岩石电磁辐射信号观测系统构建及检验

针对岩石电磁实验研究需要,构建专用岩石电磁辐射信号观测系统。铜板电容传感器的采用,将观测的频率带宽由固定点频拓宽至2.5 kHz—800 kHz的宽频带范围;PXIe-6368数据采集卡的应用,消除了PAC声发射仪的带通滤波和波形前端滤波功能对信号的影响,使观测系统可以记录到原始的EME信号。通过人工信号和岩石加载实验,对观测系统进行检验,发现:该观测系统可以采集2.5 kHz—800 kHz频带范围内0.1 mV以上EME信号,具有每通道最大2 M采样率、最多16通道同步采集功能。本套电磁辐射信号观测系统可以用来检测岩石加载过程中产生的EME信号,也可用于多种岩石物性参数的多通道同步采集。     

环氧树脂材料中电磁辐射与裂纹动力的关系

应用电磁辐射(EME)和声发射(AE)信号检测研究了机械应力加载条件下脆性、介电性材料的断裂。对环氧树脂样品采用3点弯曲实验装置施加应力使之破裂,同时监测破裂引起的电磁辐射和声发射信号。本次研究的重点是裂纹面的走向及距离对检测到的电磁辐射信号的影响。由于采用的电磁辐射传感器是电容式传感器,我们利用人工检测源测试了传感器、连接的放大器、数据采集卡以及内置带通滤波器的系统响应特征。基于在破裂面位置上模拟的表面电荷密度,我们提出了一种电磁辐射信号的源。将电磁辐射源的有限元方法模拟结果与实验结果进行比较,显示出较好的一致性。实验结果显示辐射出的电磁场优势方向明显,检测到的信号幅值显著依赖于信号源到传感器的距离,并发现测量链对检测到的电磁信号带宽具有显著影响。进一步研究表明电磁信号由3部分构成,分别产生于不同机制,即裂纹生长过程中电荷的分离和弛豫,以及带电裂纹面的振动。     

地震电磁辐射前兆不同步现象物理机制的实验研究

为了研究地震电磁辐射前兆信号不同步现象的物理机制,我们对岩样施加双轴压力,使岩样产生剪切破裂和摩擦滑动,以模拟地震孕震区构造断裂带的活动．在断裂缝周围放置各类频率的天线,采用自动快速连续观测系统,记录各类岩样在剪切破裂和滑动摩擦过程中不同方位、不同频率的电磁辐射和声发射信号． 实验结果表明: ① 岩样在双轴压力作用下发生剪切破裂和滑动摩擦过程中出现大量的电磁信号,信号的频率从几百赫兹~几千赫兹;② 不同方位、不同频率的天线接收的信号到时不同步、信号幅度也有差异,位于裂缝处的天线接收的信号最大;③ 电信号和磁信号不同步出现,其中电信号出现的频率次数多,而且幅度大． 笔者认为,产生电信号（E）和磁信号（M）的机理不同．岩样内部的电信号是由于岩石晶体的压电效应和破裂的新生表面的净电荷产生的,而磁信号是岩石带电碎片的高速运动和岩石破裂时向外发射电子激励周围空气电离产生．分析几次中强地震的电磁前兆信号,也存在电和磁信号的不同步现象,而且电信号早于磁信号．如果同一个台站同时观测电场（地下）和磁场（大气）,能有效提高地震预报的效能．      

大型花岗岩标本缓慢膨胀破裂过程中电阻率和声发射前兆特征的实验研究

本文重点研究了在膨胀力源作用下,大尺度花岗岩标本缓慢破裂过程中的电阻率和声发射前兆特征。实验结果表明,在岩石破裂过程申不仅观测到了电阻率的长趋势变化和短临异常,而且观测到了清晰的破裂前兆。在大破裂发生之前数小时观测到了电阻率的突变异常。实验中还记录到了声发射现象,其开始的时间较电阻率稍晚,初始破裂和主破裂时的声发射现象有其各自的特殊性。     

煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射进行了实验研究及规律分析,并对煤岩变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析．研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号较声发射信号丰富,电磁辐射与煤岩体的变形破裂过程密切相关．煤岩电磁辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震,矿山煤岩灾害动力现象及岩石混凝土建筑稳定性方面有着非常广泛的应用前景．     

煤炭变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射地实验研究及规律分析,并对煤炭变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析。研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号罗声发射信号丰富,电磁辐射与煤盎体的变形破裂过程密切相关。煤炭电在辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震、矿山煤炭灾害动力现象及岩石混凝土稳定性方面有着非常广泛的应用前景。     

岩石破裂中的电声效应

利用１６通道高速数据采集系统及三分量声发射换能器对多种岩石样品在单轴压缩及双剪破裂过程中产生的电磁辐射（ＥＭ）和声发射（ＡＥ）及其相互关系进行了实验研究．结果表明,岩样尺寸和岩石矿物成分对电磁辐射的产生及其特性都有较大影响．ＥＭ与ＡＥ的关系具有多样性,既有伴随ＡＥ出现的ＥＭ,还有不伴随ＡＥ出现的ＥＭ．这表明除微破裂产生的电磁辐射外,可能存在产生电磁辐射的非破裂机制．     

