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岩石的声发射特征及测试研究

发布日期:2017-05-05 16:09    浏览次数:次

一、岩石声发射特征

(一)声发射信号特征 

  1)岩石声发射信号是时间的非周期函数,即每相邻两次声发射之间的时间间隔带有很大的随机性;

  2)每次声发射信号与其它任何一次声发射信号的波形都不完全相同,有其特殊的频率谱;

  3)岩石声发射信号有很宽的频带(frequency band)),从零点几Hz到上兆Hz;

  4)岩石声发射的频谱为分离的尖峰(pinnacle),尖峰出现在某些频率附近,而其它频率分量处于零,其振幅也是离散的(discrete),如图2-34所示。

        图2-34大理岩声发射振幅谱(据陶纪南等)

(二)岩石破坏声发射全过程特征 

 岩石试件在加载过程中所产生的声发射信号可分为4个阶段(图4-33):

     图2-35 加载过程中岩石内部性质变化图(据Boyce)

 1) 开始加载阶段,试件原始裂纹闭合,并伴有声发射信号出现(图4-35中AB段);

 2)继续加载,试件随荷载的增加开始稳定线性应变,声发射信号也随荷载增大而平稳上升,但上升幅度较小,其范围是整个声发射全过程曲线中范围最大的阶段(图4-35BC段);

 3) 裂纹稳定扩展阶段。随着荷载的逐渐增加,原始的裂纹部开始有声发射活动,声发射迅速上升(图2-35中CD段);

 4)裂纹不稳定扩展段。试件中裂纹扩展速度加快,声发射信号继续提高,岩石试件处于失稳状态。

 图2-35是岩石加载过程的一条典型的声发射过程曲线,不同的岩石的声发射过程曲线有所不同,不是都有这4个阶段。

 布依斯(Boyce)归纳了4种类型的声发射过程曲线,如图2-36所示。

      图2-36 岩石声发射过程曲线类型(据Boyce)

(a)MOGI-Ⅰ型;(b)Ⅱ不稳定的;(c)Ⅲ(d)Ⅳ型

由图2-36可见,Ⅰ型是典型的曲线,包含了完整的4个阶段;Ⅱ型无CD段;Ⅲ型无AB段;Ⅳ型缺BC和CD段。但不管哪一种类型,在岩石临近破坏前,声发射活动活动都是突然加剧。

(三)声发射信号检测

由于声发射信号的时间序列没有周期性、频谱复杂、频带很宽,所以声发射信号的检测有其特殊性。

1) 声发射检测参数    常用声发射信号检测参数主要是统计性参数:

 (1) 累计活动(accumulative activity)(N)  即记录一定时间间隔的声发射(岩音)次数;

 (2) 发射率(emissivity)(NR)  即单位时间内的声发射次数;

 (3) 幅度(swing)(A)  即每一声发射事件的最大振幅;

 (4) 发射能(emission energy )(E) 即每一时段内声发射波振幅的平方;

 (5) 累计能(accumulative energy )(SE)  即在一定的时间间隔内所有声发射能的总和;

 (6) 能率(energy tate)(ER)     即单位时间内观测到的全部声发射事件的发射能的总和。

   在地震研究中,著名的古登堡-里克特关系为:

                                                                       

式中,N为声发射数;M是声发射的强度,通常以波形最大振幅平方的对数或以所有振幅平方和的 对数来标度,也有人以AE信号的电压值作为AE强度的标度形式;b值异常被认为包含地震前兆信息,因此,在地震学领域中声发射b值研究受到重视。

室内试验的声发射系统框图见图2-37):

                      图2-37 声发射系统框图

  1、2-上下压头;3、4-换能器;5、6-前置放大器;7、8-输入鉴别单元;9-定区检测单元;10-计数控制单元A;11-计数控制单元B;12-试验机油路压力传感器;13-压力电信号转换仪表;14-三笔函数记录仪。

2)声发射信号的表征参数  

岩石声发射过程特征参数是岩石破坏失稳预报的基础,可采用下面的参数表征形式:

    (1)事件数和频度

    根据阈值电压选择方法的不同,事件数的确定方法有两种:

    (a)以第一监测周期各种声发射的最大振幅Amax(fi) 的平均值为阈值,即

                                                                       

式中,左手DT为第一监测周期采样时间;d为采样间隔。凡各列频谱值达到(1/m)Amax即为一个大事件(m为2或3),达到Amax的最大值 者为一个大事件。这种方法反映了计数对象的特征,但是计算工作量较大。

  (b)以某一电压为阈值(threshold)。目前很多声发射仪以0.5伏为阈值,凡各分离频谱达到0.5伏者为一个事件,达到1.5伏者为一个大事件。将单位时间的事件数称为事件频度n,单位时间的大事件数称为大事件频度 nb ,设某个采样间隔 Di 的事件数为 Pi ,大事件数为 ri 时间取分钟为单位,则有:

                                                                      

   和

                                                                    

这种方法只受增益(plus)大小的影响,由人为确定。

 (2)单个事件的能量(IE)和单位时间声发射的能率(E)

 单个声发射信号的能量IE应包含所分析的频率范围内各种频率成分的能量之和,即

                                                                   

式中,m为采样点数,R为输入阻抗,A为幅值,故每分钟的能率为  

                                                               

而声发射模拟信号的能量定义为:

                                                            

因此,模拟信号能量为沿波形的包络线积分,因而混入了间断处的虚假值。这正是声发射模 拟信号用能率预测比用事件预测效果差的原因。

“死时间”:国内外普遍采用数字化全波形声发射记录系统,但由于存在动态范围(即频带宽度)不足与“死时间”等问题,使得声发射波形失真,声发射事件大量缺失,影响声发射时空分布、b值等统计的可靠性以及对岩石变形破坏过程的认识。现在出现了宽波形(waveform)、宽动态声发射观测系统,可以研究声发射的时空分布和频谱特征。

