岩体多源声学及应用

图书标准信息

• 作者 董陇军
• 出版社 科学出版社
• 出版时间 2023-02
• 版次 31
• ISBN 9787030741813
• 定价 248.00元
• 装帧 其他
• 开本 16开
• 页数 484页
• 字数 711千字

【内容简介】

“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。地球作为岩石行星，其地壳及上地幔顶部均由岩石构成，因此，探明岩体性质是攻克地球深部战略科技难关的基础，而岩体声学特性为其提供了关键的突破口。迄今为止，地球上的诸多自然现象和人类活动中，均会释放出大量与岩体声学相关的信息，其中所蕴含着的岩体声学特征与规律对人与自然安全和谐发展至关重要。本书是一本专门介绍与研究岩体声学的专著，是作者近年来在岩体声学领域的研究成果的系统总结。书中内容教学与科研并重，理论与实践并存，突出全面性、前沿性、理论性、实用性，涵盖了岩体声波的产生机理、传播特性、波速测量、多声源定位、多声源辨识、多声源成像、岩体失稳声学前兆特征、摩擦特性等科学内容，还附有大量试验数据和工程现场应用实例。

【作者简介】

:
    董陇军，中南大学教授、博士生导师，主要从事采矿岩土工程灾害防控、人机工程方面的研究与教学，作为负责人主持国家优秀青年基金项目，国家重点研发计划项目（青年科学家）。国家自然科学基金国际合作项目，湖南省领军人才、湖南省杰出青年基金项目、湖湘青年英才及中国科协青年人才托举工程等项目20余项。