煤样变形破坏声电效应的演化规律及机理研究

通过实验研究不同煤样变形破坏全过程的声发射和电磁辐射效应的演化规律,分析了煤样变形破坏过程中电磁辐射和声发射信号的相关性和煤样变形破坏的微观机理,提出了煤样变形破坏过程中电磁辐射和声发射信号分别是在煤样内的裂纹面滑移和裂纹扩展时产生的观点,较好地解释了煤样变形破坏过程中声电效应的变化规律和特征,为进一步提高电磁辐射及声发射、电磁辐射综合预测煤岩动力灾害的可靠性和准确性提供了理论基础.     

岩石破裂过程中电磁辐射的实验研究

在单轴压力下对灰岩、花岗岩、石英岩三种样品的破裂过程与电磁辐射进行了实验室试验。结果表明,含有石英晶体的岩石,在破裂过程中产生的电磁信息,其振幅具有脉冲形态;随着应力水平的增高,电磁脉冲的频度增加,与声发射具有同步发展的趋势;不同结构的介质,主破裂前又呈现出平静和高潮两种不同类型。此外,含有石英晶体的岩石其主破裂及解体过程中,伴随最强的电磁脉冲,出现明显的闪光现象。文中对实验结果作了初步的讨论。     

岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测

设计了采用非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器,并给出了电荷传感器的设计原理和技术指标。利用研制的电荷传感器对岩石变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了检测试验。结果表明,岩石在变形破裂过程中会产生电荷感应信号,并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲的;随着加载应力水平的增加,电荷感应信号强度增强,在峰值应力前,电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强,主破裂面接收到的信号最强,因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一,电荷感应方法应是一种很具潜力的方法,值得深入研究。     

岩石破裂时电磁辐射的机理研究

本文提出了岩石破裂时的电磁辐射是裂纹尖端电荷随着裂纹加速扩展运动所产生的假说.应用断裂力学方法推导了岩石破裂时初始裂纹长度与裂纹扩展加速度的关系,并计算了其速度和加速度值.根据破裂岩石的电子发射理论,解释了裂纹尖端带电荷的现象.利用岩石在单轴压缩致裂过程中记录到的近场电磁辐射的实验结果,计算了裂纹扩展时裂纹尖端的电荷量和远场电磁辐射强度.通过对电磁辐射波谱分析的研究,得到岩石破裂时电磁辐射频率上限的估计值.最后对岩石破裂时出现的声光电磁现象在理论上作了统一的定性的解释.     

SF-1型岩石声发射测试仪

SF-1型岩石声发射测试仪是岩石力学实验研究的一种非常有用的测试仪器。它可以用来监测岩石或岩石样品在外力作用下,发生变化过程中由微破裂所产生的声发射现象。它不仅可以研究微破裂与应力、变形、波速、时间等的变化规律,而且还可以进一步研究微破裂与主破裂(大破裂)的关系。所以它在岩石或岩体的变形破坏实验研究中具有重要的意义。多年来,在进行岩石力学研究中一直缺少适用的声发射仪,从而影响了这方面工作的开展。为了当前     

伴随岩石破裂的VLF，MF，HF和VHF电磁辐射特性的实验研究.

许多国内外学者观测到伴随岩石破裂的电磁辐射现象，但实验结果不能解释实际观测记录的不同步现象，即有的台有异常，有的台没有异常；同一个观测台不同频段的信号也不同时出现．给地震预报工作带来不少困难．本实验结果可以解释不同步现象．实验采用单轴加压岩样直至破裂．不同频段的天线安置在远离岩样2 m的不同方位上．采用14道磁带机同步记录岩样破裂全过程的电磁信号． 实验结果表明:① 岩样在主破裂过程中，4种频段都记录到了信号，但不同频率出现的时间有时不同步；② 主破裂发生时刻电磁辐射强度最大，但不同方位信号的强度不同.      

