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1、有关水对深部花岗岩巷道岩爆声发射实验研究的毕业论文目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1选题背景与研究意义11.2国外研究现状21.2.1岩爆研究现状21.2.2国外声发射技术研究现状31.3 本文的研究容和思路51.3.1 研究容61.3.2 研究思路6第二章 声发射的试验原理72.1 声发射测试技术基本原理72.2 声发射的产生72.3 影响声发射特征的因素82.4 声发射检测仪器的组成82.5 声发射信号分析92.5.1 声发射信号类型92.5.2 声发射信号特征参数9第三章 花岗岩岩爆模拟实验133.1实验方案133.2 试样制取设备133.3 试验样品的选取与加工16
2、3.4 试样处理173.5 实验设备173.6 不同含水花岗岩岩爆声发射实验193.7 本章小结21第四章 实验结果及分析224.1 岩爆实验现象及破坏分析224.2 实验过程中力学特性分析234.3 实验过程中声发射特性分析254.3.1 声发射事件率分析254.3.2 声发射绝对能率分析284.4 本章小结31第五章 总结和展望325.1 总结325.2 展望32参考文献34谢 辞37第一章 绪论1.1 选题背景与研究意义近几十年来，我国经济持续高速发展状态。而经济的发展不开能源和矿产资源的强有力支撑,而地下开采方式是目前我国获得多种能源资源与矿产资源的重要途径。随着浅部资源的逐渐减少和枯
3、竭,地下开采陆续转入深部开采,向深部资源进军就成为一种必然趋势1-2。然而深部开采必然面临着各种问题，岩爆是其中最重要的一项。岩石岩爆是在高地应力条件下开挖地下工程的过程中，开挖卸荷而导致洞壁应力的重新分布，突然释放出岩体中存储的弹性应变能而产生的剥落、爆裂松脱、弹射甚至抛掷的一种动态失稳地质灾害3。影响岩爆的因素众多，而水是其中最重要的一项。因为水对岩石的物理、化学和力学等作用，均对岩体的强度、变形和破坏等起到了不可忽视的影响，这使得岩石的力学特性表现出各向异性、非均质性以及强度变化特性等。大多数情况下水对岩体的侵蚀破坏是从岩体介质初始结构面开始的，然后贯穿整个岩体，从而影响岩体的破裂方式和
4、破裂形态。大量工程实践中岩石的含水率并未达到饱和状态,而国外大量的岩爆研究都是基于岩石在干燥、饱和状态下的开展的,而对不饱和状态下岩石的岩爆的研究相对较少。因此研究不同含水条件对岩爆的影响,对我们更好的研究岩石岩爆特征提供着一定的理论依据,对工程建设和岩爆理论研究的开展都能起到很好的参考价值。岩石变形和声发射往往是工程岩体由稳定到不稳定直至破坏的先兆。为此，人们在实验室和现场对岩石力学性质做了大量试验测试及分析，以便了解在岩石破坏之前其力学和物理性质的变化。然而，因岩石力学性质参量的测量十分困难，加上影响岩石力学性质的环境因素较多，增加了测试结果的不确定性。为了克服只测岩石力学性质参量的不足，
5、常常利用声发射测试技术在测试岩石力学参量的同时测试岩石的声发射特征4。声发射测试技术是靠岩石发声来探测其部状态和力学特性的一种实验方法。当岩石受力变形时，岩石中原有的或新产生的裂隙周围应力集中，应变能较高，当外力增加到一定大小时，有裂缝缺陷部位会发生微观屈服或变形，裂缝扩展，从而使得应力松弛，贮藏的部分能量将以弹性波的形式释放出来，这就是声发射现象5-6。由此可知，声发射是在岩石受力和发生变形过程中产生的，可以根据岩石声发射的多少、大小、频率等参数了解到岩石的变形破坏过程。本文采选用深部巷道花岗岩进行不同含水条件下双轴模拟实验，并同步收集声发射、力学等参数，进行综合比较分析，寻找其中的规律，从
