岩石声发射技术的应用现状.pdf

第 1 9卷第 3期 2 0 0 0年 9月 j 口 ； ～ D 6 世界地质 W 0RLD G姗Y vd． 1 9 No． 3 S单．2 00 0 岩石声发 射技 术 的应用现 状 彭新明 ， 孙友宏 安宁0 f ／ 1 北 京 市 地 质 工 程 勘 察 院 ， 北 京 抖 主 ； 五程 技 学 豌 ． 吉 林长 春 1 3 0 o 2 e ； 3 北 京 市 地 质 矿 产 蔚 查 开 蹙 蔚 ． 北 京1 0 0 0 5 0 摘要 介绍 了田内外岩石声发射技术在洲定地应力、 钻进监洲 、 岩石 力学与岩石破碎 学研兜、 坑道岩 体 稳 定 萎 釜 篓 。 彬茬 力 让 盔 J 矽 关 麓 词 芝 苎 兰 墨 苎 苎 盎 ；应 用 ；现 状，t f 7 7 五 ‘ J ／’ ／ ／ 中田分类号 P 6 3 4 ． 5 文献标识码 A文章蝈号 1 0 0 45 5 8 9 2 0 0 0 0 3-0 3 0 3 0 4 J 固体物质在外界条件 机械载荷、 温度变化等 作用下 ， 其 内部将 产生局部应力集中现 象。由于应力集中区的高能状态是不稳定的， 它必将向稳定的低能状态过渡 ， 在这一过渡过 程中， 应变能将以弹性波的方式快速释放 ， 即声发射现象 。各种材料的声发射范围很宽， 从 次声频、 声频到超声频 ， 所以声发射有时也称为应力波发射 S t r e s s w a v e e mi s s i o n 。在地质 上有时称为微震 Mi e r o s d s mie 。声发射是一种非常普遍的物理现象 ， 大多数金属材料和几 乎所有的岩石在塑性变形和断裂时都有声发射发生。但一般情况下 ， 声发射信号 的强度很 弱 ， 人耳不能直接听到 ， 需要藉助灵敏的电子仪器才能检测 出来。用仪器检测、 分析 和利用 声发射信号推断声发射糠的技术称为声发射技术。岩土体在受压临近破坏时 ， 引起微裂隙 的产生与扩展 ， 产生声波或超声波 ， 即所谓的岩石声发射现象 。一般认为在岩石 中， 位错可 能产生微水平的声发射， 而孪晶、 颗粒界面的移动、 裂缝的产生和传播可能产生宏观水平的 声发射。 1 岩石声发射技术的应用 目前对岩石声发射技术的实际应用主要集 中在以下几个方面。 1 ． 1 测 定地 应力 1 9 5 3年 ， 德国学者 Ka i s e 在研究金属的声发射 A E 特性时发现 ， 受单 向拉伸的金属材 料 ， 只有当应力达到材料所受 的最大先期应力时才开始出现明显 的声发射现象 ， 这就是以他 的名字命名 的凯塞效应。6 0年代 G o o d m a n发现岩石的压缩试验 中 K a ls e 效应仍然成立。 7 0年代末以来， 日、 中、 美学者对这一问题进行了广泛的理论和实验研究 ， 使 K a i s e 效应测定 地应力开始由探索阶段向实用阶段发展。 岩石 Ka ls e 效应 ， 是指对取 自地下一定深度的岩石试件进行单轴压缩试验 ， 当所施加荷 载达到岩石所经受的先期最大应力值时 ， 岩石开始出现明显的声发射。因此 ， 在现场获取经 历过地应力作用的岩石 ， 利用岩石 K a i s e效应 ， 经过室内加工试件后 ， 进行单轴压缩试验 ， 然 后利用弹性理论求得岩石的地应力大小和方向。 收稿 日期 1 9 9 90 8 1 0 作者筒介 彭新明 ， 男 ， 1 9 7 0 年生 ， 工程师 ， 主妥从事工程勘探技术研究 维普资讯 3 O 4 世界地质 2 0 O 0年 H u p e 等人用常规的套钻应力解除法和 A E凯塞效应法测定花岗岩 中的原位应力 ， 得 出 的结论是 套钻法与凯塞效应法的数据组之间存在着明显的差异 ； 凯塞效应法测得 的应力值 比预期的应力值 明显要低些， 这是 由于取出的岩芯与进行 A E试验之间的时间延迟和凯塞 效应应力记忆的保留时距较短所致 ； 凯塞效应保留时距 K E R s 的研究证明了 K E R S可能 与试验岩样的直径有关 ， 较大直径具有较长的保留时距。Hu p e 等人还断定 尽管凯塞效应 在深孔原位应力测量方面有应用前景 ， 但是 ， 目前此技术还不成熟， 效果还不够确凿。因此 ， 它还不能提供原位应力可靠 的测定。在该项技术能够转入常规应用之前 ， 有些 因素 ， 诸如凯 塞效应保留时距 ， 二次钻取岩芯试样的影响， 以及单轴岩石试验与多轴应力之间的关 系等 ， 必须得到充分的了解。