岩石多因素Kaiser效应特征研究及地应力实测.pdf

硕士学位论文 岩石多因素 Kaiser 效应特征研究 及地应力实测 Study on Rock Kaiser Effect Characteristics under Multi-factors and In-situ Stress Measurement 作 者张巧娜 导 师李玉寿 高工 中国矿业大学 二〇一六年五月 万方数据 中图分类号 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 岩石多因素 Kaiser 效应特征研究 及地应力实测 Study on Rock Kaiser Effect Characteristics under Multi-factors and In-situ Stress Measurement 作 者 张巧娜 导 师 李玉寿 申请学位 工学硕士 培养单位 力学与建筑工程学院 学科专业 工程力学 研究方向 岩石损伤与声发射 答辩委员会主席 高峰 评 阅 人 刘卫群 李顺才 二○一六年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 张巧娜 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位 论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文 撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送专 家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 84 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文岩石多因素 Kaiser 效应特征研究及地 应力实测 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工 作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和 集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 本文是在李玉寿高工的悉心指导下完成的。 导师从论文选题到试验结果分析 及至论文的写作、修改、成文，每一个步骤都倾注了大量的心血。三年以来，无 论是生活上、学习上导师都给予了作者无微不至的关怀、教诲和指导，导师渊博 的学识，严谨求实的治学态度、活跃的学术思想以及忘我的工作态度，都对学生 产生的潜移默化的影响，这也将使学生受益终生。教诲如春风，师恩似深海，值 此论文完成之际，谨向导师致以最崇高的敬意与最诚挚的感谢。 感谢力学系所有老师和研究生在我求学过程中给予的关怀和帮助。 尤其感谢 刘卫群教授在学习和科研中的悉心指导和帮助，正是与你们的交流，才使我拓宽 了知识面，加深了对科研的认识。同时也感谢陈俊国博士、马天然博士、马德鹏 博士、移峥峰硕士，桑盛硕士，王冬妮硕士，章统硕士，魏朝明硕士，查浩博士， 方艺蛟硕士，申振硕士，叶宇翔硕士等在学习和论文书写过程中的帮助，谢谢你 们 特别的感谢留给我的父母家人， 感谢你们多年来在我求学之路和成长过程中 无私的付出，多年来你们无私的支持与关心是我坚强的后盾，让我勇敢地面对各 种困难，放手一搏。 感谢研究生三年陪伴我的舍友以及工程管理的妹子们， 三年有你们的陪伴与 关怀，无论开心或是难过，都共同度过，这份友情是我人生路上的巨大财富，离 别在即，愿你们今后的生活永远保持现在的这份乐观开朗，意气风发 感谢所有论文引用文献的作者。 再次向辛勤培养我的导师李玉寿高级工程师表示我衷心的感谢。 最后，向百忙之中对本论文审阅的各位专家和学者致以诚挚的谢意 2015 年 5 月 万方数据 I 摘摘 要要 随着经济与国防建设的不断发展，地下空间开发逐步走向深部，原岩应力测 量已成为地下工程施工中必须解决的技术难题， 目前的诸多地应力测量方法在深 部岩体中已经不适用，同时工程岩体受到地下水的侵蚀及承压地下水的作用， Kaiser 效应法是目前测量地应力比较可行的方法。解决测量过程中含水率、孔隙 水压、围压等因素对岩体 Kaiser 效应的影响规律是一项基础性的前沿课题。本 文对 MTS815.02 电液伺服试验系统进行改造，以工程岩体红砂岩为研究样本， 并结合 AE21C 声发射检测仪等试验设备研究了围压、含水率、孔隙水压影响下 红砂岩的力学特性、声发射特征以及 Kaiser 效应变化规律，利用 Kaiser 点信号 能量分布特征提出了一套 Kaiser 点的选取方法。主要工作内容及研究成果如下 （1）对 MTS815.02 电液伺服试验系统加载底座进行技术改造，将检波器由 三轴室外部移至内部，并利用系统本身结构将信号线引出，使声发射检测仪传感 器在不受围压、孔隙水压影响下采集到更加准确、真实的声发射信号，并有效减 少了环境噪声的影响。 （2）进行了不同围压、含水率、孔隙水压下红砂岩单轴、三轴压缩试验， 得到不同因素影响下红砂岩的弹性模量、峰值强度、峰值应变、残余强度、振铃 计数率、累计振铃计数以及累计能量的变化规律，并详细分析了产生此规律的内 在机理。 （3）在对循环加卸载条件下红砂岩声发射参数与时间关系曲线进行分析的 基础上，初步确定 Kaiser 点范围，并对此范围内所有点进行频带能量分析，得 到特征频带为 62.593.75kHz， Kaiser 点在特征频带能量百分比最高， 根据 Kaiser 点在特征频带的能量分布特点提出了一套 Kaiser 点选取方法，即特征频带能量 分析法。使用此方法对取自唐口煤矿-1000m 水平岩样进行了 Kaiser 点选取，得 到的地应力计算结果与套孔应力解除法测量结果相近。 （4）对各因素影响下红砂岩循环加卸载声发射信号进行分析，确定 Kaiser 点与 FR 值，并分析了不同围压、含水率、孔隙水压影响下红砂岩 Kaiser 点的变 化规律，结果表明围压 10MPa 下，自然状态红砂岩 Kaiser 效应最为显著。 该论文有图 50 幅，表 14 个，参考文献 95 篇。 关键词关键词红砂岩；围压；含水率；孔隙水压；声发射；Kaiser 点 万方数据 II Abstract With the progress of economic construction and national defense construction, underground space development is going deeper, in-situ stress measurement has become a tecnnical problem that must be solved in the construction of underground engineering. At present, many in-situ stress measurement s are not applicable to deep rock, and the engineering rock subjected to groundwater and hydraulic pressure, Kaiser Effect is a feasible to measure in-situ stress. To analysis the rock Kaiser Effect change rule under water content, pore water pressure and confining pressure is a fundamental frontier issue. In this paper, with the reed electro-hydraulic servo rock mechanics test system MTS815.02 and acoustic emission equipment AE21C, taking engineering red sandstone as research sample, study the mechanical properties, AE characteristics and Kaiser Effect under different confining pressure, water content, pore water pressure. A of selecting Kaiser Point is developed based on the characteristics of energy distribution. The main works and research results are as follow （1）The electro-hydraulic servo rock mechanics test system MTS815.02 is reed and the detector is moved inside three axis cylinder from outside, the signal line is lead out based on the device structure. So the AE equipment could collect more accurate and real AE signal without the influence of confining pressure and pore water pressure, and it effectively reduce the impact of environmental noise. （2） Carried out the uniaxial and triaxial compression test of red sandstone under different confining pressure, water content and pore water pressure, we got the change regulations of elastic modulus, peak stress, peak strain, residential stress, ring-down count rate, accumulative ring-down count and accumulative energy of red sandstone under different influence factor, and analyzed the generation mechanism. （3）Based on the red sandstone change curve analysis of AE parameter with time, preliminary determinate