岩石声发射技术的应用现状

介绍了我国内外岩石声发射技术在测定地应力、钻进监测、岩石力学与岩石破碎学研究、坑道岩体稳定性监测等方面的应用现状及发展趋势。     

声发射技术在岩石力学领域中的应用

声发射技术在采矿工程、石油工程、土木工程、工程地质和岩石性质基础研究中得到越来越多的应用.作者对压头压人时岩石破碎与声发射参数之间的关系作了初步研究.试验结果表明,声发射图象能够反映岩石压人破碎机理,并且岩石压人硬度与声发射信号峰值平均幅度及积分平均幅度有明显的相关关系.     

基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析

为了探究层理对煤矿开采过程中煤岩声发射特征的影响,在寺河矿采集煤样,根据煤样制作要求,分别沿轴向垂直层理方向和平行层理方向加工煤样。利用RMT-150B岩石力学实验系统和CDAE-1全数字化声发射检测及分析系统,对煤样加载过程中的应力-应变、声发射特征进行测试分析。测试结果显示:轴向垂直层理煤样不仅具有较高的岩石力学强度和声发射强度,而且声发射特征具有较强的突变性和滞后性。声发射特征的差异性体现了在加载过程中,轴向垂直层理煤样以整体变形、破坏为主,轴向平行层理煤样以局部变形、破坏为主,这为煤矿井下动力灾害的监测、预报提供了指导。      

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

声发射预报地震的岩体力学分析

岩体受压破坏是由于岩体内裂纹扩展及新的宏观裂纹产生不断积累的结果,大规模岩体受压破坏前会发生局部岩体的先前断裂破坏。裂纹起裂、快速扩展和止裂会产生声发射现象,局部岩体断裂破坏会产生强烈的声发射现象,通过对岩体声发射的监测分析可以预报受压岩体破坏的时间。因此,通过对地壳岩体声发射的监测分析,可以进行地震的短期和临震预报。通过对岩体受压应力分布规律的分析,得出通过监测地壳浅部地应力和地形变预报地震是没有实际意义的结论。     

石灰岩声发射特性的试验研究

采用SYB-4声发射仪和岩石声发射参数动态测试系统,对广西高峰石灰岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验,研究了石灰岩在单轴加载过程中声发射活动随时间和岩样应力、变形等变化的内在规律,在此基础上分析了石灰岩的破坏机理。试验研究表明:除加载初期外,石灰岩声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中微裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与体积变化的主要原因。因此,采用声发射技术可对矿山采场矿岩体变形稳定性进行监测和评价。      

压头压入时声发射图像与岩石破碎机理关系的探讨

为研究压头压入时声发射图像与岩石破碎过程的关系，采用6种脆性和塑性岩石进行了试验。试验得到的声信号频率和平均幅度的图像表明：较硬的脆性岩石的压入破碎过程可分为微裂纹和微孔隙闭合、弹性变形，以及破碎后等五个阶段；而对于较软的塑性岩石则难以划分破碎阶段。另外还发现岩石压入硬度与声发射的峰值平均幅度有良好的相关关系。这种关系可能用来预测岩石可钻性。     

压缩条件下岩石启裂应力的识别方法探讨——以新疆天湖花岗闪长岩为例

启裂应力是岩石压缩破坏过程中的关键应力水平之一。准确确定该应力值对于客观描述岩石的力学性质以及评价地下工程围岩稳定性具有重要意义。在总结国际上已有的岩石启裂应力识别方法的基础上,探讨其各自优缺点及适用性,通过分析岩石在压缩过程中的声发射信号特征,提出了基于累计声发射撞击数客观判读岩石启裂应力的方法。与其他应变法相比,该方法克服了人工取值的随机性,保证了求解的惟一性。以国内高放废物地质处置库新疆预选区天湖花岗闪长岩为例,采用岩石力学试验机和声发射监测系统,获得了岩石在单轴压缩条件下的应力-应变关系及对应的声发射数据,通过对比不同方法求解启裂应力的结果,验证了提出的累计声发射撞击数法的合理有效性。鉴于国际岩石力学与工程学会目前尚未形成明确的求解岩石启裂应力建议方法,建议采用应变测量结合声发射监测手段对该值进行判读。     

岩石断裂过程的声发射试验研究

根据N-t,φ-t,E-t,A(t)-t曲线,并结合读数显微镜实测观察,可较准确地判定开裂点。在计算大理岩临界应力强度因子时,考虑了裂纹扩展长度的影响.导出了低脆性岩石N-K_1关系的一般表达式,并与Harris公式进行了比较.研究了声发射事件数与裂纹扩展长度增量的关系。     

The Model YSZ-2 Rock Acoustic Emission Apparatus

The design principles of a rock acoustic emission remotemeasuring, automatic control, and time-recording system developed for the research of the basic properties of rock mechanics and field monitoring and measurement of rock engineering projects are reported in this paper. The working principles and structures of the seven unites of the system have been described in detail. The results of monitoring and measurement accomplished by the system are also evaluated. Laboratory and field practices have demonstrated that the system possesses satisfactory application effects.     