归根结底 ， 对凯塞效应试验必须采取使其标准化途径⋯ 1。 1 ． 2 钻进监测 钻进过程中 ， 由于岩石在受力作用下的裂纹扩展和破碎 以及切削具与岩石 的相互作用 会激发出一种弹性波， 亦即声发射 。这种波可以沿着钻杆和地层 向外传播。岩石破碎是一 个 由钻头 、 钻遇岩石和所采用的钻进参数及条件决定的具有特质的过程。过程中激 发的弹 性波携带着反映这种特质 的丰富的信息， 采用适当的手段采集到这种信号并加 以分析处理 ， 就能提取这方面的信息。从得到的信息中查 明钻头工作情况、 岩性变化情况、 岩石破碎情 况、 孔底状态情况 钻头抛光、 正常钻进 、 烧钻、 事故 、 钻探技术指标 机械钻速、 钻头进尺 等 与声发射的关系 ， 就有可能对钻进过程进行监测、 进行控制 。 以达到最优化钻进 、 获得高的钻 探技术经济指标 的目的。例如 。 根据钻进声波场频谱 ， 势断钻头的工作状态 ， 可以随时调整 钻进规程 ， 实现 自动化钻进。国外对钻进过程的声发射监测研究始 于 8 0年代初。德 、 日、 美、 前苏联等都开展 了这方面的研究工作。尽管开展研究的时间不长 。 但各 国的研究异常活 跃且进展显著。1 9 8 0年美国卡茨利用声发射研究了油田钻进时的钻头位置L 2 J 。1 9 8 5年 日 本东京大学研究了判层问题。1 9 8 7年德国克劳斯塔尔工业大学深井研究所对钻头和单元 切削体切削岩石时产生的振动信号进行 了测量_ 3 J 。近年来全俄勘探技术研究所阿尔希波 夫和沙特罗夫等人对钻探过程 中的声波探测问题进行了较多的研究 ， 不仅进行 了实验室研 究 ， 而且还进行了野外试验， 取得了不少资料 ， 他们利用声发射研究了岩石的可钻性、 钻头结 。 构、 钻进规程参数优化、 孔底能量分布和区分地质剖面等情况 ， 并提出了相应的建议_ 4 J J 。 国内在这项研究方面的工作还是初步的。钻进过程中背景信号 噪声大 ， 声发射传感器 与信号接收器间难于建立通讯。国内尚未见到将声发射技术用于钻探实践的报道。然而 。 ‘ 钻进过程中声发射的产生是一个极为复杂的过程 ， 声发射信号产生的机理及其与孔底状态 之间的关系还远没有弄清楚， 还没有一种非常适合于钻进过程监测的声发射采集和处理系 统 ， 因此耍使声发射技术真正成为一种钻进过程监测 的有效方法 ， 尚要进行大量的研究工 作。其中， 首要课题是进一步深入了解发射信号与碎岩状态之间的相关关系及其 内在机理。 1 ． 3 在岩石力学与岩石破碎学中的遣用 运用岩石声发射技术 ， 研究拉伸、 压缩和弯曲载荷下岩石变形及破坏 的基本特性 ； 建立 声发射信号和岩石性质之间的相关关系； 确定单向应力和三向应力状态下岩石样品中非稳 定裂隙的起始点 ； 确定岩盐及其它塑性岩石的屈服极限； 研究岩石声发射机理 、 声信号与岩 石破碎过程的联系。1 9 6 2年， 茂木 Mo g i 通过室 内试验得出了岩石声发射活动按加载的大 小依次为 a ． 声发射不明显 I b ． 零星发生较小的声发射； c ． 随应力增加而逐步增加声发射 ； d ． 接近脆性破坏时急剧增加声发射_ 6 J 。保伊斯 B o y e e 在 1 9 8 1年研究 了 l 2 种岩石的声发射 维普资讯 第 3期 彭新明， 孙友宏 ． 李安宁 岩石声发射技术的应用现状 3 0 5 活动 ， 他发现上述茂木的研究结果可与宾涅夫斯基 B i e n ia w s k i f 1 9 6 7年提出的岩石脆性 破坏 四阶段相对应 ， 即 ①在应力较低时 ， 岩石 中裂隙闭合阶段 ； ②当应力逐步增加 ， 岩石发 生线弹性变形阶段 ③应力继续增大 ， 开始出现新裂纹， 岩石处于裂隙稳定扩展 阶段 ； ④当应 力加大到某种程度时 ， 岩石处于裂隙失稳扩展 阶段 ， 终致产生断裂破坏 ， 并不是所有的岩石 在断裂前都经历上述 四个阶段。 保伊斯总结了大量的试验结果， 归纳出四种类型 I型裂隙闭合 、 线弹性变形、 裂隙稳定扩展和裂隙失稳扩展声发射四阶段完全具备的 岩石 ， 如花 岗岩 、 片麻 岩 、 白云岩和某些 砂岩等 。 Ⅱ型声发射活动经历裂隙闭合、 线弹性变形阶段后立即进裂隙失稳扩展阶段 ， 缺失 裂隙稳定扩展阶段的岩石 ， 如大理岩及某些页岩等。 