岩体多源声学及应用

第1章绪论 1.1岩体声学的地位和作用 在地壳岩石层形成的漫长地质年代里，上覆岩层的自重和板块之间的相对运动在岩石层内部形成了地应力。在完整岩石层未受外界扰动的情况下，地应力处于三维平衡状态。板块运动和造山运动等地壳活动不仅影响了地球上陆地和海洋的分布，还造成了严重的地震和火山喷发等自然灾害[图1-1（a）和（b）][1，2]。在这些过程中，储存在岩体内部的能量以声波、光波、电磁和动能等形式释放出来，严重的甚至造成了物种灭绝等毁灭性灾难。在人类进化过程中，虽未发生能够造成物种灭绝的自然灾害，但地震、坍塌和滑坡等地质灾害却一直伴随着整个人类进化史。现代人类活动，尤其是采矿、隧道、大坝、地热开发等工程的开挖与建设，也在一定程度上破坏了岩石层中原本处于三维平衡状态的地应力场，诱发了大量的岩体失稳等工程地质灾害[图1-1（c）和（d）][3]，严重威胁着人们的生命财产安全。这些自然灾害和诱发的工程地质灾害发生前后始终伴随着声波的激发与传播。 图1-1自然灾害及采矿诱发的工程地质灾害 具体来讲，通过研究自然灾害及诱发的工程地质灾害的发生过程和机理，我们可以发现当岩石材料受到外界拉、压、剪、扭等应力扰动时，首先会在表面产生微小形变，随着外界应力的增大，应力向岩石内部传导，由于岩石组成结构的不均匀性，在岩石内部各个部分的不均匀变形中，会剪切或拉伸相邻区域，某些薄弱结构自身变形过大超过阈值则会使岩体内部产生微小裂纹。随着外界应力的进一步增大，不均匀变形和裂纹会衍生扩展，进一步导致岩石内部的开裂区域积小成大逐渐形成宏观裂纹。这些微破裂在岩石内部的薄弱结构展开，导致岩体破裂过程通常会伴随着弹性波或应力波的激发，将这种以应变能释放形式产生的应力波称为岩石声波，将产生这种应力波的现象称为声发射，微破裂产生的位置称为岩体声源或声发射震源。撞击、坍塌和树木折断等发出的声音应该是早期人类听到*早的声发射信号。随着研究的逐渐深入，人们根据信号频率以及尺度等不同还提出了微震的概念，因其研究方法、技术和理论都基本相同，国内外的研究者也习惯将它们并称为声发射/微震，本书将其统一定义为岩体声学。利用声学设备对岩石材料内部破裂信号进行监测与分析，对岩石材料内部的动态破坏行为进行无损检测的技术，称为岩体声发射/微震监测，统称为岩体声学监测技术。由于岩体声发射/微震信号中蕴含着岩体内部损伤演化过程的大量信息，因此岩体声学监测技术已被广泛应用于矿产及地热开发、隧道及桥梁工程、公路及水利工程、土木基建工程、油气藏水力压裂勘探等领域。 随着人类社会的进一步发展，人们对资源和能源的需求都在不断增大，这对资源和能源开发提出了更高的要求。人类赖以生存的大部分资源和能源都是直接或间接通过地下开采得到的。太阳能和风能的开发虽不需要开采，但其能量转换设备均依赖于开采所获取的资源。浅部资源和能源在长期的开采过程中已经逐渐趋于枯竭，资源开采正在逐步向深部转移。然而，深部与浅部开采中围岩体力学特性具有很大差异，其中*典型的特征为深部岩体受高地应力和高地温的影响极大。在高地应力的条件下，开采作业过程中的强动力扰动极易诱发岩爆和大范围垮塌等地质灾害，造成大量人员伤亡和经济损失。在高地温环境影响下，硬岩脆性破坏逐渐增强，在高地应力条件下岩爆发生时间提前，岩爆等级不断增大，岩爆烈度不断增加。近些年，发生在中国山东郓城、美国爱达荷州北部、南非约翰内斯堡等地的冲击地压事故，直接造成了重大的损失和影响。 我国油气资源相对较少，而煤炭资源相对丰富，“双碳”计划的实施，势必会增大企业节能减排的压力。因此，寻求并采用新的可替代清洁能源将是国家与企业发展的必由之路。地球上地热能资源极为丰富，其储量相当于煤炭总储量的1.7亿倍。作为一种新的清洁能源，地热能的开发与利用在新形势下必定会得到关注与重视。目前，地热能资源的开发利用在欧洲许多国家相当热门。然而，当前技术条件下，地热能资源开采均是通过向预先水力压裂的干热岩中注水进行热交换，然后回收热水实现的。