内部将产生局部应力集岩石声发射技术成本低且数据采集丰富，在中现象，而应力集中区的高能状态是不稳定地应力测量、岩爆岩体的稳定性检测、地震【】的，必将向稳定的低能状态过度，在这一过预测预报等方面有广泛饮用3。 程中，应变能将以弹性波的形式释放，即声2 岩石声发射的Kaiser 效应 【】发射现象1。声发射有时也称应力波发射（Stress wave emission），在地质上有时称为岩石的应力—应变不是一一对应的，它微震（Microseismic ）。 与岩石以往的受力和变形过程有关，即地质当岩石在载荷的作用下产生微破裂时，材料对它过去的受力和变形历史保持着“记一部分应变能将以弹性波的形式释放出来，忆”。岩石的变形和破裂几乎同时发生，因即岩石的声发射（Acoustic Emission ，简称此由微破裂产生的声发射直接受其变形历AE ）。几乎所有岩石的声发射信号强度都很史的影响。材料科学中称这一现象为“kaiser 弱，需要借助灵敏的电子仪器才能探测到。效应”，即岩石后期所受载荷在没有到达其曾经经历过的最大载荷之前，几乎不产生声发射, 而一旦超过最大载荷水平，声发射便再度出现。kaiser 效应可以从岩石微观损伤的发展角度来理解。当载荷加在已承受过一定应力作用的岩石上时，由于部分微元已经损伤破裂，并且这种破裂是不可逆的，因此在这个载荷水平内微破裂不会再发生，也就没有声发射，只有后期施加的载荷超过历史载荷水平时，声发射才能再次发生【4】。 图1 kaiser效应的试验曲线（Ω为声发射累积数）3 岩石声发射的kaiser 效应点理想状态下，岩石受到的应力不超过历史载荷水平水平时，声发射现象不会发生。事实上，由于历史载荷的作用，岩石内部出现微裂隙。在后期外加载荷作用下，微裂隙将会出现摩擦移动，即便载荷不超过历史载荷水平，也会有微弱的声发射。当后期外加载荷超过历史载荷水平时，声发射次数出现剧烈增加【5】。其中，声发射次数剧烈增加的点可认为是岩石声发射的kaiser 效应点 因此，一般可以通过做声发射积累数与时间或外部载荷（应力）的关系曲线，根据曲线的变化趋势求出曲线的斜率突变点，以突变点对应的应力作为kaiser 效应点。 值得注意的是，单轴循环压缩条件下的岩石kaiser 点记忆的应力不一定是最近历史上所受到的最大应力，而与加载间的时间间隔有重大的联系【6】。图2 应力-声发射试验曲线图4 kaiser 效应在岩土工程中的应用4.1 测定地应力自1950年德国学者kaiser 发现kaise 效应以来，许多学者对声发射现象进行了研究【7】。1963年，Goodman 证实了岩石材料的kaiser 效应。70年代末以来，中、日、美学者对基于岩石声发射的kaiser 效应测定地应力进行了广泛研究。实践中，通常利用岩石声发射的kaiser 效应，采取地下一定深度的岩石，经过室内加工试件后，进行单轴压缩试验，然后利用弹性理论求得岩石的地应力大小和方向。4.2 岩体局部冒落的预测预报岩体在变形或破坏阶段都要产生声发射，且不同阶段声发射活动的程度不同【8】。根据声发射活动趋势，通过对岩体声发射活动过程的监测分析，评价岩体的稳定性, 预报岩体的冒落。4.3 地下水流的声发射声发射信号随流水速度、方向的改变而变化，同种岩土介质中，同一方向的水流速度越大，声发射信号越强【9】。利用这一原理可以检测大坝等建筑物的泄漏。5 结论岩石声发射的kaiser 效应的发现为解决岩石力学和工程中诸如评估地应力、岩体稳定性、损伤状态的历史问题带来了新方法。这种方法简单、可操作性强、经济，在岩石力学及工程领域中有广阔的应用前景。参考文献【1】 彭新明，孙友宏，李安宁．岩石声发射技术的应用现状【J 】．世界地质，）：303-306．【2】 唐春安，王述红，傅宇方．岩体破裂过程数值试验【M 】．科学出版社，2002：33．【3】李燕．岩石力学中的岩石稳定性与声发射技术【J 】．价值工程，2011（7）． 【4】 孙吉主，周健，唐春安．影响岩石声发射的几个因素【J 】．地壳形变与地震，）．【5】 笪盍，沈万军，康德安．脆性岩石kaiser效应及其应用【J 】．有色矿冶，1995（3）：1-4．【6】 阎南，余贤斌，张志雄，李林锋．岩石kaiser效应若干问题探讨【J 】．陕西煤炭，2008，（1）：61-63．【7】 勝山邦久．声发射（AE ）技术的应用【M 】．冯夏庭．北京：冶金工业出版社，1996．【8】 唐绍辉．中国有色金属学报【J 】．1997,7（3）：22-25．【9】 张艳霞，何晖．岩石声发射的kaiser 效应研究进展【J 】．地下空间与工程学报，）：．