Ⅲ型声发射活动只表现出线弹性变形、 裂隙稳定扩展和失稳扩展三个阶段的岩石 ． 如 云母 片岩及某些 页岩等 。 Ⅳ型声发射活动只有线弹性变形和裂隙失稳扩展两个阶段的岩石 ， 如石灰岩、 粉砂岩 等 。 这种根据声发射特征对岩石脆性破坏机制的研究 ， 揭示了岩石破坏 的发展过程。 国内学者也在这方面进行了一些研究， 在多种岩样上用多种形状的压头进行了单齿压 人试验 ， 分别测定 了它们产生的声发射特征 。根据试验结果找出了不同压头作用下声发射 率 曲线的变化特点 ， 根据声发射率的变化曲线将脆性岩石的受力破碎过程分为若干阶段 ， 并 对影响岩石声发射的因素进行了分析 。另外曾傲 了压头压人时声发射图像与岩石破碎过程 的关系的研究 ． 试验得到了声信号频率和平均幅度的图像 ， 并据此对较硬岩石的破碎阶段进 行 了划分。另外还发现岩石压硬度与声发射的峰值平均幅度有 良好的相关关系l 7 j 。 1 ． 4 坑道岩体稳定性监测 随着矿山开采深度的增加 ． 矿井内的地压力越来越大 ． 围岩会出现顶板 冒落及巷道岩爆 等一系列地质灾害 ， 已成为采掘设计、 井巷支护中必须解决 的工程地质问题。因而， 国内外 广泛开展了利用岩石声发射技术监测和预报矿井 内发生 的冒顶和岩爆。7 0年代初 ． 冶金工 业部安全技术研究所李典文等开始研究声发射技术在矿山工程中的应用 ， 研制成功 了多种 便携式声发射监测系统 ， 对一些矿山危险工程进行了安全监测 ． 预报 了大面积地压灾害和采 场冒顶。1 9 8 1年 7月～1 9 8 2年 8月门头沟煤矿 曾用 Y S S型岩体声发射监测仪对该矿 2 0 队工作面进行了安全监测 ， 这是我国第一次在煤矿中应用声发射技术预测井下地压 ， 取得了 满意的结果。根据煤矿要求 ． 李典文等人又研制成功 了 S Y K一1型安全火花岩体声发射监 测仪。1 9 8 8年 1 1 月， 西安地质学院谭 以安完成了题为“ 岩爆形成机理研究及综合评判” 的 博士论文 ， 提 出了“ 劈裂 一剪折 一弹射” 三阶段的岩爆发生机制。美国矿务局对煤矿 中顶板 的冒落曾利用声发射技术进行过一系列研究工作 ， 其研 究重点在于监测预报可能发生冒顶 的地段及其发生的时间。美 国矿务局曾对科尔达兰 C o e u r A l e n e 金属矿岩爆进行 了大规 模的长期声发射监测研究 ， 多次成功地记录了岩爆发生前后声发射讯号 。 目前 ， 声发射技术还存在预报不准的现象。如有时声发射频度异常 ， 而没有发生岩体破 坏 ； 有时岩体发生破坏 ， 却没有明显的前兆信息 。因而， f婚对声发射信号的声源机理进行 研究 ， 并进一步研制抗干扰能力强、 信号处理功能强的现场监测仪器 J 。 维普资讯 世界地质 2 O O 0篮 1 ． 5 声 发射 技 术在其它 方面的应用 1 地质灾害监测 。6 o年代 ， 美国、 苏联、 日本等 国一批 学者研究 了声发射现象 与岩石 强度及变形特性的关系， 用于预测岩体滑坡和预测地震 。 2 土木工程监测与预报。饲如 ． 利用声发射监测高速公路钢质桥梁和海上平台的形变， 预报水坝 、 建筑物 的安全性。 3 应 用于石油工程。例如 ． 利用声发射确定地下气储的稳定性 。 2结语 我国的声发射技术研究起步较晚， 大约是 6 0年代末 7 0年代初才开始这方面的工作 ． 首 先着眼于应用 ， 已取得可观的成就 ． 尚需进行细致的工作。将声发射技术与计算机技术结合 起来 ． 由计算机 自动完成数据韵多通道采集 、 存储、 波谱分析等。计算机 的高速采样可能会 对岩石声发射的一些瞬态过程给出一个直观的反映。针对某一种岩石 、 碎岩工具或特定规 程参数条件下的钻进过程， 通过实验建立其特征声谱 图， 即所谓 的“ 标样” 标准样 品 ， 将监 测获得的声谱 图与标样对 比． 即可实现判别。 经过几十年的研究和应用 ， 国内外岩石声发射技术的应用领域 日益广泛 ， 并且研制成功 了许多应用于不同目的的声发射监测系统。但是 ， 由于声发射理论上尚不完善 ， 技术上遇到 了一些棘手的问题 如干扰噪声的分离等 ， 其每一点成绩 的取得都是 比较缓慢的。因而． 要 使岩石声发射技术成为一种成熟的监测与预报手段 ． 还需要进行大量的、 艰巨的工作。 参考文献 【 1 ] H u p e A J ． 用套钻应力解除法和声 质勘探技术 ， 1 9 9 6 ． 