Kaiser Point’s range, and analyze all point’s band energy, results show 62.593.75kHz is critical band, Kaiser Point’s energy percentage is biggest in critical band and based on this, we established a to select Kaiser Point, it’s named as ctitical band energy analysis mentod. And the is used it to measured the -1000m in-situ stress of Tang Kou coal mine and the calculation result is similar to the result under stress relieving . （4）The AE signal of red sandstone cyclic loading and unloading tests under 万方数据 III different factors is analyzed to get Kaiser Point and FR, the change regulations of Kaiser memory ability under different confining pressure, water content and pore water pressure is analyzed too. Results show that the Kaiser memory ability is most significant under 10MPa confining pressure and normal water content. This thesis includes 50 figures, 14 tables and cited 95 references. Keywords red sandstone；confining pressure；water content；pore water pressure； acoustic emission；Kaiser Point 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ....................................................................................................................... I 目目 录录 .................................................................................................................... IV 图清单图清单 ................................................................................................................. VIII 表清单表清单 .................................................................................................................... XI 变量注释表变量注释表 ...........................................................................................................XII 1 绪论绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1 研究背景和意义 ................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 1 1.3 主要研究内容与方法 ........................................................................................ 5 2 试验设备改造与试验设计试验设备改造与试验设计 ................................................................................... 8 2.1 试验设备 ............................................................................................................ 8 2.2 试验设备改造 .................................................................................................. 11 2.3 试验设计 .......................................................................................................... 14 2.4 本章小结 .......................................................................................................... 21 3 围压围压/含水率含水率/孔隙水压孔隙水压影响影响下红砂岩力学特性与声发射下红砂岩力学特性与声发射 ................................. 22 3.1 声发射技术简介 .............................................................................................. 22 3.2 红砂岩力学特性 .............................................................................................. 25 3.3 红砂岩声发射特征分析................................................................................... 32 3.4 本章小结 .......................................................................................................... 40 4 Kaiser 点点选取方法选取方法与地应力实测与地应力实测 ...................................................................... 43 4.1 Kaiser 效应基本理论 ........................................................................................ 43 4.2 小波分析基本理论 .......................................................................................... 44 4.3 声发射信号去噪 .............................................................................................. 48 4.4 声发射信号频谱分析 ...................................................................................... 50 4.5 Kaiser 点范围内各点声发射信号能量分布分析.............................................. 52 4.6 Kaiser 效应在地应力测量中的应用实例 ......................................................... 57 4.7 本章小结 .......................................................................................................... 62 5 围压围压/含水率含水率/孔隙水压对岩石孔隙水压对岩石 Kaiser 效应的影响效应的影响 ........................................... 63 5.1 围压对红砂岩 Kaiser 效应的影响分析 ........................................................... 63 万方数据 V 5.2 含水率对红砂岩 Kaiser 效应的影响分析 ....................................................... 67 5.3 孔隙水压对红砂岩 Kaiser 效应的影响分析 ................................................... 70 5.4 本章小结 .......................................................................................................... 73 6 结论与展望结论与展望......................................................................................................... 75 6.1 结论 ................................................................................................................. 75 6.2 展望 ................................................................................................................. 