岩石声发射技术及在地应力测量中的应用探讨.pdf

一 、 、一 t { ， ‘， 岩石 声发射技 术及在 地应 力测量 中的应 用探 讨 中国中南工业大学采矿与岩土工程研究所 丝 潘长良 曹 平 长 沙 铁 道 学 院 土 建 学 院谢 学 斌一 摘要 详 细探 讨 了岩 石破 坏过 程 中声 发射 的机 制 的 问题 和取 得 的主要 进展 。 关 键词 岩 土工 程声发 射地 应力 测 试 一 一一 1 引言 材料 受力 过程 中由于裂 隙的传播 ．晶体 孪生 ，吕德斯 线 的传播与位错 ，颗粒 界面的 位移 ，裂隙充填物 的不稳定破坏 等都 会造 成 声 发 射J ， 对 于 岩 石 来 说 ， 则 主 要 由 于 应 力 的集 中 和 裂缝 的扩 展 造 成声 发 射 J ．由 于岩 石 的破坏状态 与其应力状态 相对 应 ，因 此 ，由岩石产生 的声发射可反 映出岩石 内部 的破 坏状 态 。根据这一点 ，声发 射已用于测 量地 应 力 J 。 2岩 石声 发 射 的机 制 岩石受 力过程 中的声 发射是与岩石破坏 机 制 密 切 相 关 的 ，由 于 岩石 固有 的 非 均 质 性 其 内部存 在具 有不 同微 观强 度 的晶粒 和微 裂隙 ，依 此 ，提 出 了声 发 射 的损 伤 模 型和 断 裂 模 型 。 2 1 损 伤 模 型 基于微 元强 度 的 we ． b u n统 计 理论 ，提 出了受 应力条件下岩石损伤发展 的规律 ，依 据 一个 微元的破裂对应一次声发射 ，得出 了 声 发射数与应力之 间的数学模型H J ⅣC [ 一 ] 1 国 外 金 属 矿 山 以及 声 发射 在 地 应 力测 试 中所 面 临 ， 0 -． 、 式 中 岩 石 所 受 的 应 力 ；6 1 声 发 射应力 阀值 ；m 与材料断 裂破坏 机理 有 关的构造形状 参数 ；o一常数 。 当 m1时 ．则 无 拐点 。 陈忠 辉 等 基 于 We i b u I l 统 计 分 布 得 出 了围压作 用下岩石声 发射 的规律 。文献[ 6 ] 得 出岩石声 发射的水平正 比于岩 石的扩容。 2 ． 2断 裂 力学 模 型 Du n e g a n等 研 究 了 金属 材 料 中 塑 性 区 大小 与声 发射数 量之 间 的关 系 ，E o a n s 研 究 了主裂纹 附近显微裂纹 与声 发射的半 定量关 系。关 于岩 石 中声 发射 与断裂强 度因子的关 系秦 四清 等 作 了较 为 详 细 的探 讨 ，其 数 学 表 达式 为 N K I 一j d 2 式 中 c 常 数 ；m 裂 纹 尺 度 系 数 Kl 应 力 强 度 因 子 ； Km 应 力 强 度 因 子 阀值 对 应于声发射初射点 。 上式适 台于低脆性岩石 裂纹尖端有一 定 尺度 的 塑 性 区 存 在 。 此 外 ，岩 石 的 声 发 射 还 与 其 强 度 和蠕 变 1 3- f ／ 维普资讯 图 I岩石 裂隙 空间 模 型 度 特 性 有 关 [ 。 实 验 表 明 ，加 载 引 起 的 蠕 变 效 应 对 岩 石 的 声 发 射 有 相 当 大 的 影 响 [ 9 l 0 ] 。 3岩 石声 发 射 在地 应 力 测试 中 的应 用 由于岩石 的声 发射 与岩石的受力状态相 对应 ，并且在一 定的条件下 ，声 发射具有不 可 逆 性 ， 因 此 ， 自从 G o o d ma n证 明 岩 石 声 发射 亦 具有 K a i s e r效 应 以来 ，这 种方 法 逐 步 应 用 到 地 应 力 测 试 中f ‘ ⋯ 。 声 发 射 测 试 地应力 的 准确 性 等 问题 目前 还处 于讨 论 之 中 f 3 , 1 4 J 。 3 ． 1 岩 样 制 备 确定 3个 地应 力主方 向及大小至少需要 6个 独 立 方 向 的 试 样 ， 由 于 现 场 条 件 的 限 制 ，定 向钻 取 岩 芯 困难 较 大 ，有 些 单位 [ 采 用 洞 壁 定 向 切 取 岩 心 块 以 获 得 定 向 效 果 。 岩样从 现场 取 回后 ，为 防 止端 部 效 应 的 产 生 ，采 用 加 端 帽 的 方 法 t T 和 两 端 加 垫 片 的方 法[ 1 8 ． 1 9 3 ， 以及 定 区测 试 的方 法 【 3 ] 。 