综述文章（Reviews ）岩石（体）声发射特征综述李俊平1,21. 鸡西大学安全与环境工程系，黑龙江鸡西1581002. 武汉大学，水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072摘要因模型试验和数值仿真对岩体的局限性，应用岩体声发射技术监测评价岩体工程的稳定性不可缺少，有时是唯一不可替代的技术之一。岩体监测预报，曾普遍应用0～1kHz 的低频声发射仪，仅用事件和能率作为预报参数，加上复杂岩体的声发射特征还认识不清，且没有很好的噪音剔除方法，使得采集频带可能过宽，信号接收的敏感性可能偏低，预报判据有时很不充分，监测很容易受环境干扰。本文简要叙述了近年发现的岩石（体）声发射的一些特征，据此提出了岩体声发射技术研发的若干建议，包括仪器改进与完善，噪音剔除新方法研究和复杂岩体AE 特性研究等。关键词岩体（岩石）；声发射；监测中图分类号TD311文献标识码A 文章编号（1-06Acoustic Emission Characteristics of Rock/Rock-massLI Junping 1,21. School of Safety and Environmental Engineering, Jixi University, Jixi 158100, Heilongjiang Province, China 2. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, Chinaequipment to improve noise removal and study on complex characteristics of rock-mass.Keywords rock-mass/ monitoring0引言岩体是指经过多次、反复、长期地质作用后，形成具有一定岩石成分、一定结构、赋存于一定地质环境中的地质体[1]。在水库建坝、蓄水、岸坡开挖、地下开挖、深部采矿、煤炭深度开采等高地应力、高渗透压力、高地震烈度的复杂岩体工程大强度开挖、大规模锚固、大范围防渗或大幅度库水变化中，如何确保岩体工程建设和运转的安全、稳定，是国民经济和Abstract Owing to the limitation of model simulation and社会发展亟待解决的重大课题。显而易见，现行的模型试验与数值仿真是解决这类问题的常用手段，然而由于其技术上的局限性，目前还不能建立实时的预测预报、评价系统。大量工程实践证明，应用声发射（Acoustic Emission ，AE ）技术监测评价岩体的稳定性，探索岩爆、瓦斯突出等岩体失稳机理，探测复杂岩体地应力场，研究矿压显现特征等，不仅经济、简便、可靠，而且可提前预报岩体破坏，并可为适时加固、抢险提供准确的决策依据，可长期无损监测、评价岩体的稳定性，有时甚至是不可替代的技术之一[2-3]。在现场岩体工程监测评价，尤其是顶板冒落预报、大面积顶板突然冒落的冲击地压预测预报、滑坡失稳预测预报中，过去普遍使用武汉安全环保研究院研制的YSS 等系列单通道或多通道低频声发射仪[4]。近年来，随着仪器研制技术和numerical simulation for rock-mass, Acoustic Emission (AE)techniques play an important role in monitoring and evaluating rock-mass stability. 0~1kHz AE apparatus is generally adopted and only the AE event and AE energy are used in monitoring and forecasting. Without a clear understanding of the AE characteristics of rock-mass and without an efficient way to remove noise, too broad frequency band has to be adopted to collect AE signals, with low sensitivity of signal reception. Moreover, the prediction criterion is sometimes inadequate and monitoring is very susceptible to environmental interference. In this paper, some AE characteristics of rock /rock-massdiscovered in recent years are reviewed. Based on that knowledge, some