76 参考文献参考文献 ................................................................................................................ 77 作者简历作者简历 ................................................................................................................ 83 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................. 84 学位论文数据集学位论文数据集 ..................................................................................................... 85 万方数据 VI Contents Abstract .................................................................................................................... I Contents ................................................................................................................. IV List of Fifgures ................................................................................................... VIII List of Tables ......................................................................................................... XI List of Variables ...................................................................................................XII 1 Introduction .......................................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significance ............................................................... 1 1.2 Research Status at Home and Aboard .................................................................. 1 1.3 Research Contents and s .......................................................................... 5 2 Test Equipment Modification and Preparation of Red Sandstone Samples ...... 8 2.1 Test Equipment Modification .............................................................................. 8 2.2 Test Equipment Modification ............................................................................ 11 2.3 Design of Test ................................................................................................... 14 2.4 Summary ........................................................................................................... 21 3 Mechanical and AE Properties of Red Sandstone under Different Factors ..... 22 3.1 Introduction of AE Technology ......................................................................... 22 3.2 Mechanic Characteristics of Red Sandstone ....................................................... 25 3.3 Acoustic Emission Characteristics of Red Sandstone ......................................... 32 3.4 Summary ........................................................................................................... 40 4 The Selection of Kaiser Effect Point and In-situ Stress Measurement 43 4.1 Fundamental Theory of Kaiser Effect ................................................................ 43 4.2 Fundamental Theory of Wavelet Analysis ......................................................... 44 4.3 Denoising of Acoustic Emission Signals ............................................................ 48 4.4 Spectrum Analysis of Acoustic Emission Signals .............................................. 50 4.5 Analysis of AE Signal Energy Distributing in Kaiser Point’s Range .................. 52 4.6 An Application Example of Kaiser Effect in In-situ Stress Measurement ........... 57 4.7 Summary ........................................................................................................... 62 5 The Influence of Rock Kaiser Effect under Confining Pressure, Water Content and Pore Water Content ................................................................................... 63 万方数据 VII 5.1 Analysis of Kaiser Effect of Red Sandstone under Confining Pressure ............... 63 5.2 Analysis of Kaiser Effect of Red Sandstone under Moisture Content ................. 67 5.3 Analysis of Kaiser Effect of Red Sandstone under Pore water pressure .............. 70 5.4 Summary ........................................................................................................... 73 6 Conclusions and Expectation ............................................................................. 75 6.1 Conclusions ....................................................................................................... 75 6.2 Expectation........................................................................................................ 76 References .............................................................................................................. 77 Author’s Resume ................................................................................................... 83 Declaration of Thesis Originality .......................................................................... 84