【正文】 采集、加工、制作與狀態(tài)處理不同含水深部巷道花崗巖巖爆模擬力學(xué)分析聲發(fā)射分析載荷時間曲線分析破壞分析AE事件率AE絕對能率不同含水花崗巖巖爆模擬實驗力學(xué)與聲發(fā)射結(jié)合分析與歸納總結(jié)展望 論文技術(shù)路線圖37第二章 聲發(fā)射的試驗原理第二章 聲發(fā)射的試驗原理聲發(fā)射又叫應(yīng)力波發(fā)射，英文名稱為AcousticEmission,簡稱AE，是指材料的局部因為快速的釋放出能量而發(fā)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。通過分析尋找?guī)r爆發(fā)生的規(guī)律，從而為巖爆監(jiān)測提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)手段。 本文的研究內(nèi)容和思路本文通過對深部巷道花崗巖進(jìn)行不同含水雙軸壓縮條件下聲發(fā)射模擬實驗，采用聲發(fā)射儀監(jiān)測巖爆的孕育、發(fā)生以及爆發(fā)的整個過程。所以，需要更加深入、系統(tǒng)的研究不同巖石的聲發(fā)射特征。然后，在儀器方面，由于絕大部分巖土工程都是在極其糟糕的環(huán)境中進(jìn)行施工，聲發(fā)射儀器在這種環(huán)境條件下受到外界因素的影響不能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。雖然巖石聲發(fā)射技術(shù)在工程實際中得到了非常廣泛的應(yīng)用，并且取得了卓越的成績，能夠達(dá)到預(yù)期的效果并取得準(zhǔn)確的結(jié)果，有著其他檢測手段無法比擬的優(yōu)勢與特點，但是聲發(fā)射技術(shù)在以下幾個方面還存在很多問題需要研究解決，首先，在理論上，巖石聲發(fā)射技術(shù)是公認(rèn)的理論研究落后于工程實際的學(xué)科之一，無論是對聲發(fā)射的產(chǎn)生機(jī)理，聲發(fā)射波傳播過程中的衰減、吸收與巖石中的各類缺陷的相互作用對聲發(fā)射波的影響，還是對聲發(fā)射信息承載特性、物理力學(xué)特性的研究與分析，由于缺乏堅實的理論基礎(chǔ)和研究方法，目前大多數(shù)只停留在現(xiàn)象分析和定性分析上，仍未脫離經(jīng)驗式的現(xiàn)狀，并且現(xiàn)有的一些基礎(chǔ)理論，都不能對聲發(fā)射信號的真實性進(jìn)行較好的描述。一些學(xué)者著重研究了聲發(fā)射信號的分析,得到了聲發(fā)射時間系列參數(shù)包含了巖石破裂階段和有關(guān)應(yīng)力率的重要信息，這些參數(shù)都顯示出了比較穩(wěn)定的前兆特征。隨后我國許多學(xué)者針對巖石的聲發(fā)射特征進(jìn)行了大量的室內(nèi)實驗，眾多的實驗結(jié)果表明，巖石破裂過程的聲發(fā)射特征是與巖石的性質(zhì)、加載的條件等密切相關(guān)的，許昭永等研究了單軸實驗時的加載速率與聲發(fā)射特征的關(guān)系[24]；減紹先用兩個頻率通道同時接收花崗巖及石灰?guī)r在不同單軸加壓方式下的整個形變過程中的聲發(fā)射信號，研究了不同頻道接收到的聲發(fā)射率的變化特征[25]；萬志軍等研究了不同加載速率時巖石的聲發(fā)射特征以及加載速率與裂紋之間的量化關(guān)系[26]；蔣海昆等則對高圍壓條件下花崗巖的變形破壞過程種聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗研究,并依據(jù)試驗的結(jié)果對聲發(fā)射的時序特性進(jìn)行了分析[27]；張流等的研究結(jié)果表明了低圍壓容易產(chǎn)生張性破裂，并伴隨較高的聲發(fā)射率，但主破裂后聲發(fā)射很少；隨著圍壓的逐漸提高，剪切破裂占據(jù)了主導(dǎo)地位，降低了聲發(fā)射率，但使得破裂后的聲發(fā)射率保持較高水平。