suggestions on studying and developing AE techniques for rock-mass are put forward, including development of收稿日期：作者简介：李俊平（中国科协所属全国学会个人会员登记号：ES ），教授，研究方向为矿山岩石力学及矿山安全生产管理，电子信箱：）91综述文章（Reviews ）信号采集与接收技术的进步，以及对硬岩、软岩和渗流影响的岩石、岩体AE 特征的正确认识[5-6]，对有岩爆倾向的岩石、循环荷载作用下大尺寸岩石等AE 特征的正确认识[7-8]，有必要根据不同的监测预报目的，在AE 事件和能率等基本参数的基础上，完善和发展系列AE 监测仪器，提高信号采集速率和灵敏度。本文简要叙述了近几年发现的岩石（体）AE 的一些新特征，据此提出了岩体声发射技术研发的若干建议。1岩石（体）AE 新特征应用岩体AE 技术监测、评价岩体稳定性的准确率，取决AE 信号主频统计分布Fig. 1Distribution of dominant frequency of AE signals图1于采集的AE 信号的可靠性和对岩体破坏的AE 特征的正确认识。1、图3和表2所示[6]。图2和表1为不加渗流或不长期浸泡的试验结果，图3和表2为加渗流或长期浸泡的试验结果。主频为0.24～0.73kHz 的AE 信号至少占同阶段总信号量的1.1AE 频率统计特征李俊平等应用50kHz 采样频率的SBQ 处理系统研究了岩体破裂全过程的AE 频率统计特征，如图1所示[5]。在岩体破裂的各个阶段，约1kHz 的AE 信号占同阶段总信号量的60%，一般达到80%。可见在岩体破裂全过程的AE 试验中，有待继续应用AE21C 声发射仪器自动采集并研究其频率统计特征。岩体破裂全过程中，主频为0.24～0.73kHz 的AE 信号也可能占绝大多数。曾普遍应用的0～1kHz 低频AE 传感器有待改进频响范围，从而提高数据采集的灵敏度和可靠性。50%以上。李俊平等又应用采样频率2MHz 的AE21C 声发射仪器自动采集和记录了岩石破裂全过程的声发射信号，如图2、表（a ）初次破裂（b ）大范围破裂(a)Initial rupture (b)Large scale breakdown（c ）无法稳压而最终破坏(c)Instability and eventual failure图2破坏时结构面发育大理岩的主频分布Fig. 2Distribution of dominant frequency on marble (structuralplane) breakage，综述文章（Reviews ）表1非破坏时结构面发育大理岩的主频出现次数统计Table 1Statistics of dominant frequency before and after marble (structuralplane) breakage主频不同压应力时的主频出现次数/次/kHz＜0.240.731.952.15.146MPa 20010008MPa 10MPa 12MPa 14MPa 16MPa 18MPa 20MPa 22MPa 24MPa 27MPa 28MPa 29MPa 30MPa 200100060001003000000932010060000003000000200000190000105000001300001030000005000010（a ）初次破裂（b ）大范围破裂(a)Initial rupture (b)Large scale breakdown图3破坏时结构面发育大理岩的主频分布Fig. 3Distribution of dominant frequency at marble (structuralplane) breakage表2非破坏时结构面发育大理岩的主频统计Table 2Statistics of dominant frequency before and after marble (structuralplane) breakage主频不同压应力时的主频出现次数/次/kHz＜0.240.490.730.981.222.202.443.429.16.362MPa 4MPa 6MPa 08MPa 10MPa 12MPa 0014MPa 116MPa 18MPa 0）93综述文章（Reviews ）1.2AE 信号传播的衰减特征许多日本学者和留学日本的中国学者，在岩石AE 试验、材料断裂损伤的AE 试验和无损检测、现场加载AE 监测中，为了有效剔除AE 噪音，多倾向于采集高频（>20kHz ）AE 信号，甚至应用100～200kHz 的高频传感器[3]。