基于DFOS的采场围岩变形破坏监测研究进展与展望

原生地质体在煤岩层采掘条件下将发生变形破坏,相关物理属性(应变场、渗流场、化学场、温度场、地球物理场)随之改变,为了对变形破坏机理进行精细化分析需对场源特征进行重构反演,因此,亟需一种高灵敏度、性能稳定且分布式的监测系统对上述场源信息进行实时动态监测。基于光纤传感测试技术自身的优点(分布式、稳定性高、抗电磁干扰等),可以弥补常规电阻式和振弦式传感器的不足,能够对采场围岩变形进行动态监测,获得的海量数据体为围岩变形场、应力场的恢复和重构提供支撑。详细介绍了布拉格光纤光栅(FBG)、光时域反射技术(OTDR)、布里渊光时域反射技术(BOTDR)、布里渊光时域分析技术(BOTDA)、布里渊光频域分析技术(BOFDA)的工作原理、优缺点及适用条件,阐述了其在顶底板变形破坏、支承压力、断层活化监测、煤柱稳定性监测及破碎岩体注浆加固稳定性监测等方面的研究进展。分析了分布式光纤传感测试技术在当前研究中存在的问题、研究的热点,指出了后期研究的发展趋势,提出建立井上下一体化多参量信息融合监控预警平台,构建多相多场融合判别技术体系,为透明化智慧矿山建设提供数据支撑。     

岩石损伤检测技术的研究进展

岩石损伤变量的测定是岩石损伤力学分析研究的基础，岩石损伤理论付诸岩石工程实践必须解决岩石损伤检测的问题。总结当前国内外的岩石损伤检测方法，可将其分为结构分析法和陛能测试法，具体包括扫描电镜分析、计算机断层扫描检测、应力应变测试、声波探测、声发射测试以及红外辐射探测等。在采用不同的测试技术时，必须谨慎考虑损伤与相应物理力学描述之间的耦合关系，尽可能使得所定义的描述能真正反映损伤变量的值。具体应用时应该在符合热力学原理的前提下尽可能选择易于测量且利于分析的损伤变量描述形式及相应的检测技术。     

结构面对程潮铁矿东区地表及岩体移动变形的影响研究

以程潮铁矿东区为例,通过现场结构面调查、地表及深部岩体变形监测,分析了该区地表及岩体移动变形与结构面的关系。结果表明：程潮铁矿东区地表及岩体移动变形主要受该区复杂的地质条件控制,特别是结构面的影响,变形方向和变形量值均与理论预期不同。NNE、NE向结构面的存在控制着岩体向采空区运动的侧向边界条件,同时导致变形方向的向西偏转,NWW向结构面的松动导致东主井区岩体向采空区的倾倒变形,地表变形在南北剖面上呈三级阶梯分布;西风井相对东西采空区的特殊位置以及NE向结构面的影响使其变形值小于预期,是该区相对安全的主要原因。     

国内外风蚀监测方法回顾与评述

为了准确认识风沙运动规律、建立风蚀模型,必须对风沙过程进行野外实地监测.鉴于风沙过程的复杂性,目前风蚀监测的方法多种多样.根据监测目的和原理的差异,将现有的主要风蚀监测方法分为风蚀量监测和输沙率监测两大类分别评述.风蚀量监测主要包括集沙盘法,降尘缸法,风蚀盘法,风蚀圈法,示踪法,遥感法,侵蚀针法等;输沙率的监测主要使用...     