Ganne等采用聲發(fā)射技術(shù)研究了巖石峰值前的脆性破壞，并給出了在該過程中聲發(fā)射能量累積的4個階段[17]。到了20世紀(jì)后期，Dai對巖石材料的損傷與其聲發(fā)射特征之間的關(guān)系，以及不同孔隙度類巖材料的聲發(fā)射特征進(jìn)行了相應(yīng)的研究，認(rèn)為他的研究成果可用于這類材料破壞的實時監(jiān)控和預(yù)報[16]。90年代，Rao等用聲發(fā)射技術(shù)對循環(huán)加載過程中巖石的漸進(jìn)破壞性質(zhì)進(jìn)行了研究[13]；Lockner討論了聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于巖石破壞機(jī)理方面的研究作用，Cox等對巖石微破裂和軟化過程中聲發(fā)射的現(xiàn)象做了研究，Rudajev等研究了單軸壓縮試驗條件下巖石破裂過程中的聲發(fā)射特征[14]。早在50年代前蘇聯(lián)就研究了巖石的聲發(fā)射特征并將其應(yīng)用于礦山地壓的監(jiān)測；60年代初期，Mogi進(jìn)行了大量的巖石聲發(fā)射實驗，研究了巖石受壓破裂過程中的聲發(fā)射特征[11]；70年代，Hardy對巖石的聲發(fā)射特征進(jìn)行了大量研究,包括拉壓試驗、聲發(fā)射事件能量和頻率等的研究。這些研究大多只針對了軟巖、及某些硬質(zhì)巖石在天然、干燥及飽和作用下其力學(xué)強(qiáng)度及參數(shù)與含水率變換關(guān)系的研究,對于巖石各個不同吸水時間狀態(tài)下的巖石的力學(xué)特性的研究相對比較少,尤其是硬質(zhì)巖石。彭曙光[9]等對金川四種不同巖性試樣進(jìn)行了飽水狀態(tài)下的抗壓試驗,采用數(shù)值分析方法總結(jié)出含水率與單軸抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系,證實了該區(qū)域礦巖遇水軟化,巖石抗壓強(qiáng)度降低,巖石破壞時不屬于脆性破壞謝和平[10]等利用軟化系數(shù)來闡述巖石強(qiáng)度的變化,巖石的干抗壓強(qiáng)度明顯高于濕抗壓強(qiáng)度,軟化作用很顯著,不同的巖石的軟化系數(shù)不同,。李昌友[7]等人對風(fēng)化板巖進(jìn)行不同含水率條件下的崩解特性試驗研究,證實了礦物的水理性強(qiáng)弱與含水率的變化交替程度有關(guān),一般保持在天然含水率狀態(tài)下浸水的礦巖,其水理性顯現(xiàn)程度較小,而干燥失水作用的礦巖再浸水后,其水理性變得極其強(qiáng)烈。因此巖石在與水之后彈性能減弱，在地應(yīng)力作用下不易發(fā)生巖爆國內(nèi)外一些學(xué)者通過室內(nèi)不同含水狀態(tài)下巖石的單軸剪切、單軸壓縮及三軸壓縮試驗并結(jié)合聲波測試結(jié)果證實，隨著飽和度的增加，巖石各項力學(xué)性能指標(biāo)都發(fā)生了不同程度的降低。歸納起來主要有巖爆發(fā)生條件、形成機(jī)理、巖爆各種預(yù)測、監(jiān)測措施等。國際上，南非在巖爆的理論研究、預(yù)測、預(yù)防等方面積累了豐富的經(jīng)驗和資料，建立了較為完整的理論體系，是目前世界上巖爆研究最先進(jìn)的國家之一。 巖爆研究現(xiàn)狀近一個世紀(jì)以來，中外學(xué)者在巖爆機(jī)理、巖爆預(yù)測及防治等方面進(jìn)行了大量的研究，但由于巖爆的復(fù)雜性，巖爆的理論研究進(jìn)展緩慢。