李俊平和周创兵[5]、熊庆国[9]都在岩体试验中证明：高频（>3kHz ）AE 信号在岩体中传播时衰减迅速，应用高频AE 现场监测时，在离声源图4振幅衰减与频率的关系曲线3m 以外便基本不能接收到AE 信号。邹银辉等从理论和实际中进一步证明了AE 信号传播[10]Fig. 4Curve of vibratory scale attenuation and frequency段。实际观测到的宏观裂纹、破裂在III 区出现，在IV 区贯通。说明岩体破裂过程中，AE 活动较宏观位移更早出现，提前预示了破裂的来临。的衰减特征。他们推断AE 波在传播过程中振幅U 变化服从规律U =exp-πfd νQ "其中，U 为AE 波形的振幅变化率，%；f 为AE 频率，Hz ；d 为AE 波形传播的距离，m ；ν为AE 波传播速度，m/s；Q 为材料品质因子。由式（1）可知，声发射波形（信号）在传播过程中的衰减主要取决于声发射频率、传播速度、传播距离以及材料的品质因子等。1）声发射传播速度越低，AE 振幅衰减越大。应力波的传播会导致岩体的形变，岩体的形变又主要表现为各种类型结构面的闭合、充填物的压密以及结构不均匀的剪切形变。如果这些形变过程中所产生的裂隙（如卸荷裂隙或风化裂隙）、张开断裂面、节理、层理等构造，在外力作用下尚不足以闭合，动应力传递困难，形成不连续界面，则结构面的存在使岩体中波动过程变得复杂化，即产生断层效应，如反射、折射、绕射、散射、吸收等现象，从而导致波速变慢。图5岩体破裂过程中AE 事件-时间统计曲线Fig. 5AE counts-time relationship duringrock-mass breaking 李俊平等又应用采样频率2MHz 的AE21C 声发射仪器自动采集和记录了岩石破裂全过程的声发射信号，如图6所示[6]。可以看出，刚性小的矽卡岩在破裂过程中，AE 在时间序列上同样分为初始区（I ）、剧烈区（II ）、下降区（III ）和沉寂区（IV ）4个阶段。尽管刚性大的大理岩呈现出崩裂破坏，未能监测到III 区和IV 区的声发射事件。但是，在施加渗流或长时间（130h 左右）浸泡后，刚度降低而呈现出渐渐破坏的特征，产生和接收到的声发射过程较完整，亦存在初始区、剧烈区、下降区和沉寂区4个阶段。2）AE 传播距离越远，AE 振幅衰减越大。400Hz 的AE信号在较完整稳定的岩体中传播80m 尚有较高的振幅值。因此，AE 监测岩体工程时，可检测到80m 范围内的较低频率的声发射信号。3）品质因子Q 与AE 频率无关，而与岩体本构方程有关。岩体蠕变明显，Q 值小；岩体中胶结物和晶粒间弹性模量差越大，微裂隙多，散射和磨擦衰减大，Q 值小；声发射波通过宏观结构面产生透射损失，结构面越发育，透射损失越大，实际岩体的Q 值越小；巷道掘进造成裂缝扩展、增多，岩体越不稳定，Q 值越低。对金属材料，Q >1000；完全弹性体Q 值为无穷大；不稳定的松散岩体，通常Q <8；较稳定、裂隙不太发育的岩体Q 值为8~15；裂隙不发育且较坚硬致密岩体，通常Q >15。4）假定岩体的传播速度、传播距离和品质因素为确定值，波的振幅随频率的变化规律则如图4所示。可以看出，高频（>1kHz ）AE 信号在岩体中传播时衰减迅速。1.3岩石、岩体破坏的AE 特征李俊平等应用50kHz 采样频率的SBQ 处理系统研究了图6含铜矽卡岩的声发射活动-压应力分布岩体破裂全过程的AE 事件随时间的变化特征，如图5所示[5]。可以看出，在岩体破裂过程中，AE 在时间序列上的分布分为初始区（I ）、剧烈区（II ）、下降区（III ）和沉寂区（IV ）4个阶Fig. 6AE-compressive stress distribution in rock mass with high content of cupreous skarn，综述文章（Reviews ）李俊平等[5-6]研究还表明，岩石的声发射主频与岩石的强度有关，强度越高，主频也越宽。随着应力的增加，有些岩石的声发射主频的最大值有增大的趋势，如大理岩。在临近破坏时，声发射信号的主频分布范围较广，其中0.24～0.73kHz 的低频成分所占的比例一般超过了60%～80%。坚硬岩石，如高含矿矽卡岩、坚硬大理岩，其主频的最大值较破坏前、后急剧增大。有些岩石，如含矿矽卡岩、加渗流或长期浸泡的高含矿矽卡岩和坚硬大理岩，在破坏前、后其主频的最大值变化不很明显，如图2、表1、图3和表2所示。其他学者还发现，有岩爆倾向岩石的卸载作用进一步促进了岩石非稳定性破坏，破坏前AE 率与能率突然急剧增大，且在加载-卸载-加载过程中AE 的主频表现出了先低频再中频最后到高频并伴随次高频出现的发展过程[8]。