伴随岩石破裂的VLF，MF，HF和VHF电磁辐射特性的实验研究

许多国内外学者观测到伴随岩石破裂的电磁辐射现象，但实验结果不能解释实际观测记录的不同步现象，即有的台有异常，有的台没有异常；同一个观测台不同频段的信号也不同时出现．给地震预报工作带来不少困难．本实验结果可以解释不同步现象．实验采用单轴加压岩样直至破裂．不同频段的天线安置在远离岩样２ｍ的不同方位上．采用１４道磁带机同步记录岩样破裂全过程的电磁信号．实验结果表明：①岩样在主破裂过程中，４种频段都记录到了信号，但不同频率出现的时间有时不同步；②主破裂发生时刻电磁辐射强度最大，但不同方位信号的强度不同     

岩石破裂前声发射的相对平静

在岩石力学实验中,多数场合下样品主破裂前声发射率显著增加。在下列几种情况下岩石样品主破裂前声发射相对平静:①介质的特殊性质;②应力的特殊变化方式;③样品中存在某种构造体;④环境因素的影响。这些实验结果对探讨大震前小震活动平静的原因有一定参考意义。     

岩石破裂中的光声效应

在实验室条件下研究了花岗岩样品受单轴压缩破裂过程中的光和声发射效应,所得可见光谱轮廓与空气分子的光谱相似,但具有能量高于紫光的成份。除在主破裂时有大的光脉冲和声发射外,在主破裂前也记录到弱的光脉冲,它们与大的声发射率有同步现象。     

岩石破裂电磁辐射频率与弹性参数的关系

为进一步研究岩石破裂电磁辐射特征,本文根据岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时产生带电粒子扰动引起的假说,通过断裂力学理论中的张开位移法计算岩石破裂过程中的裂纹宽度,由电磁辐射频率与破裂宽度之间的关系,研究电磁辐射频率与弹性参数之间的关系,并给出了它们之间的关系表达式.通过建立具有中心贯穿裂纹的无限大平板模型,根据破裂宽度计算了在该模型条件下几种岩石破裂过程中产生电磁辐射频率范围.理论模型计算出来的频率范围主要集中在实验观测的中高频段,并体现出频率随弹性参数的变化.     

声发射矩张量自动反演

岩石实验中常通过声发射定位了解岩石内部微破裂发生的时间和位置.如果将地震学中震源机制反演算法引入声发射研究,就可获得微破裂机制,对分析力学过程很有帮助.然而岩石样品中的声发射与野外地震不同,有一些难点:①声发射采集系统的采集通道一般较少,根据少数一些点的初动方向,无法精确勾勒出节面的空间分布;②岩石在围压不高时破裂不一定是纯剪位错,也就是说不一定符合双力偶模型,初动方向有可能不是四象限分布;③构造物理实验中常观测到成千上万个声发射事件,到时识别、初动方向识别很难依靠肉眼识别完成.     

岩石加载变形过程中超声尾波与声发射变化的实验

文中采用尺寸为50mm×50mm×150mm的花岗闪长岩、大理岩以及砂岩3种不同的岩石样品,开展了超声尾波和声发射同步观测研究。结果显示:1)尾波变化与声发射演化过程存在良好的对应关系,声发射频度增加时尾波的变化随之改变,尤其是声发射频度增加的早期阶段尾波便出现变化。这预示了分析尾波可获得岩石早期的损伤信息。2)不同变形阶段,尾波变化的物理机制不同。加载初期,尾波变化存在明显的散射体改变特征;随后,在线弹性变形阶段则以波速变化为主;加载后期,散射体的改变增加,且与波速变化共存,散射体的改变效应与岩石微破裂的程度有关。3)随着载荷的增加,波速增加的幅度总体呈逐渐减小的趋势,这与通过直达波获得的认识基本一致。4)岩石变形过程中产生的微破裂会改变尾波变化的物理机制,散射体效应将显著增强。同时,声发射波形将对超声尾波造成干扰,因此在仅利用尾波资料分析岩石损伤时需要关注相关的问题。总之,超声尾波变化和声发射均可反映岩石内部的损伤情况,且不同的变形阶段尾波的变化机制不同,二者的联合观测可起到相互验证的作用,有利于提高观测结果的可靠性。     

花岗岩变形破坏的阶段性模型--应力速度及预存微裂纹密度对断层形成过程的影响

依据对具有较高微裂纹密度的筑波花岗岩和极低微裂纹密度的花岗斑岩 2种极端的岩石标本、在等应力速率的快速加载 (约 6MPa/min)和蠕变加载 (轴向应力保持在约 95 %破坏强度 ) 2个极端的加载条件下的实验结果 ,讨论了预存微裂纹密度与加载速度对多晶质结晶岩变形破坏过程的影响。实验中利用高速多通道声发射波形数字记录系统 (每秒可记录多达 5 0 0 0个声发射事件的 32通道波形 ) ,获得了岩石标本破坏前微破裂活动的详细时空分布数据。声发射的发生率、震级 -频度关系中的b值及震源的空间分布揭示出岩石变形破坏过程中微破裂活动具有 3个典型阶段 :初期阶段、第 2阶段和成核阶段。尤其是在成核阶段 ,还观测到发生率和b值有大幅度前兆性起伏。一般而言 ,在相同加载条件下预存微破裂密度越高 ,或对同一岩石加载速度越慢 ,对应的断层成核过程就越长 ,因此最终破坏的可预报性也越高。为了进一步探讨微破裂活动的阶段性特征及其物理本质 ,还利用亚临界破裂扩展模型对声发射数据进行了理论分析