声发射技术在岩石力学研究中的应用

随着地震预报研究的开展,岩石力学与地震预报的联系越来越紧密。声发射技术是岩石力学研究中十分重要的工具之一。本文对声发射技术作了简单的介绍,评述了它在岩石力学研究中的应用,介绍了用声发射技术研究地震序列和破裂机制的一些结果。     

声发射技术在岩石力学研究中的应用

随着地震预报研究的开展,岩石力学与地震预报的联系越来越紧密。声发射技术是岩石力学研究中十分重要的工具之一。本文对声发射技术作了简单的介绍,评述了它在岩石力学研究中的应用,介绍了用声发射技术研究地震序列和破裂机制的一些结果。     

基于岩石声发射实验结果探讨地震活动状态变化的预测意义

根据室内岩石破裂实验声发射结果, 论证了地震非均匀度参数(GL值)在识别声发射活动状态变化的有效性, 同时也考察了状态变化参量计算结果的稳定性。 在此基础上, 借用前苏联地震学家Mjachkin等提出的地震孕育至发生的雪崩不稳定裂隙形成模式, 探讨了部分强地震孕育过程中, 区域地震活动由无序到有序状态变化的可能形成机理。 利用地震状态参数, 即地震非均匀度(GL值)尝试开展了对我国未来一个时期地震大形势的定量分析预测。     

岩石蠕变过程中声发射活动的实验研究

在常温下、单轴加压下对两种岩石完整样品进行蠕变破坏过程中声发射活动实验.根据实验获得的数据讨论了蠕变三个阶段中声发射活动特征.在瞬态蠕变阶段,随着加载,声发射活动逐渐增强;在稳态蠕变阶段,在较低的声发射活动背景上,可能出现较强的信号,声发射幅值-频度关系的 m 值可能稳定于某一低值,也可能下降;进入加速蠕变阶段,声发射活动水平增强,m 值下降加快,也可能表现为明显回升后再下降,并与岩石样品的性质有关.将蠕变破坏三个阶段中声发射活动与地震孕育过程中某些地震活动图象变化(如 b 值、前震活动)进行了联系,提出地壳岩石蠕变破坏机制形成前震——主震——(余震)型地震序列类型的可能性.      

利用声发射和波速变化判定岩石损伤状态

对岩石受单轴压缩损伤过程中的声发射和超声波波速进行了同步测量,对比分析了声发射和波速随损伤过程的变化规律。研究表明,岩石损伤过程可分成几个阶段,不同阶段声发射和声波波速变化呈现不同特征;利用超声波波速的相对变化能够稳定可靠地鉴别岩石的"加载强化"与"加载弱化";声发射b值对裂隙的非稳定扩展更加敏感,可以作为岩石失稳预警参数;岩石声发射和波速都对损伤具有记忆性,重复加载下的声发射和超声波波速变化可提供更丰富的岩石损伤状态信息。     

岩石蠕变过程中声发射活动的实验研究

在常温下、单轴加压下对两种岩石完整样品进行蠕变破坏过程中声发射活动实验.根据实验获得的数据讨论了蠕变三个阶段中声发射活动特征.在瞬态蠕变阶段,随着加载,声发射活动逐渐增强;在稳态蠕变阶段,在较低的声发射活动背景上,可能出现较强的信号,声发射幅值-频度关系的 m 值可能稳定于某一低值,也可能下降;进入加速蠕变阶段,声发射活动水平增强,m 值下降加快,也可能表现为明显回升后再下降,并与岩石样品的性质有关.将蠕变破坏三个阶段中声发射活动与地震孕育过程中某些地震活动图象变化(如 b 值、前震活动)进行了联系,提出地壳岩石蠕变破坏机制形成前震—主震—(余震)型地震序列类型的可能性.     

基于岩石变形声发射实验结果讨论岩石失稳的可预测性

根据室内岩石变形声发射实验结果,计算了声发射序列的地震非均匀度GL值,并以此探讨岩石破裂失稳的可预测性.     