2.4AE21C 声发射仪器有助于认识岩体破坏全过程的AE特征运用采样频率为2MHz 的AE21C 声发射仪器继续研究有、无渗流影响的岩体破坏全过程的AE 事件、能率和频谱变化特征，是清晰认识岩体破坏全过程的AE 特征的迫切需要。比较图1与图2、表1与图3、表2可以发现，过去应用采样频率50kHz 的半自动化仪器研究岩体破坏全过程的AE 特征，肯定丢失了重要的声发射信号。而且，目前除李俊平等[5-6,11]研究了现场岩体破坏全过程的AE 特征及水为渗流介质的渗流场与应力场耦合作用的岩石AE 特征外，尚未见研究渗流场与应力场耦合作用下岩石应变与AE 特征的对应关系及渗流场与应力场耦合作用下岩体破坏全过程的AE 特征。根据应用AE21C 高速自动采集声发射仪研究的岩石和岩体破坏全过程的AE 特征，合理确定新型岩体AE 监测仪器的响应频率及信号采集频率。事实上，YSS 等AE 仪器的22.1岩体声发射监测技术的发展建议缩小AE 探头（传感器）的频率响应范围为了提高用AE 技术预测预报岩体冒落、滑坡的准确率50Hz 的信号采集频率可能偏低。2.5清晰认识复杂地质环境中岩体的AE 特征清晰认识高地应力、高渗透压力、高地震烈度等复杂地质环境中岩体的AE 特征，是应用AE 技术监测评价复杂环境中岩体工程稳定性的基础。在岸坡开挖、地下开挖、深部采矿、煤炭深度开采等高地应力、高渗透压力、高地震烈度的复杂岩体工程大强度开挖、大规模锚固、大范围防渗或大幅度库水变化中，岩体AE 特征是否与一般岩体工程中有差异，有待进一步研究。在这方面，目前虽然进行了初步探索[12-14]，如用高频AE （20~200kHz ）研究水力切削/切割过程中的裂纹扩展、用高压射流水开采花岗岩、钻井过程中水压致裂的AE 特征等，但是，除李俊平等[6]用低频AE （0～10kHz ）研究高应力、有压渗流作用下岩石的AE 特征外，未见高应力（岩石强度的40%~和可靠性，建议缩小AE 探头（传感器）的频率响应范围，增加灵敏度和信号采集速率，确保捕捉尽可能多的0.24～0.73kHz 的低频岩体AE 信号。研究表明（图4），传播速度为3800m/s的1kHz AE 信号在Q =20的岩体中传播时衰减率达到70%；2kHz AE 信号衰减率达到90%以上；3kHz AE 信号衰减率达到98%以上。这与李俊平等[5]、熊庆国[9]的现场岩体AE 试验结果完全吻合。400Hz 的AE 信号在较完整稳定的岩体中传播80m 尚有较高的振幅值。因此，采集主频为0.24~0.73kHz 的岩体AE 信号，既可以避免在岩体传播中被大量衰减，也可以增大单个AE 监测探头的有效监控范围。2.2采集AE 事件和能率的同时也要采集AE 主频特征在岩爆、瓦斯和岩石突出等预测预报中，建议既要采集80%）下水力劈裂破坏岩石的全过程的AE 频谱、事件、能率等随时间、应力、应变、水力劈裂压力而变化的特征研究的报道，也未见双向压缩而得到三轴应力状态下高应力与高渗透力作用的大尺寸岩石试件及高地应力与高渗透压力作用下岩体破坏全过程的AE 特征研究的报道。低频AE 事件和能率，也要采集AE 主频特征。由于岩爆、瓦斯和岩石等突出较岩体冒落、滑坡更具有突发性、显现的短暂性和高危害性，而且岩爆、突出等硬岩破坏都呈现出AE 主频在破坏时较破坏前、后有突变的特性[6,8]，为了准确地预测预报此类岩体失稳隐患，必须将0.24~0.73kHz 的低频监测与高频宽频监测相结合。专门开发能显示事件、能率和频率参数变化的高频宽频岩体AE 仪器，将低频AE 监测与高频宽频监测相结合。高频宽频监测时，要根据初期低频监测和定位分析的结果，尽可能将高频宽频探头布置在声源点附近，确保AE 信号在传播中少被衰减。2.6研发AE 信号的噪音识别与剔除新方法AE 噪音识别与剔除，仍然是AE 应用领域没有解决好的一个难题。支持向量机（v-SVR ）是在统计学习理论基础上发展而来的一种新通用学习方法，能较好地解决有限样本的学习分类问题。高智勇等[15]在早期癌症诊断中应用v-SVR 成功识别了人个体的差异及噪声信号；余志雄等[16-17]在边坡稳定性分析中应用v-SVR 成功预测了边坡的稳定性，在原岩应力分析中又将v-SVR 的确定性分析与遗传算法（GA ）的随即性分析相结合，精确反演了原岩应力值。大量应用表明，选取不同核函数，构造非线性的v-SVR 分类器，较BP 神经网络法的存储量、分析数据量小，分析简便；v-SVR 在有限样本的信号识别、数值反演等领域具有很大的潜力。总之，将v-SVR 的确定）2.3在岩体工程开工后尽可能早地布置AE 监测点为了提高岩体工程稳定性监测预报的准确判断率，建议在岩体工程开工后尽可能早地布置AE 监测点。由于岩石、岩体AE 在时间序列上都分为初始区（I ）、剧烈区（II ）、下降区（III ）和沉寂区（IV ）4个阶段[5-6]，在工程开工后尽早布置AE 监测点，可以避免丢失岩体AE 活动的重要阶段，从而杜绝预报时失误判断。