由此可知，聲發(fā)射是在巖石受力和發(fā)生變形過程中產(chǎn)生的，可以根據(jù)巖石聲發(fā)射的多少、大小、頻率等參數(shù)了解到巖石的變形破壞過程。聲發(fā)射測試技術(shù)是靠巖石發(fā)聲來探測其內(nèi)部狀態(tài)和力學(xué)特性的一種實驗方法。然而，因巖石力學(xué)性質(zhì)參量的測量十分困難，加上影響巖石力學(xué)性質(zhì)的環(huán)境因素較多，增加了測試結(jié)果的不確定性。巖石變形和聲發(fā)射往往是工程巖體由穩(wěn)定到不穩(wěn)定直至破壞的先兆。大量工程實踐中巖石的含水率并未達(dá)到飽和狀態(tài),而國內(nèi)外大量的巖爆研究都是基于巖石在干燥、飽和狀態(tài)下的開展的,而對不飽和狀態(tài)下巖石的巖爆的研究相對較少。因為水對巖石的物理、化學(xué)和力學(xué)等作用，均對巖體的強(qiáng)度、變形和破壞等起到了不可忽視的影響，這使得巖石的力學(xué)特性表現(xiàn)出各向異性、非均質(zhì)性以及強(qiáng)度變化特性等。巖石巖爆是在高地應(yīng)力條件下開挖地下工程的過程中，開挖卸荷而導(dǎo)致洞壁應(yīng)力的重新分布，突然釋放出巖體中存儲的彈性應(yīng)變能而產(chǎn)生的剝落、爆裂松脫、彈射甚至拋擲的一種動態(tài)失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害[3]。隨著淺部資源的逐漸減少和枯竭,地下開采陸續(xù)轉(zhuǎn)入深部開采,向深部資源進(jìn)軍就成為一種必然趨勢[12]。有關(guān)水對深部花崗巖巷道巖爆聲發(fā)射實驗研究的畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 2 2 3 本文的研究內(nèi)容和思路 5 研究內(nèi)容 6 研究思路 6第二章 聲發(fā)射的試驗原理 7 聲發(fā)射測試技術(shù)基本原理 7 聲發(fā)射的產(chǎn)生 7 影響聲發(fā)射特征的因素 8 聲發(fā)射檢測儀器的組成 8 聲發(fā)射信號分析 9 聲發(fā)射信號類型 9 聲發(fā)射信號特征參數(shù) 9第三章 花崗巖巖爆模擬實驗 13 13 試樣制取設(shè)備 13 試驗樣品的選取與加工 16 試樣處理 17 實驗設(shè)備 17 不同含水花崗巖巖爆聲發(fā)射實驗 19 本章小結(jié) 21第四章 實驗結(jié)果及分析 22 巖爆實驗現(xiàn)象及破壞分析 22 實驗過程中力學(xué)特性分析 23 實驗過程中聲發(fā)射特性分析 25 聲發(fā)射事件率分析 25 聲發(fā)射絕對能率分析 28 本章小結(jié) 31第五章 總結(jié)和展望 32 總結(jié) 32 展望 32參考文獻(xiàn) 34謝 辭 37第一章 緒論 選題背景與研究意義近幾十年來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不開能源和礦產(chǎn)資源的強(qiáng)有力支撐,而地下開采方式是目前我國獲得多種能源資源與礦產(chǎn)資源的重要途徑。然而深部開采必然面臨著各種問題，巖爆是其中最重要的一項。影響巖爆的因素眾多，而水是其中最重要的一項。大多數(shù)情況下水對巖體的侵蝕破壞是從巖體介質(zhì)初始結(jié)構(gòu)面開始的，然后貫穿整個巖體，從而影響巖體的破裂方式和破裂形態(tài)。因此研究不同含水條件對巖爆的影響,對我們更好的研究巖石巖爆特征提供著一定的理論依據(jù),對工程建設(shè)和巖爆理論研究的開展都能起到很好的參考價值。為此，人們在實驗室和現(xiàn)場對巖石力學(xué)性質(zhì)做了大量試驗測試及分析，以便了解在巖石破壞之前其力學(xué)和物理性質(zhì)的變化。