岩石力学中的岩石稳定性与声发射技术

岩石力学中的岩石稳定性与声发射技术

李燕

李燕LiYan

（漳卫南运河管理局规划设计研究院，德州250013）

（ZhangweinanCanalBureauInstituteofPlanningandDesign，Dezhou250013，China）

摘要：岩体声发射技术是地下工程中监测围岩稳定性的重要手段。根据大量的现场岩体稳定性声发射信号参数，提出了评价地下工程岩体稳定性声发射相对强弱指标，综合考虑了岩体失稳过程的声发射事件率或能率的时间序列,可以消除测点布置方式及地质构造等因素对声发射信号参数的影响，更准确地进行围岩稳定性评价。

Abstract：Therocksoundemissiontechniqueisimportantmeanstomonitorthestabilityofwallrockinundergroundconstruction.Theevaluationofrelativestrengthindexofsoundemissionofrockmassstabilityinundergroundconstructionwasputforward.Thetemporalseriesofrocksoundemissionrateorcapacityratiointheprocessofrockinstabilitywassyntheticallyconsidered,whichcaneliminatetheinfluenceofthefactorsofarrangementofmeasuringpointsandgeologicalstructuretoparametersofacousticemissionsignal,andaccuratelyconductestimationofstabilityofwallrock.

关键词：岩体声发射；岩体稳定性；相对强弱指标

Abstract：rocksoundemission;rockmassstability;relativestrengthindex

中图分类号：P5文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）07-0196-01

1声发射基础

材料或结构受力作用时发生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射（AcousticEmission,简称AE）。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频，声频到超声频，所以声发射也称为应力波发射。大多数材料的声发射信号强度很弱，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器检测分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。

由于材料变形，裂纹扩展等不可逆性质，声发射具有不可逆性。作为一种重要的无损检测技术，与其它无损检测技术相比，它具有以下优点：可获得关于缺陷的动态信息，并据以评价缺陷的实际危害程度以及结构的完整性和预期使用寿命；只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验即可大面积检测确定缺陷的位置和监视缺陷的活动情况，操作简便；可提供随载荷、时间、温度等外部变量而变化的实时瞬态或连续信号，因而适用于过程监控以及早期或临近破坏的预报等等。

2影响岩石声发射的因素

2．1体积效应同一材料在相同试验条件下，厚度不同声发射效应也有所不同，这种现象称为声发射的体积效应。厚度影响突发型声发射的幅值，较厚试样的信号的幅值较大。

2．2围压效应岩石的声发射和围压效应有着密切联系。试验资料表明，岩石在不同围压下的强度明显不同。随着围压的降低，岩块的抗压强度也相应降低。如果在较高围压下对岩石加载，随着荷载水平的提高，岩石微破裂即声发射逐渐增加，此时如果保持全位移不变或变化不大，而使围压降低到0，则岩石变形加快，声发射活动明显增多，在某一点系统重新到达平衡。但如果在载荷水平较高时卸去围压，则可能使轨迹线正好与单轴加载本构曲线相切，即满足失稳条件。

2．3岩石的不均匀性均质性较好的岩体发生主破裂时声发射极为集中。均质性较差的岩体，不会在短时间内出现大量的微破裂，于是声发射活动始终保持在相对平静状态。

2．4压机刚度用刚度小的压机加载时，当岩样受力接近其极限强度时，声发射率随变形速率的增大而增大，在破坏时出现一高峰值。试验机的刚度增大时，声发射序列逐渐由集中型向群体型过渡，因为系统稳定性增强，微元破裂速度峰值减小。但在加载的前期和后期，声发射序列有一定的相似性，即微破裂对系统刚度不敏感。

3岩体稳定性监测

3．1检测不到声发射信号，或声发射参数值保持在背景水平而无明显变化，则认为岩体是稳定的。

3．2当声发射参数的测试值达到或超过某一峰值(临界值)时，岩体可能发生破坏。但各矿岩体条件不一，该临界值也不尽相同。因此，只能根据类似矿山的经验确定一参考临界值，然后根据本矿的实践进行修正和完善。

3．3声发射各参数的测值异常变大时，说明岩体破坏正在加剧，可能出现危及破坏；大事件数量的增加，说明危险程度的增大。

3．4岩体破坏的地点应在监测孔的监测范围内，出现异常的监测孔愈多，破坏规模愈大；对块体破坏，若监测孔按三角点或四角点控制，可基本实现定价预报。

3．5声发射活动高峰后的下降和平静，并不表明岩体趋于稳定，而是岩体己发生了结构破坏。

4岩体破裂过程中声发射活动的规律

①加载初期有不同程度的声发射活动，小事件数较多，声发射率大，能率较小。在较低的应力作用下，试件内某些预先存在的裂纹闭合。闭合过程及闭合后部分粗糙面的破损都会产生声发射，但能量较低，往往具有较大的波动性；②随着荷载的缓慢增加，声发射活动又逐渐趋于平静。该阶段内试件上受到的应力，还不足以形成新裂纹，应力与应变保持线性关系。但部分岩石试样内部某些闭合的裂纹表面之间同样会发生滑移，因此也有可能产生较低的声发射。③续加载，当载荷水平达到试样强度的约40％-60％时，岩样的新裂纹开始形成，试件出现扩容现象，声发射率和能率都逐渐趋于活跃，并达到较高峰值。

5结论

①岩石加载初期的声发射是岩石内部预先存在的裂纹闭合产生的，此时产生的能量较低，波动性也比较大。主破裂发生前后，岩体处于一个相对稳定的状态，声发射事件很少。②破裂前新裂纹和原有裂纹的扩展，形成了断裂面，导致了试件破坏时声发射率和声发射能量达到最大值。③一般岩样声发射主要集中在主破裂附近，而鲁西煤跟其它岩样存在一定的差别。它本身就是一种松散的结构，晶粒粗，且均质度比较差，内部微元强度差异较大，声发射事件比较均匀。

6展望

声发射技术成本低和数据采集丰富的优点，在地应力测量、岩爆岩体的稳定性监测、地震预测预报等方面有广泛的应用。

参考文献：

[1]秦四清，李造鼎，张倬元，邓荣贵.岩石声发射技术概论.西南交通大学出版社，1993.

[2]戴光，徐彦廷，李伟，张颖.声发射技术的应用与研究进展.大庆石油学院学报，2001年9月，第3期，第25卷.

[3]吴刚，赵震洋.不同应力状态下岩石类材料破坏的声发射特性.岩土工程学报，1998年3月，第2期，第20卷.

[4]潘长良，祝方才，曹平，冯涛.单轴压力下岩爆倾向岩石的声发射特征.中南工业大学学报，2001年8月，第4期，第32卷.

[5]秦四清，李造鼎.声发射技术在岩石断裂力学研究中的应用.应用声学，1992年7月，6期，12卷.

作者简介：李燕（1972-），女，上海人，工程师，研究方向为规划设计。