95综述文章（Reviews ）性分析与遗传算法（GA ）的随即性分析相结合，可能是AE 噪音识别与剔除的发展方向。Yuan Ziqing, Tang Lizhong, Yang Xiaocong. Metal Mining , 2-135.[9]熊庆国. 声发射信号在岩体中传播的衰减[J].工业安全与防尘, ):38-40. 25.Xiong Qingguo. Metal Mining Industry Safety and Dust , ):38-40, 25.[10]邹银辉, 文光才, 胡千庭, 等. 岩体声发射传播衰减理论分析与试验研究[J].煤炭学报, ):663-667.3结语岩体AE 技术是岩体稳定性无损监测评价的重要手段。一般情况下，应用0.24~0.73kHz 的低频探头采集岩体AE 信号，可能是确保主要AE 信号不丢失、不失真的有力保障。工程开挖扰动后，及时布置AE 监测点，是不丢失重要区段的Zou Yinhui, Wen Guangcai, Hu Qianting, et al. Coal Journal , ):663-667.[11]李俊平, 汪晓霖, 程慧高. 声发射技术在武山铜矿的应用[J].岩石力学与工程学报, 1996, 15(增刊):577-581.AE 信号的关键。研究v-SVR 与GA 相结合的AE 噪音识别与剔除方法，可能是AE 噪音剔除的发展方向。清晰认识复杂地质环境中岩体的AE 特征，是准备监测评价复杂岩体稳定性的基础。在AE 监测仪器中增加频率参数，是复杂岩体稳定性监测预报的有益补充。在增加有频率参数的高频宽频AE 仪器监测时，要根据初期低频监测和定位分析的结果，尽可能将高频宽频探头布置在声源点附近，尽可能确保在传播中Li Junping, Wang Xiaolin, Cheng Huigao. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , 1996, 15(Suppl):577-581.[12]廖远时. 用高压射流水开采花岗石矿山[J].石材, -13.Liao Yuanshi. Stone , -13.[13]马孝春, 张大伦. 岩石切削中的声发射研究[J].岩石力学与工程学报,):77-83.Mao Xiaochun, Zhang Dalun. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , ):77-83.[14]张大伦, 李世忠. 声发射技术在钻探工程中的应用[J].国外地质勘探技术, -12.AE 信号少被衰减。参考文献（References ）[1]孙广忠. 工程地质与地质工程[M].北京:地震出版社, 1993.Sun Guangzhong. Engineering geology and geoengineering [M].Beijing:Earthquake Press, 1993.[2]李俊平. 声发射技术在岩土工程中的应用[J].岩石力学与工程学报, ):371-376.Li Junping. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , ):371-376.[3]腾山邦久. 声发射(AE)技术的应用[M].冯夏庭, 译. 北京:冶金工业出版社, 1996.Zhang Dalun, Li Shizhong. Geological Survey of Foreign Technology , -12.[15]高智勇, 龚健雅, 秦前清, 等. 支持向量机在早期癌症检测中的应用[J].生物医学工程学杂志, ):.Gao Zhiyong, Gong Jianya, Qin Qianqing, et al. Journal of Biomedical Engineering , ):.[16]余志雄, 周创兵, 李俊平, 等. 基于v-SVR 算法的边坡稳定性预测[J].岩石力学与工程学报, ):.Tang Shan Kunihisa. Application of AE techniques [M].Feng Xiating, trans. Beijing:Metallurgical Industry Press, 1996.——缓倾斜采空区处理的理[4]李俊平, 周创兵, 冯长根. 矿山岩石力学—论与实践[M].哈尔滨:黑龙江教育出版社, 2005.Yu Zhixiong, Zhou Chuangbing, Li Junping, et al. 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