“死时间”是由波存仪向计算机转存数据时引起的,也就是说“死时间”是由测试系统本身所决定的。如果声发射的时间间隔始终大于“死时间”,此时无信号丢失,随应力升高,声发射逐渐加密,部分相邻事件的时间间中能会小于系统的“死时间”,此时,将有部分事件漏记。

 二、声发射技术的应用

(一)   监测预报岩体的破坏

1) 岩体破坏的性态及监测预报

岩体破坏分为两种类型:

  (1)静态破坏  如坑洞围岩的冒落(avalanche),坍塌(collapse),这种破坏,破碎岩石借助重力冒落或下滑,这种破坏一般在节理裂隙比较发育的岩体中发生。在未破坏之前,由于裂隙的扩展和延伸,有声发射现象,然而其宏观破坏是静态的。

  (2)岩爆(rock burst):在岩体应力达到其强度时,弹性能突然释放,破碎岩石具有动能(
kinetic energy),从洞壁弹射出来或崩出。小的破坏只有小岩块弹射而大的破坏则有大量岩石崩出,产生强烈的冲击波和气浪,属动态破坏,岩体发生强烈振动(vibration),在矿山可引起地震(earthquake)。这种破坏如象岩石爆破一样,故称之为岩爆。它是由于岩体在破坏之前积聚的大量弹性变形能突然释放的结果。

两种破坏类型的区别:

静态破坏有一个发展过程,初期的声发射活动稀疏,强度不大,临近破坏前,声发射事件的密度和强度急剧加大,即将破坏时,又变得平静,接着就发生破坏。因此,这种破坏的声发射监测不能错过声发射活动的高峰期,要在可疑位置尽早布置监测探头进行连续监测,并根据声发射活动规律进行岩体破坏预报。

岩爆一般在高应力区的坚硬、比较完整的岩体中发生。岩石虽坚硬,如果节理裂隙比较发育,则不会发生岩爆,因为积蓄不起足够的弹性变形能;反之,岩石坚硬完整的情况下也不易发生,因为岩体应力不一定能达到岩体强度。

岩爆发生前,也有声发射活动,这种声发射活动又称微震(slight shock)。但是,岩爆破坏具有突发性,监测预报(monitoring and predict)的难度更大。

2)声发射监测仪器发展现状

岩体破坏声发射监测和预报是岩体工程稳定性研究的一个重要手段,监测预报的成功,首先取决于监测仪器的功能和性能。

国外声发射仪的研制较早,美国在20世纪40年代已完成单通道(single channel)岩体声发射仪的研制,并应用于矿山岩体工程结构稳定性监测(monitoring)。此后,加拿大、波兰、前苏联、德国、法国、日本、意大利南非等国先后研制了多种型号的声发射仪。20世纪70年代后期,开始致力于多通道声发射仪的研制。20世纪80年代以来,计算机技术用于声发射仪,大大高了数据处理能力和速度,为声发射技术的发展开辟了新的天地。

目前美国、南非等国的声发射监测已形成大型网络化系统。例如,美国矿山局在上纳银铅锌矿建立了一个大型网络,覆盖九个矿区,每1~2个采场设立一个数据处理模块(date processing module),负责采集这一区域换能器阵的信号,同时井下数台计算机分担繁重的声发射基础研究工作,井下、地面的计算机操作人员可以提取任一节点(模块)进行处理分析。该网络还通过电话线与科罗拉多丹佛研究中心同时进行实时分析。

在数据处理方面,传统的分析方法需要波形才能进行,上述大型的监测系统不需波形即可识别到达波的性质,可以识别纵波、横波和噪声(yawp),进行到达时差和残差(remain error)分析,以确定音源位置。例如,加拿大MP250多信道数据采集系统配以计算机自动数据分析和音源定位系统不仅可以确定音源位置,而且可进行置信度计算。

(二)   原岩应力测定(original stress determine)

原理:声发射的凯塞效应(Kaiser domino effect)为岩体应力测定和研究提供了一种途径。凯塞效应表明岩石对岩体应力有记忆功能(memory function),可以通过现场取回试件在室内进行压力试验,测出岩石在历史上所受过的最大应力。

试件:岩体应力有6个分量,为了确定三维应力场,必须沿6个方向钻取岩石试。可在6 个方向中每个方向取15~25块试件 。

消除端部效应:为了消除端部效应,试件部浇铸环氧树脂或用其它合成材料制成端帽。在试件两端固定声发射换能器,测定试件特定区域里的声发射信号,区域之外的信号被认为了噪声(yawp)不被接受。

试验曲线:如图2-38所示,定义声发射活动加剧点为凯塞点,发生凯塞效应时对应的应力,即为该试件轴向对应的历史上所受的最大应力。根据6个方向的6组试验结果进行分析,可确定岩体应力的6个分量。

                      图2-38 应力声发射事件试验曲线

评价:用声发射法测定原岩应力的测试工作量小,经济,因此受到重视。但是,测得的应力是历史上所受过的最大应力,不一定是现今岩体中的原岩应力。因为在取试件的过程中也有应力集中,如果这个应力集中也能记忆下来,则无法确定测定的应力是原岩应力还是取样产生的应力集中。同时,还与构造运动的幕期有关。关于声发射法测定古构造应力的可行性和局限性目前还有不同的看法。

其他应用:例如,钻进监测,通过测量钻头切削岩石过程中的声发射信息检查钻头工作状况、岩性变化情况、岩石破碎情况、孔底情况等。

 

PXAE02智能化全天候岩体声发射监测仪:

加载速率对岩石声发射活动的影响:

不同应力路径对岩石声发射Kaiser 效应的影响:

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