应力监测在公路岩质边坡中的应用研究

针对山区高速公路岩质边坡数量大、失稳难以及时预警的问题,提出对边坡支护锚杆进行应力监测的方式以评价其稳定性。以广陕高速改扩建工程沿线的一处典型岩质边坡为例,采用FLAC3D软件对岩质边坡的开挖支护过程进行模拟,利用强度折减法分析随岩体强度降低过程中支护锚杆的轴力变化规律,确定应力监测预警值,并结合现场试验结果对边坡安全状况进行评价。研究结果表明,试验边坡监测位置应以泥岩结构面处为主,应力监测预警是一个整体的预警系统,监测点位任一处达到预警值均应提出预警。监测结果显示,应力监测在120 d时出现明显变化,而位移变化则较为滞后,在167 d后才出现明显变化;综合应力与位移监测的结果可以得出,试验边坡处于安全运营状态,所提出的应力监测评价公路岩质边坡的稳定性具有可行性。     

城市地下空间安全监测与预警指标研究

为保障城市地下空间开发利用的安全性,促进城市可持续发展,通过文献调研、现场调查和专家咨询等方法,分析提出城市地下空间监测的五项原则,将监测对象划分为三类：工程结构本体、周围岩土体以及周边环境。将监测指标归纳为变形类、力学类、振动类和宏观状态类共四类,其中变形类指标执行双控要求,其他三种指标执行单控要求。监测趋势预测分析可采用公式法、回归分析法、时间序列分析法、灰色预测法、神经网络法和支持向量机法等。全国各地监测控制值基本一致,但预警分级标准存在地区差异,其中北京市和广州市分级预警具有较大参考价值。目前城市地下空间安全监测存在七项不足：预警分级标准不完善,人工监测效率低,监测参数单一,监测信息缺少共享协同,测量精度较低,重监测轻预测以及缺乏数据融合和机器学习应用。针对这些问题,可采取七项措施进行改进：建立合理预警分级标准,发展自动化与智能化监测,多参数综合监测,应用远程监测与云平台,开发高精度测量设备,监测和预测并重,以及数据融合与机器学习应用。     

Measurement of rock mass deformation with grouted coaxial antenna cables

Summary Techniques presented herein show how reflected voltage pulses from coaxial antenna cable grouted in rock masses can be employed to quantify the type and magnitude of rock mass deformation. This measurement is similar to that obtained from a combined full profile extensometer (to measure local extension) and inclinometer (to measure local shearing). Rock mass movements deform the grouted cable, which locally changes cable capacitance and thereby the reflected wave form of the voltage pulse. Thus, by monitoring changes in these reflection signatures, it is possible to monitor rock mass deformation.This paper presents laboratory measurements necessary to quantitatively interpret the reflected voltage signatures. Cables were sheared and extended to correlate measured cable deformation with reflected voltage signals. Laboratory testing included development of grout mixtures with optimum properties for field installation and performance of a TDR (Time Domain Reflectometry) monitoring system. Finally, the interpretive techniques developed through laboratory measurements were applied to previously collected field data to extract hitherto unrealized information.     

地震活动中地壳深部流体的作用研究进展

综述了地震深部流体研究的进展并提出了在地震领域应该深入研究的方面。已有大量资料表明岩石圈是一含流体的系统，也是地震发育的主要场所。深部流体赋存相态，运移方式及其与岩石的反应，对震源介质和构造活动有重要影响。     

Complex system approach to interpretation of monitoring time series: two case histories from NW Bohemia

Ever wider implementation of information technologies is flooding us by monitoring data. To an efficient risk management, those data have to be processed and assessed in the same rate as they are recorded and transported. Paper demonstrates some methods dealing with intrinsic, nonlinear dynamics of slope system for computerized safety assessment of monitoring time series, their modeling and early warning launching. Analysis and modeling of phase changes – i.e. specific transient states between different developmental stages of dynamics of unstable slope systems, enabled to fix new types of precursors for rock fall warning and to enhance time prediction of rock fall occurrence. Mathematically well based, novel numerical and topological methods from the toolbox of complex system theory were successfully implemented to that challenge. Their pattern-recognition ability, i.e., diagnostic sensitivity, and more realistic results of modeling of time series relevant patterns have reached beyond ranges of regularly used—both the idea- and the data-driven—methods. Moreover, results yielded by phase space analyses are in good agreement with the ones by numerical fractal analyses. Obtained results have strengthened the primary, mainly theoretically based hypothesis; the dynamics of an unstable rock slope has to be considered as behavior of nonlinear, dissipative, non-equilibrium, self-organizing complex system. Correspondingly to the theoretical assumptions, two qualitatively different types of slope system dynamics—near to equilibrium and far from equilibrium states, were identified. All field monitoring data used originated in practice of highly automated, integrated IT system of monitoring assessment, and management of rock fall hazard at sandstone rock walls in the NW Bohemia.