基于岩石变形声发射实验结果讨论岩石失稳的可预测性

根据室内岩石变形声发射实验结果,计算了声发射序列的地震非均匀度GL值,并以此探讨了岩石破裂失稳的可预测性。在双轴压缩、等速率加载条件下,含障碍体断层、挤压雁列断层和Ⅲ型剪切断层等非连续岩石标本在临近滑动失稳前,声发射活动均出现了显著的均匀—非均匀的状态变化,表现为GL值出现持续大于1的异常变化,GL值异常的位置与破裂成核部位相重合,并与断层走向一致;改变统计窗长、窗内分割数及能级统计下限计算声发射序列的GL值,结果表明,GL值计算结果具有一定的稳定性。综合分析认为,地震非均匀度(GL值)可以较好地刻画岩石失稳前夕因破裂成核导致的声发射活动在时间分布上的状态变化,GL值持续异常是岩石失稳的显著性标志,对预测岩石失稳具有较好的指示意义。     

A Damage Model of Acoustic Emission in Rock and Its Initial Application in Seismological Research

The model of the relationship of AE parameter,damage variable and strain is derived by applying the damage theory and micro-element statistical strength theory.The relation between AE characteristics during rock failure and machine stiffness is analyzed under uniaxial compression with the above model.Based on the above analysis,the internal connection among AE activity law and seisraogenic process and earthquake activity is discussed.     

基于声发射参量的煤样损伤模型研究

在单轴压缩下煤样损伤模型基本原理的基础上,推导出了基于声发射参量的煤样损伤模型。以原煤为研究对象,在单轴压缩下,对煤样进行声发射实验,验证了基于声发射参量的煤样损伤模型在煤样破坏前是可行的;分析了在单轴压缩下的声发射特性,并提出了基于＂归一化＂声发射累计计数的损伤变量,得到了在单轴压缩下煤样的应变—损伤方程和煤样的一维损伤本构方程。研究结果表明：声发射参量能够反映煤样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;基于声发射参量的煤样损伤模型是合理的,反映了声发射事件数和煤样损伤之间的对应关系;单轴压缩下的煤样损伤演化过程,可分为初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段和残余损伤阶段4个阶段。     

Effect of Rock Structure on Statistical Characteristics of Acoustic Emission

A comparative study on acoustic emission during deformation of two kinds of granites with different structures under triaxial compression was performed using a new acoustic emission recording system with full-waveform record and broad-dynamic range. One is the Inada aplite-granite of homogeneous structure from Japan and the other is the Mayet granite with cemented natural joints from France. For the former granite, acoustic emission events are dispersed randomly and there is no clear clustering along the major fracture. For the latter granite, acoustic emission events are mainly concentrated near the joints. Acoustic emission events occur synchronously with the volumetric dilatation in the former one but far earlier than the volumetric dilatation in the latter one. The two kinds of granites are also clearly different in the frequency spectrum of acoustic emission. The former has a narrower frequency band and a higher frequency component, whereas the latter has a wider frequency band and generally a lowe     

单轴加载下砂岩声发射特征的试验分析

声发射是岩石材料发生变形破坏时所伴随的一种普遍现象.在刚性试验机上,单轴受压务件下对砂岩破坏全过程进行了声发射试验,得到了砂岩破坏过程中的应力特征与时间、应变,声发射特征与时间、应变之间的关系曲线.通过对关系曲线的研究,着重探讨了声发射特征与应变之间的关系,并用拟合的方法得到了砂岩试样的近似破坏临界点,为0.9 x0,对砂岩破坏的监测预报具有一定的理论指导作用.     

Ultrasonic Velocities, Acoustic Emission Characteristics and Crack Damage of Basalt and Granite

Acoustic emissions (AE), compressional (P), shear (S) wave velocities, and volumetric strain of Etna basalt and Aue granite were measured simultaneously during triaxial compression tests. Deformation-induced AE activity and velocity changes were monitored using twelve P-wave sensors and eight orthogonally polarized S-wave piezoelectric sensors; volumetric strain was measured using two pairs of orthogonal strain gages glued directly to the rock surface. P-wave velocity in basalt is about 3 km/s at atmospheric pressure, but increases by > 50% when the hydrostatic pressure is increased to 120 MPa. In granite samples initial P-wave velocity is 5 km/s and increases with pressure by < 20%. The pressure-induced changes of elastic wave speed indicate dominantly compliant low-aspect ratio pores in both materials, in addition Etna basalt also contains high-aspect ratio voids. In triaxial loading, stress-induced anisotropy of P-wave velocities was significantly higher for basalt than for granite, with vertical velocity components being faster than horizontal velocities. However, with increasing axial load, horizontal velocities show a small increase for basalt but a significant decrease for granite. Using first motion polarity we determined AE source types generated during triaxial loading of the samples. With increasing differential stress AE activity in granite and basalt increased with a significant contribution of tensile events. Close to failure the relative contribution of tensile events and horizontal wave velocities decreased significantly. A concomitant increase of double-couple events indicating shear, suggests shear cracks linking previously formed tensile cracks.     