6、而为岩爆监测提供研究基础和技术手段。1.2国外研究现状1.2.1 岩爆研究现状近一个世纪以来，中外学者在岩爆机理、岩爆预测及防治等方面进行了大量的研究，但由于岩爆的复杂性，岩爆的理论研究进展缓慢。在我国，岩爆研究工作起步较晚，且多停留在观察、描述阶段，和国外相比更为滞后。国际上，南非在岩爆的理论研究、预测、预防等方面积累了丰富的经验和资料，建立了较为完整的理论体系，是目前世界上岩爆研究最先进的国家之一。自20世纪70年代后期，中外岩爆研究进入一个新的发展阶段，多次专门召开岩爆问题的国际学术会议，交流和积累了许多有价值的研究资料及有关岩爆预测、控制和防治的实践成果。归纳起来主要有岩爆发生条件、形
7、成机理、岩爆各种预测、监测措施等。水对岩石产生物理、化学及力学作用可从微细观上改变岩石的结构，水对岩石有软化作用，使其产生孔隙、溶洞及溶蚀裂隙等，增加其孔隙度，影响其渗透率和孔隙压力，进而改变其强度和刚度等宏观力学性质。因此岩石在与水之后弹性能减弱，在地应力作用下不易发生岩爆国外一些学者通过室不同含水状态下岩石的单轴剪切、单轴压缩及三轴压缩试验并结合声波测试结果证实，随着饱和度的增加，岩石各项力学性能指标都发生了不同程度的降低。这类试验多数只是简单的数据处理，部分作者对水-岩作用机理进行了探讨。昌友7等人对风化板岩进行不同含水率条件下的崩解特性试验研究,证实了矿物的水理性强弱与含水率的变化交替
8、程度有关,一般保持在天然含水率状态下浸水的矿岩,其水理性显现程度较小,而干燥失水作用的矿岩再浸水后,其水理性变得极其强烈。忠波8进行了干燥及含水率为7%的板岩的抗拉、抗压和抗剪试验,证实了板岩在干燥状态下抗压强度为80MPa,含水状态下为45MPa,强度下降了57%左右,水对岩石具有弱化作用,其主要原因是板岩层面相对光滑,粗糖度小,试验工程中形成的相对薄层粉末减小了摩擦力,破坏是沿层面产生的。彭曙光9等对金川四种不同岩性试样进行了饱水状态下的抗压试验,采用数值分析方法总结出含水率与单轴抗压强度的拟合关系,证实了该区域矿岩遇水软化,岩石抗压强度降低,岩石破坏时不属于脆性破坏谢和平10等利用软化系
9、数来阐述岩石强度的变化,岩石的干抗压强度明显高于湿抗压强度,软化作用很显著,不同的岩石的软化系数不同,软化系数一般在0.50-0.75之间。岩石遇水后软化系数较小的其强度大幅度下降。这些研究大多只针对了软岩、及某些硬质岩石在天然、干燥及饱和作用下其力学强度及参数与含水率变换关系的研究,对于岩石各个不同吸水时间状态下的岩石的力学特性的研究相对比较少,尤其是硬质岩石。1.2.2国外声发射技术研究现状国外许多学者对岩石受力破坏过程中的声发射特征作出了广泛的室实验研究，比如岩石在受压、剪切、断裂和拉等试验条件下其声发射特征研究。早在50年代前苏联就研究了岩石的声发射特征并将其应用于矿山地压的监测；60
10、年代初期，Mogi进行了大量的岩石声发射实验，研究了岩石受压破裂过程中的声发射特征11；70年代，Hardy对岩石的声发射特征进行了大量研究,包括拉压试验、声发射事件能量和频率等的研究;80年代，一些日本学者对岩石的声发射特征、岩石的KaiSer效应等进行了一系列的室试验研究；HolComb利用声发射技术对岩石类脆性材料的破坏情况进行了研究12。90年代，Rao等用声发射技术对循环加载过程中岩石的渐进破坏性质进行了研究13；Lockner讨论了声发射技术应用于岩石破坏机理方面的研究作用，Cox等对岩石微破裂和软化过程中声发射的现象做了研究，Rudajev等研究了单轴压缩试验条件下岩石破裂过程中
11、的声发射特征14。Pestman等研究了三轴应力状态下砂岩的声发射特性和破坏特性之间的关系以及应力记忆现象15。到了20世纪后期，Dai对岩石材料的损伤与其声发射特征之间的关系，以及不同孔隙度类岩材料的声发射特征进行了相应的研究，认为他的研究成果可用于这类材料破坏的实时监控和预报16。近年来,随着现代声发射仪器的发展，Tham等用多通道声发射监测系统对板状岩石试样拉伸时的声发射特征进行了研究,并通过二维有限元软件进行了声发射的模拟分析，发现岩石在单轴拉伸条件下的声发射特征能分为三个阶段；(1)声发射信号随机分布阶段，(2)破裂带的出现，(3)主破裂发生阶段，且花岗岩比岩有更明显的微破裂聚结现象