由于一 般钻取 的是 圆柱形 岩芯 ，这样就 存在一 个换 能器与岩样耦合 的问题 ，常 见的 处理 方法是在 圆柱形 岩芯侧 面切 一个 平面或 者采用 形 状 匹配 的 固体介 质耦 合 [ 2 0 3 ，但 是 前 者 改 变 了岩 样 的 结 构 ， 因此 以后 者 为佳 。 1 4 3 2方 向独 立 性 有关 声 发 射 Ka i s e r效 应 测 定 地 应 力 的 准确性 长期以来处于争论之 中 ，其 中方 向独 立 性 也 反 映 了 准 确 性 的一 个 方 面 ，在 测 试 3 个 主应 力时 ，必须考虑在不 同应 力组 合下岩 样所造 成的断裂损伤各 向异性 ，因此 ，要 获 得 准确 的 地 应 力 ，需 在 加 载 过 程 中不 能 改 变 岩 样 的 各 向 异 性 。 邓 荣 贵 等 [ 提 出 了 一 个 反 映 岩 石 各 向 异 性 的 Gr i ff i t h模 型 ，如 图 l 所 示 。 x y z 大 地 坐标 系 ，x l Y t z l 与 椭 圆 3轴 重 合 坐标 系，x 2 y 2 x 2 y 2面 与 椭 圆 所 在 空 间 平 面 重 合 ，设 3个 坐 标 系 中应 力分 别 为} o } ， { d l ， l d l ，从 x y zx l Y l Z 『 ， X l Y l Z I X 2 y 2 z 2的 坐 标 变 换 矩 阵 为 L、L ， 则{ l [ L 】[ L】{ a l [ D】 l a l ，只 有 当 [ D]是单 位阵 ，Ka i s e r效 应才 具有 方 向独立 性。但是 ，令人欣慰 的是 ，不考 虑这 个 因素测得的结果仍然令人满意 【 3 J 。 3 ． 3时 间 效应 一 般 来 说 ，岩 石 的 弹性 恢 复需 要 一 定 时 间 ，即所 谓 的粘 弹 性效 应 ，在 低应 力 状 态 下 ，表 现 更 为 明 显 【 9 】 ，并 且 给 出 了 反 映 粘 弹 性 的 开 尔 文 Ke l v i n 模 型 和 伯 格 B u r g e r 模 型 。 在高应力状态 下 ，岩石 的变形不仅包括 b 闭 2 开 尔文 和伯 格模 型 a 开尔 文模 型 b 伯格 模型 2 0 0 0年 第 2期 维普资讯 裂 隙 的 闭合 ，还 可 能 有 裂 隙 的 扩 展 。文献 [ 2 1 ]用 F e l i c i t y比 反 映 Ka i s e r效 应 的准 确 性 。实 际上 ，地 层 中的 岩 石 经 历 的应 力 上 百 年 ，实 验 室加 载 的时 间最 长不 过 数 年 ，因 此 ，地层 中的岩 石经历 了裂纹 的充分 扩展 ， 试样 保 持 Ka i s e r效应 的 时 间也 相 对 实 验 室 岩样来 说长得多 ，实验发现 ，地 层岩样保持 Ka i s e r 效 应 可 达数 年 而无 变 化 | 2 。 因此 考 虑岩石 的蠕变特性是必要 的。国 内学者一般 用 F e l i c i t y比来 反 映 Ka i s e r 效应 的记 忆 力 。 4结语 本 文 从 岩 石 声 发 射 的机 理 出发 ，探 讨 了 目前声发射研 究中常用 的 2种模型 ，并 且对 在地应力 钡 j 试 中所面临 的问题作 了一 定的探 讨 。总的说来 ，在 地应 力测试 中，声 发射 作 为一种新方法 ，相对于水压致裂法 ，应力解 除法具有操 作简单 、成本低 的优点 ，并 且具 有较好 的准 确性 ，是前两者 的很好补充 。 参考文献 1 李 典文译 受 应力岩 石 的声 发 射研 究声 发射译 文集 ， 1 9 75 6 2寇绍 垒 裂 隙 对 岩 石 力 学 性 质 的 影 响 力学 进 展 ， 1 9 8 0、 1 0 1 】 ；8 9～9 8 3 北 京 有色 冶金 设计 研 究 总院 、锕 陵 有 色金 属公 司 铜 陵有 色金 属公 可 ． 研 子 山 铜矿 区地 应 力 量测 厦 矿 区 地 应 力场 特性与 科研报 告 ．1 9 9 7 6 4睾 四清 、 李 造鼎 等 ． 岩石 声 发射 的力学 檀型 及其 应 甩 应 用声 学 ， 1 9 9 2 ，1 1 1 1 ～4 5腺忠 辉 ， 博 宇 芳等 ． 