高温后花岗岩岩爆的声发射特征研究

摘要

当前，随着地下工程不断向深部拓展，高温导致的岩爆灾害频发。岩爆是高地应力地区岩体开挖卸荷引起的动力破坏现象，对人员与财产安全具有严重威胁。高地温地区岩爆灾害的合理预测是深部地下岩体工程面临的重大科技难题。目前，声发射信号分析已成为岩爆预测的最重要途径之一。因此，高温后花岗岩岩爆的声发射特征研究对于深部地下岩体工程岩爆灾害的合理预测具有良好的工程意义与学术价值。
　　本文利用声发射系统对经历过25℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃等不同高温后花岗岩真三轴岩爆模拟试验进行了全程监控，通过声发射信号分析，研究了小颗粒弹射、劈裂成板、块片弹射等岩爆过程中三种典型破坏现象之间的声发射特征差异，探讨了不同高温后花岗岩岩爆过程声发射信号的演化特征与岩爆发生的前兆信息，并利用声发射特征指标对不同高温后的岩爆烈度进行评价与规律分析，主要研究工作与结论如下:
　　(1)在短时能量指标（Short Time Energy，STE）的基础上，本文提出一种基于声发射信号定量化评价岩石脆性破坏烈度的新指标——短时能量总和（Short Time Energy Summation，STES）。研究表明，该指标是可行的，具有可反映岩石脆性破坏过程在一定历时内释放的AE总能量的特点，克服了只能反映某时刻AE能量的短时能量指标（Short Time Energy，STE）的局限性，较传统的绝对能量(Absolute Energy)指标更适用于岩爆烈度的定量化评价。
　　(2)岩爆过程的声发射绝对能量指标与STES指标随温度变化曲线均表明，岩爆烈度随温度的升高呈先增大后减小的趋势，其中300℃高温后的岩爆烈度最强。这一结论有利于对高地温高应力条件下深部地下工程岩爆灾害的防控。
　　(3)不同高温后花岗岩的岩爆过程均出现小颗粒弹射、劈裂成板、块片弹射等三个依次发生的典型破坏现象，这三种典型破坏现象的声发射特性具有一定的差异:小颗粒弹射现象的声发射信号幅值相对最低，主频相对最高，声纹图呈较明显的横杠形态，短时能量衰减迅速，STES值较低;劈裂成板现象声发射信号的幅值和主频相对较高，声纹图呈竖直纹形态，短时能量衰减迅速，STES值稍高;块片弹射现象的声发射信号幅值最高，主频相对最低，声纹图呈乱纹形态，短时能量震荡下降，STES值远高于前两者。这些差异的发现可为岩爆孕育过程中当前所处状态的识别提供科学依据，进而有利于岩爆的有效预测预警。
　　(4)总体来看，不同高温后花岗岩岩爆过程声发射信号的撞击数、撞击数时间分形、绝对能量的演化特征与常温条件下是相似的。但是，岩爆前夕的撞击数“平静期”的持续时间随温度升高呈先减小后增加的趋势。值得注意是，AE信号的绝对能量指标在岩爆破坏前的塑性阶段存在“高能量区”，这可视为岩爆发生的前兆信息，“高能量区”的持续时间随温度升高呈先减小后增加趋势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩爆试验的研究现状

1．2．2 高温后岩石试验的研究现状

1．2．3 声发射在岩爆预测方面的研究现状

1．3 有待进一步解决的问题

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 高温后花岗岩岩爆声发射试验

2．1 引言

2．2 真三轴岩爆试验系统

2．3 声发射监测系统

2．4 高温后花岗岩岩爆声发射试验

2．4．1 岩样制备

2．4．2 加载方案

2．4．3 试验结果

2．6 本章小结

第三章 高温后花岗岩岩爆过程典型破坏现象的声发射特征

3．1 引言

3．2 AE信号波形特征的对比分析

3．2．1 AE信号的波形与频谱特征对比

3．3．2 AE信号的主频特征对比

3．3．3 AE信号的声纹特征对比

3．3 AE信号的能量指标

3．3．1 AE信号的短时能量

3．3．2 AE信号的短时能量总和

3．4 本章小结

第四章 高温后花岗岩岩爆发生的AE信号前兆信息

4．2 AE信号撞击数的演化规律对比

4．3 AE信号撞击数的时间分形的演化规律

4．4 AE信号主频与绝对能量的演化规律

4．5 本章小结

第五章 基于AE信号指标的高温后花岗岩岩爆烈度评价

5．1 引言

5．2 基于AE信号绝对能量指标的岩爆烈度评价

5．3 基于AE信号STES指标的岩爆烈度评价

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

论文发表及参加科研项目情况