水力压裂及注水过程对高温岩体强度及稳定性影响较大，极易诱发微地震等灾害。人们通过研究诱发地震活动的形成机理，发现多处地震活动的发生与当地地热系统工作有紧密的联系，如法国苏茨（Soultz）[4]、瑞士巴塞尔（Basel）[5]、美国哈里森（Harrison）[6]等地的地热系统均诱发了多次微地震活动。因此，地热能开发过程中岩体稳定性监测与评估至关重要。 岩体声学监测作为一种无损检测手段，通过利用声学设备对资源和能源开发过程中岩体内部的声学信号进行监测，可以有效利用资源与能源开采和地热能开发过程中的岩体震动和破裂所激发出的声发射/微震信号研究岩体损伤破裂过程，确定声发射/微震震源的空间位置及发生时间，分析震源处岩体的受力状态，进而获取岩石材料特性，判断岩石内部裂纹演化规律及结构失效情况，探究岩体失稳的有效前兆特征，为岩石的损伤破坏、岩爆和垮塌等地质灾害的预测提供指导。 1.2岩体声学的研究现状 1.2.1 岩体声学技术的实验室尺度研究 自1963年Goodman在岩石材料中发现了声发射Kaiser效应后，对岩石受压破坏过程产生的声发射现象已开展大量室内试验研究[7]。随着实验室设备与方法的普及，大量学者结合声发射监测设备与常规加载设备、应力应变监测、数字散斑等技术开展了大量卓有成效的研究。 关于岩石加载过程中的声发射相关研究成果非常丰富，不同种类岩石单轴压缩下的声发射特征、应力、应变特征等被大量报道。李庶林等[8]对岩石进行单轴加载和加卸载试验，分析了岩石加载全过程声发射特性和岩石在卸载、重复加载时的声发射特性。张茹等[9]通过对花岗岩的多级加载发现，声发射事件率存在初期低，中期增加，之后下降3个阶段。刘保县等[10]对煤岩进行单轴压缩并采集声发射的试验，建立了基于声发射振铃计数的岩石损伤模型。赵兴东等[11]进行了花岗岩单轴加载并采集声发射，对不同应力水平下的裂隙扩展进行了定位。曾寅等[12]进行了岩盐单轴蠕变的声发射试验，发现声发射事件率随着蠕变变形阶段性变化。左建平等[13]对煤岩和砂岩组合材料单轴压缩下的声发射进行研究，并将声发射数据进行定位，发现声发射震源分布与材料类型有直接关系。Dong等[14]通过开展单轴压缩声发射试验，研究了岩石失稳前兆与主应力方向之间的定性关系，发现波速变化的幅度与波传播路径的方位角和位置有关，并指出可以通过波速变化的各向异性特征来识别主应力方向。高峰等[15]通过岩石单轴压缩声发射试验，计算了不同应力水平下的声发射时间序列的关联维数，发现关联维数随相空间维数的增大而增大，*后趋于稳定。姚旭龙等[16]开展了不同岩性的单轴压缩声发射试验，并构建了基于声发射信号能量贡献率的岩体破裂关键信号的优选方法。Moradian等[17]对预先存在缺陷的花岗岩的棱柱形岩样进行单轴压缩试验，将声发射信号与岩石的应力-应变图相关联，认为声发射撞击数与裂缝数量正相关，能量与裂缝事件的大小正相关。李文洲等[18]通过开展煤样单轴压缩声发射试验，采用裂纹体积应变法和声发射法共同确定了煤样单轴载荷下的起裂强度，并对煤样起裂强度的影响因素及对各因素响应的敏感度进行了探讨。田芯宇等[19]对不同饱水状态的红砂岩单轴压缩试验过程中的声电信号进行了综合监测，发现试样含水状态的变化对试样的强度和声电信号均具有明显的影响，不同损伤演化阶段中声电信号所占的比例能较好地反映岩石试样的损伤演化规律。赵奎等[20]开展了不同含水率条件下的红砂岩单轴压缩声发射试验，探究了不同含水率条件下声发射信号的时序演化规律，发现随着含水率的增加，红砂岩声发射事件活跃期逐渐后移，干燥、自然与饱水状态下的红砂岩试件声发射破坏模式分别为主震型、前震-主震-后震型和群震型。姚强岭等[21]通过监测不同含水率和不同岩性煤岩系单轴压缩试验和变角剪切试验中的声发射信号，对不同含水率和不同岩性的煤岩系力学特性和破坏机理进行了研究，发现声发射累积计数随含水率的增加而减小。