岩 石破 裂声 发射 过程 的围 压效 应 岩石力 学 与工程 学报 、 1 9 9 7，1 6 2 6 5～7 0 6 Ge r ma n wi c h LN ． Dy s kin A V ． a l _ A mo de l o f t h e d e f o r t i o n a n d f r a c t 0 e o f b r i t t [ e m a t e r i a l s wi t h C F K C b u n d e r u n i a x] L 0 n． M e c h a of S o l ids ， 1 9 93． 2 8 1 1 1 6～ 】 2 8 国 外金 属矿 山 7秦 四清 ．李 造 鼎等 ．低 脆性 岩石 声 发射 与 断裂 力 学 的 理论 研究 ． 应用 声学 ，l 9 9 1 ．1 0 4 2 0～2 5 8张晓 春 ，扬 挺青 等 岩石 裂 毁 演化 厦其 力学 特性 的 研 究进展 ． 力学 进 展 ，1 9 9 9 ，2 9 L 9 71 0 4 9 S P B a r r D ． P． Ht i n[ Ane L a s t ic St r a in Re ．2 ov e g a a d Th e Ka is e r Ef f e c t Re t e n t i o n Spa n i n t h e Ca r m l e n e l l k s Gr a nl t e． V K． R o c k M e c h ． R o c k E n g n g， 1 9 9 9、3 2 3 1 6 9～ l 9 3 1 0姚 宝魁 等似 岩石材 料声 发 射凯萨 尔效应 的初 步宴 驻 研究 ． 见 岩 体工 程地质 力 学 问题 ． 中 国科 学 院 地 质 力学研 究所 编 ，北京 科 学 出版 杜 ，1 9 9 1 8 1 1 金 J 『 I 忠 用 岩 石 声 发射 测 定地 层 中 的应 力 地 下 工 程 ． 1 98 0 2 3 0～ 3 6 1 2 邓 荣贵 ． 付 小 敏 用 K 时 效 应测定 地应 力 的几个 问题 的探讨第二 启全 国岩石动力学学术会 议论文选集 武 援 测路 科技大学 出版杜 ． 武汉 1 9 9 0 ． 1 0 1 3丁原辰 等岩石 试样 凯塞敢 应 的宴验 研究 ．中国地 质 科学 院 地 质 力 学 研 究 所 所 刊 ，1 9 8 9． NO l 2，1 7 1 ～ 1 83 1 4尹 菲 ，玛英声 发射技 术在 岩土 工程 中的初 步 应用 ， 岩石 力学 在 工程 中的应用[ 第 二次 全国岩 石力学 与工 程学 术台 I卫论 文皋 】 ，知识 出版 社 ，北京 1 9 8 9 1 1 l 5 尹 菲对和 甩声 发射凯 塞敢 应测 量地 应力技 术 中几个 问题 的探 讨 。应用 声学 ，1 9 9 2，1 1 L 5 ～1 2 1 6丁砾 辰 ． 声 发 射 法地 应力 测 量 的岩 样 制 备 应 用 声 学 1 9 9 7， 1 1 C 1 5 ～ 1 2 1 7林 应熹 ．用 岩 石声 发 射 测 定地 层 中 的应 用 地 下 工 程 ． 1 9 8 2 1 8过镇 海著混凝 土 的强度 和变 形一试 验基础 和车 掏 关 系北京 清华大 学 出版 杜 ，1 9 9 7． 2 1 9 C Lie t a ] ． Ex p e r i me m a [Ve r i c a t io n of t h e Ka i s e r Ef f e c t L nRo c k s ．R。 c k Me c h ． Ro c k En g n g ． 1 9 9 3 ， 2 6 4 3 3 3～ 3 51 2 0 C． Li ． e t日 I _ Ef f e ds o f Co0 u p L a r t t s o n Ao r t i c Tr a ns mi 删 o N Ro c kM e c h ． R 。 c k En g n g 1 9 9 3 ． 2 6 1 6 3 ～6 9 2 1 纪洪 广等 ． 混 凝 土材 料 凯塞 教 应 与 Fe li c i t y效 应 关 系 的实 验研 究1 9 9 7 ，1 6 6 3 0 ～3 3 2 2漱 户政 宏 等AE法 DR A 【 土弓 j了 ， 原位 置 地压计 谢资 源 索 材 、1 9 9 8．1 l 4 1 2 8 4 5～8 5 5 收稿 日期2 0 0 0一O 1 2 6 l 5 维普资讯