為了克服只測巖石力學(xué)性質(zhì)參量的不足，常常利用聲發(fā)射測試技術(shù)在測試巖石力學(xué)參量的同時測試巖石的聲發(fā)射特征[4]。當(dāng)巖石受力變形時，巖石中原有的或新產(chǎn)生的裂隙周圍應(yīng)力集中，應(yīng)變能較高，當(dāng)外力增加到一定大小時，有裂縫缺陷部位會發(fā)生微觀屈服或變形，裂縫擴(kuò)展，從而使得應(yīng)力松弛，貯藏的部分能量將以彈性波的形式釋放出來，這就是聲發(fā)射現(xiàn)象[56]。本文采選用深部巷道花崗巖進(jìn)行不同含水條件下雙軸模擬實驗，并同步收集聲發(fā)射、力學(xué)等參數(shù)，進(jìn)行綜合比較分析，尋找其中的規(guī)律，從而為巖爆監(jiān)測提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)手段。在我國，巖爆研究工作起步較晚，且多停留在觀察、描述階段，和國外相比更為滯后。自20世紀(jì)70年代后期，中外巖爆研究進(jìn)入一個新的發(fā)展階段，多次專門召開巖爆問題的國際學(xué)術(shù)會議，交流和積累了許多有價值的研究資料及有關(guān)巖爆預(yù)測、控制和防治的實踐成果。水對巖石產(chǎn)生物理、化學(xué)及力學(xué)作用可從微細(xì)觀上改變巖石的結(jié)構(gòu)，水對巖石有軟化作用，使其產(chǎn)生孔隙、溶洞及溶蝕裂隙等，增加其孔隙度，影響其滲透率和孔隙壓力，進(jìn)而改變其強(qiáng)度和剛度等宏觀力學(xué)性質(zhì)。這類試驗多數(shù)只是簡單的數(shù)據(jù)處理，部分作者對水巖作用機(jī)理進(jìn)行了探討。趙忠波[8]進(jìn)行了干燥及含水率為7%的板巖的抗拉、抗壓和抗剪試驗,證實了板巖在干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為80MPa,含水狀態(tài)下為45MPa,強(qiáng)度下降了57%左右,水對巖石具有弱化作用,其主要原因是板巖層面相對光滑,粗糖度小,試驗工程中形成的相對薄層粉末減小了摩擦力,破壞是沿層面產(chǎn)生的。巖石遇水后軟化系數(shù)較小的其強(qiáng)度大幅度下降。國外許多學(xué)者對巖石受力破壞過程中的聲發(fā)射特征作出了廣泛的室內(nèi)實驗研究，比如巖石在受壓、剪切、斷裂和張拉等試驗條件下其聲發(fā)射特征研究。80年代，一些日本學(xué)者對巖石的聲發(fā)射特征、巖石的KaiSer效應(yīng)等進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗研究；HolComb利用聲發(fā)射技術(shù)對巖石類脆性材料的破壞情況進(jìn)行了研究[12]。Pestman等研究了三軸應(yīng)力狀態(tài)下砂巖的聲發(fā)射特性和破壞特性之間的關(guān)系以及應(yīng)力記憶現(xiàn)象[15]。近年來,隨著現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的發(fā)展，Tham等用多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對板狀巖石試樣拉伸時的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究,并通過二維有限元軟件進(jìn)行了聲發(fā)射的模擬分析，發(fā)現(xiàn)巖石在單軸拉伸條件下的聲發(fā)射特征能分為三個階段；(1)聲發(fā)射信號隨機(jī)分布階段，(2)破裂帶的出現(xiàn)，(