12、，而导致在拉应力条件下各岩石声发射特征差异的主要原因是非均质性的差异。Ganne等采用声发射技术研究了岩石峰值前的脆性破坏，并给出了在该过程中声发射能量累积的4个阶段17。声发射技术在20世纪70年代才开始引入我国，当时主要应用于岩土工程和矿山生产中，颖是国较早地开展岩石声发射特征室试验研究的学者18；他于1987年研究了不同应力途径三轴压缩下岩石的声发射特征,得出岩石的声发射行为不仅与岩石应力状态有关，还与应力状态的变化有关19；90年代彭守拙,吴刚等也针对岩石声发射特征开展了一系列的室试验研究工作20-21；樊运晓通过岩单轴压缩试验分析岩石声发射特点，验证了声发射产生的主要原因在于岩石部裂
13、纹的闭合和闭合裂纹上下表面间的摩擦，加载过程中声发射信号的强弱与岩石部裂纹平均长度有关22；兴东、田军、元辉、唐春安研究了花岗岩破裂过程中的声发射活动行，认为声发射事件活动可以反映出岩石部应力场的变化23。随后我国许多学者针对岩石的声发射特征进行了大量的室实验，众多的实验结果表明，岩石破裂过程的声发射特征是与岩石的性质、加载的条件等密切相关的，许昭永等研究了单轴实验时的加载速率与声发射特征的关系24；减绍先用两个频率通道同时接收花岗岩及石灰岩在不同单轴加压方式下的整个形变过程中的声发射信号，研究了不同频道接收到的声发射率的变化特征25；万志军等研究了不同加载速率时岩石的声发射特征以及加载速率与
14、裂纹之间的量化关系26；蒋海昆等则对高围压条件下花岗岩的变形破坏过程种声发射特征进行了试验研究,并依据试验的结果对声发射的时序特性进行了分析27；流等的研究结果表明了低围压容易产生性破裂，并伴随较高的声发射率，但主破裂后声发射很少；随着围压的逐渐提高，剪切破裂占据了主导地位，降低了声发射率，但使得破裂后的声发射率保持较高水平。近年来，庶林在岩石单轴全过程加载和加卸载试验中研究了岩石材料在不同加载条件下受力变形过程中的声发射特性28；兴东应用声发射定位技术对不同岩样破裂过程的声发射活动规律进行实验研究，揭示不同岩样的破裂失稳机理,得出声发射活动与岩石的本身属性是直接相关的29；付小敏对岩石单轴受
15、压变形过程中的声发射特征开展了试验研究；余贤斌等又研究了直接单拉、单轴压缩和劈裂时岩石的声发射特征，对不同加载方式下的声发射特征做了对比分析；王其胜、万国香、夕兵在霍普金森实验系统上研究了动静组合加载下花岗岩声发射能量的变化规律；志镇、高峰、徐小丽从声发射的角度考察高温后花岗岩的力学特性，研究了不同温度下试件纵波波速的变化及应力一应变曲线跟声发射曲线之间的关系30。一些学者着重研究了声发射信号的分析,v.Rudajev等通过研究单轴压缩条件下岩石的声发射,得到了声发射时间系列参数包含了岩石破裂阶段和有关应力率的重要信息，这些参数都显示出了比较稳定的前兆特征。降川、新平、英、颖对单轴压缩条件下岩和辉长岩样品变形过程中的声发射信号进行了频谱分析.比较了两种岩石的频谱以及频谱随应力的变化，并找出其声发射信号的频谱分布围31；随后彭远、周昌达用时域和频域分析方法对单轴压缩下岩试样的声发射特性进行了深入的研究，认为在岩体破坏预报中，能率和声发射率可作为比较可靠的参数32；吴永胜、余贤斌对比了单轴压缩下岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率变化规律的异同,得出声发射能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感,更适合用来预测岩石的破坏34；许多研究者通过研究发现,具有岩爆倾向性的岩石类材料破坏时非常强烈并伴随着巨大的响声，而没有岩爆倾向性的