岩石中诱发脉冲的声发射场的频谱分析及应用

本文用光弹性的方法记录岩石中诱发脉冲的自然振动场,并做频谱分析,这种方法可以测量波动的应力,用以显示在有限尺寸的非均匀固体或岩层结构中,由于破裂成核结构的形成而激发的声发射频谱。地声频谱方法的一个应用,是探测宏观破碎断裂面或不同岩性的断裂面。本文的结果,可导致对不同频率波的层析成像;可对矿山的岩体断层定位作出贡献,从而有助于预测矿井的灾害。在实验室中岩层破裂时声发射系列的频谱模式,可能转用于天然强震系列频谱作模拟类比。     

岩石在破裂孕育过程中声发射变化特征的物理机制研究

根据声发射原理，并假设岩石中颗粒断裂的总几率符合Ｗｅｉｂｕｌｌ型极值函数，由此导出声发射总数Ｎ与应变能Ｗ，材料断裂构造形状参数ｍ，试样几何尺寸Ｂ及颗粒总数Ｌ的关系。对同一材料的同一试件而言，ｍ对Ｎ的变化形态有显著影响，而应变能的大小则对Ｎ的大小有显著影响，并同时导出声发射率与上述变量及能率的关系。同样，的变化形态受ｍ的制约，的大小则与应变能的大小及能率大小有关。进一步推导还表明，在岩石主破裂前，前兆时间ｔ和的变化不仅与极值应力前后的应变硬化及应变软化程度有关，且与环境刚度（压机刚度）及岩石自身的力学性质有关。摸拟了几条理论曲线，它与实验结果非常一致。     

区域环境冲突与排污权交易模型探讨

废水排污权交易地区交叉补贴的设想是通过建立上下游地区之间的排污权交易模型,将下游地区的排污权交易所得向上游地区转移,解决上游地区对下游地区的二次污染问题,从而减少流域污染.本文在污染权交易基本思路和研究进展的基础上,在并不考虑交易成本的假设下,建立了流域污染总量分配模型和存在收入差别的地区间污染源排污权分配模型,以此来确定污染的总量分配及价格,计算污染权的地区分配及其收益.太湖流域由于经济最为发达,环境问题十分突出,是目前我国最适宜率先实施污染权交易试点的地区,因此假定以江苏省无锡和常州两个相邻城市进行污染权交易作为试点,运用上述模式,以分别计算基准价格、排污权交易量和交易效用,研究结果显示出交易具有明显的经济和环境效应.     

油气田典型岩石三轴压缩变形破坏与声发射活动特征——四川盆地震旦系白云岩及页岩的破坏过程

随着二氧化碳地质封存、深部地热开采、地下储气库建设、页岩气开发、二次驱油/驱气等工业应用的快速发展,与地下流体注入有关的诱发地震活动呈现一定的增加趋势.利用声发射实验观测油气田典型岩石在三轴压缩条件下变形破坏过程与声发射活动特征,对研究注水诱发地震过程有着重要意义.本文利用四川盆地现场采集的震旦系白云岩及页岩,采用实验室声发射技术观测研究岩石三轴压缩变形破坏过程中地震波速度等物性参数及声发射事件时空分布特征.实验结果表明:震旦系白云岩及页岩在变形破坏过程中均有一定的声发射活动.根据声发射定位结果,声发射主要集中在破坏前后的较短时间内,页岩的层理面为结构弱面,控制最终破坏面的形态及声发射特征.根据应力-应变结果,白云岩在压缩的后期阶段有一定的扩容现象,但页岩在整个压缩阶段均没有明显扩容现象.研究结果表明四川盆地较古老的白云岩及页岩具有脆性破坏特征,地下流体注入容易诱发微震活动,形成裂缝,有利于页岩气压裂开采.微震活动有利于监测裂缝的发生发展,但同时在页岩气开发及二氧化碳地质封存时应采取相应的预防控制措施进行安全合理的储盖层管理,避免灾害性诱发地震的发生.