5 2 9 3 5 ． 岩中的原位应力 [ j ] ． 吴光琳译 ．国外地 [ 2 ] K a t z L J ． D r i u b i t l o c a t io n g u i d a n c e b y s i c 9 e ∞ f e i b l e [ J ] ． O i l m a d G a s J a n a 1 ． 1 9 8 0 ． 2 8 2 1 ～2 5 ． [ 3 ] A s a Ⅱ 岫蛆 H， H a r d y HR． A c o u s t i c e m i s s i o n a s s x i a t e dw i t hroc k血 l l i I 嗨 船 u r l a b c 哺均 珂 c o n d i t i o n s [ A] ．P f o c e e d i n 0 f t h e1 0 小 I n t e ma t i o r a d ∞ c E r n i ． o nS y r a n [ C ] ．S e n d m， 】 印蚰．1 9 9 0． 2 2 ～ 2 5 ． [ 4 ] 汤风林 ． 利用声发射研究 钻进过程 上 [ J ] ．国外地质勘探技术 ，1 9 9 5 ， 4 2 8 ～3 7 ． [ 5 ] 汤风林．利用声发射研究 钻进过程 下 [ J ] ．国外地质勘探技术 ，1 9 9 5 ， 5 3 5 --3 8 ． [ 6 ] 彭一 民． 岩石声发射技术 舶应用与进 展[ J ] ． 地质科技 情报 1 9 8 9 ． 4 9 1 --9 7 ． [ 7 ] 吴光琳 ． 压头压人时声发射图像与岩 石破碎机理关系的探讨[ J ] ． 探矿工程 1 9 9 2 , 2 3 ～5 ． [ 8 ] 嘏定成 ． 声发射技术在坑 道工程中的应用 [ J ] ． 探矿工程 1 9 9 1 。 3 5 0 5 1 ． [ 9 ] 吴光琳． 声发射技术在岩石力学钡域 中的应用[ J ] ． 撵矿工程 1 9 9 1 ， 4 1 --3 ． Ap pl i c a t i o n Pr e s e nt o f t h e Ro c k Ac o u s t i c Emi s s i o n Te c h ni q u e P E N GX i n - r n l n g 。 ， S U NY o u - h o r ， L I A n - n l r 1 B e ij i n gl n a i t u t, e o fG c E n g i n e e r i n g， B e ij l n g1 0 0 1 3 7 ，C h i n a ； 2 ． r 神删 U n i a t y o ，S 由 a n dn 由如 ，0 噌 Ⅱ n 1 3 0 0 2 6 ． C h i n a； 3 ． 蹦 J E砷 m豳 n憎 m删 B 喇I o fG e o l o g y a n dMi n e ml s - S a i n g 1 0 0 0 5 0 ， C lh i n a A b s t r a c t Th e r o c k A E Ac o u s t i c E mi s s i o n t e c h n i q u e i s a p p B e d wi d e l y i n me a s u r e me n t o f c r u s t a l s t r e s s ， MW D Me n g wi t h Dr i l l i n g ，r o c k me c h a n ， r o c k d i s i n t e g r a ti o n，s t a b i l i t y m u r e me n t o f s u r r o u n d i n g r o c k s o f t u n n e 1 ．Thi s p a p e r i n t r o d u c e s i t s c u r r e nt s i t u a t i a n d d e v e l o p me n t t e n d e n c y ． K e yw o r d s r o c kA E t e c h n i q u e ； a p p l ic a t i | c u r r e n t s i t u a fi c 维普资讯