Guo等[22]通过对不同高径比的煤样进行单轴压缩试验，分析试验过程中的应力、应变和声发射信号发现，随着高径比的减小，煤样的单轴抗压强度和峰值应变均增大，且煤样破坏过程中根据声发射活动确定的平静期和快速下降期的持续时间随高径比的减小而缩短。杨文君等[23]开展了不同加载速率下的砂岩单轴压缩声发射试验，发现当加载率较高时，砂岩声发射信号的撞击幅值也维持在较高的水平，加载率越高，累积声发射计数增长越快。韩军等[24]采用不同单轴抗压强度的煤样进行了单轴压缩声发射试验，对煤样单轴压缩破坏各阶段的声发射能量、振铃计数等参数进行了分析，发现不同强度的煤样声发射特征在线弹性阶段和应力峰值阶段会发生明显的突变。康玉梅等[25]对比分析了不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土单轴压缩试验过程中的累积能量、累积撞击数、b值、RA值、AF值等声发射信号特征，认为声学特征参数的变化与混凝土试件的破坏过程各阶段具有较好的对应关系。洪铁东等[26]对不同取代率的高强自密实再生块体混凝土试件单轴压缩过程中的声发射特性进行了研究，通过引入活跃系数对声发射能量进行分析，发现随着取代率的升高，峰值应力前声发射的活动强度显著增加，基于声发射确定的活跃系数可以作为混凝土是否适合继续服役的判断标准。杨增福等[27]对煤岩单轴压缩破坏过程中的声发射信号进行了监测，并对煤岩试样单轴压缩过程中的破坏与声发射撞击曲线和能量曲线进行了对比分析，发现单轴压缩条件下中粒砂岩和煤样的破坏形式表现出明显的不同，中粒砂岩的声发射事件数远小于煤样的声发射事件数。卢蓉等[28]对预制了不同倾角裂隙的充填体试样开展了单轴压缩声发射试验，对其力学行为进行了研究，发现裂隙倾角对充填体试样的脆性及变形特性有较大的影响，随着预制裂隙倾角的增大，试样破坏类型逐渐由张拉型破坏转变为拉剪型破坏。赵康等[29]采用单轴压缩声发射试验对两种不同灰砂比的尾砂胶结充填材料试样的力学特性和协同变形特征进行了研究，认为不同灰砂比组合体的声发射活动特征同样也具有4个典型阶段，应力峰值相较于声发射振铃计数峰值具有一定程度的滞后，随着组合体强度的增大，声发射振铃计数整体逐渐减少。 单轴压缩试验可以在一定程度上反映岩石试样破坏过程中的力学特性，但由于其加载方式的限制，无法真实地模拟地下岩体的受力情况。当隧道、硐室、巷道和采场开挖以后，临空面的岩体不再处于三维应力条件约束，而是处于典型的二维应力状态。双轴加载试验可以较好地模拟临空面岩体的受力及破坏情况，国内外学者针对双轴压缩下岩体的声发射特征开展了丰富的研究。张晓君等[30]开展了具有岩爆倾向性的单卸压孔劈裂试样双轴压缩试验，结合应变和声发射监测，提出了在施工单卸压孔基础上将其劈裂的局部解危方法，但对于多孔劈裂的解危效应还有待研究。徐世达等[31]开展了双轴加载条件下的岩石试样破裂声发射试验，发现双轴加载试验中b值的变化规律与单轴加载试验中b值的变化规律相似，随着应力的增大，都呈现出先增大后减小的整体趋势。Dong等[32]通过开展双轴加载条件下的声发射监测试验，发现随着中间主应力的增加，花岗岩试样的破裂特征从“突然聚集”变为“连续分散”，增大中间主应力导致试样破裂过程中高频AE信号和剪切裂缝的比例增加，进而促使了试样发生不稳定破坏。李建乐等[33]采用离散元数值分析软件PFC建立了煤样双轴加载压缩模型，对煤样整体的破坏形态、裂纹的发育、应力-应变关系及声发射事件进行了研究。魏嘉磊等[34]开展了含圆孔试样的双轴加载声发射监测试验，对试验过程中声发射能量参数、事件参数、b值和熵值等参数与破裂前兆之间的关系进行了统计分析，发现熵值前兆出现*早，b值前兆出现*晚，采用声发射累积参数曲线*容易对岩石破坏前兆进行识别。秦乃兵等[35]通过开展含孔洞岩石试样的双轴压缩声发射试验，研究了含水率对孔洞岩体声发射特性的影响，发现对于干燥岩石试样，岩爆发生前声发射都具有平静现象，含水试样在