【目录】

前言

章 绪论 1 

1.1 岩体声学的地位和作用 1 

1.2 岩体声学的研究现状 3 

1.2.1 岩体声学技术的实验室尺度研究 3 

1.2.2 岩体声学技术的工程尺度研究 6 

1.3 岩体声学技术的未来 8

参文献 9

第2章 岩体声学参数测试方法及仪器 14 

2.1 岩体声学的主要测量参数 14 

2.1.1 岩体的声波速度 14 

2.1.2 岩体的声波振幅 16 

2.1.3 岩体的声波频率 16 

2.1.4 岩体的声阻抗 16 

2.1.5 岩体的声衰减系数 17 

2.2 岩体声学主要参数的测量方法 17 

2.2.1 声波速度的测量方法 17 

2.2.2 声波振幅的测量方法 18 

2.2.3 声波频率的测量方法 18 

2.2.4 声衰减系数的测量方法 19 

2.2.5 声学传感器的校准 19 

2.2.6 声波信号处理技术 20 

2.3 岩体声学测试技术所使用的仪器 21 

2.3.1 岩体声学测试仪器的组成 21 

2.3.2 岩体声学传感器 22 

2.3.3 岩体声学测试前置放大电路 25 

2.3.4 岩体声学信号处理器 27 

2.3.5 分析输出与显示设备（用于测试的计算机） 27 

2.3.6 岩体声学测试系统的技术指标 29 

2.3.7 地声智能感知与微震监测设备 31

参文献 34

第3章 声波在岩体中的产生机理与衰减特 36 

3.1 岩体声发信号产生机理 36 

3.2 岩体中主要的声发源 40 

3.2.1 岩体的滑移变形 40 

3.2.2 裂纹的形成与扩展 42 

3.2.3 岩体破裂的力学机理 45 

3.3 岩体中声发衰减规律的试验研究 47 

3.3.1 声发监测设备 47 

3.3.2 试验岩石试样 47 

3.3.3 声波在不同质的岩体中传播衰减特分析 50 

3.3.4 声波在含断面岩体中传播衰减特分析 62

参文献 64

第4章 岩体破裂声源的定位方法 65 

4.1 未知波速系统三维迭代定位法 65 

4.1.1 基本 65 

4.1.2 试验 68 

4.1.3 试验结果分析 69 

4.2 未知波速系统三维解析解定位法 70 

4.2.1 基本 70 

4.2.2 试验 74 

4.2.3 试验结果分析 75 

4.3 解析解和迭代协同定位法 86 

4.3.1 基本 87 

4.3.2 试验 89 

4.3.3 试验结果分析 90 

4.4 速度区间变窄的多步源定位法 96 

4.4.1 基本 96 

4.4.2 试验 98 

4.4.3 试验结果分析 100 

4.5 三维含孔洞结构无需预先测波速定位法 102 

4.5.1 基本 102 

4.5.2 试验 107 

4.5.3 试验结果分析 115

参文献 116

第5章 岩体声发事件的分离方法 118 

5.1 岩体声发事件的分离方法概述 118 

5.2 岩体声发事件筛选 119 

5.3 岩体声发事件波形切割 120 

5.3.1 峰值鉴别时间、撞击鉴别时间、撞击闭锁时间定时参数 120 

5.3.2 持续鉴别时间、恢复时间定时参数 120 

5.3.3 波形能量包络切割法 121 

5.4 岩体声发事件的识别指标 123 

5.4.1 互相关系数 123 

5.4.2 振铃 123 

5.4.3 上升时间 124 

5.4.4 信号强度 124 

5.5 岩体声发事件的识别方法 124 

5.5.1 模板通道选择 124 

5.5.2 滑动窗扫描 125 

5.5.3 时差矫正 126 

5.5.4 到时提取 126 

5.6 岩体声发事件的分离试验 128 

5.6.1 单峰单事件波形切割及识别 128 

5.6.2 双峰多事件波形切割及识别 139 

5.6.3 多峰单事件波形切割及识别 152

参文献 162

第6章 岩体多声源的分类与机制 164 

6.1 破裂声源分类 164 

6.1.1 破裂声源基本类型 164 

6.1.2 不同破裂声源的特征参数与波形差异 165 

6.1.3 破裂声源的认知基本原则 167 

6.2 破裂声源类型识别方法 167 

6.2.1 声发特征参数的判别方法 167 

6.2.2 p波初动的判别方法 169 

6.2.3 矩张量的判别方法 170 

6.3 微观破裂类型与宏观裂纹类型的关系 171 

6.3.1 峰前破裂过程中的声源类型分布特征与演化机制 171 

6.3.2 峰后裂纹扩展的声源演化机制 175 

6.4 基于声发特征参数分类岩体破裂类型的不确定 176 

6.4.1 试验与数据处理 176 

6.4.2 同一试验分析中的不确定 178 

6.4.3 ra-af的衰减规律 183 

6.4.4 衰减效应和计量误差 186

参文献 187

第7章 不同加载环境下的岩体声学频谱分析 190 

7.1 岩体声学频谱特征参数 190 

7.1.1 频谱主频 190 

7.1.2 频率质心 191 

7.2 试验介绍 192 

7.2.1 试验试样准备 192 

7.2.2 声发监测设备 192 

7.2.3 试验设计 193 

7.3 岩体单轴压缩破裂过程声学频谱特征演化规律 195 

7.3.1 花岗岩单轴压缩破裂过程中声发信号主频演化规律 195 

7.3.2 紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发信号主频演化规律 196 

7.3.3 花岗岩与紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发信号频率质心演化特征 197 

7.4 岩体双轴压缩和膨胀加载破裂过程声发信号主频的演化规律 198 

7.4.1 花岗岩双轴压缩破裂过程中声发信号主频演化规律 198 

7.4.2 花岗岩膨胀加载破裂过程中声发信号主频演化规律 199 

7.5 岩体双轴压缩和膨胀加载破裂过程声发信号频率质心的演化规律 200 

7.5.1 花岗岩双轴压缩破裂过程中声发信号频率质心演化规律 200 

7.5.2 花岗岩膨胀加载破裂过程中声发信号频率质心演化特征 200 

7.6 声发波形频谱分布特征 201 

7.6.1 单峰频谱 202 

7.6.2 双峰频谱 202 

7.6.3 三峰频谱 205 

7.6.4 四峰频谱 207 

7.6.5 声发的功率谱与能量谱 208 

7.7岩体破裂过程声发波形频谱演化规律 211

参文献 214

第8章 岩体破裂的尺度特征 216 

8.1 b值研究现状 216 

8.2 b值计算方法 217 

8.2.1 小二乘法 217 

8.2.2 优选似然估计法 217 

8.2.3 修正公式 218 

8.3 影响b值计算的因素分析 219 

8.3.1 拟合方法选择 219 

8.3.2 震级间隔 219 

8.3.3 震级完整 219 

8.3.4 样本数的大小 222 

8.4 声发b值的蒙特卡洛模拟 223 

8.4.1 蒙特卡洛方法 223 

8.4.2 蒙特卡洛方法模拟结果分析 224 

8.4.3 室内花岗岩破裂试验的声发b值分析验证 227 

8.5 含水花岗岩单轴压缩条件下的b值特征 229 

8.5.1 含水花岗岩破裂声发试验 229 

8.5.2 b值的计算 231 

8.5.3 两种下花岗岩的b值演化规律 233 

8.6 花岗岩真三轴压缩过程的声发b值特征 235 

8.6.1 花岗岩真三轴试验 235 

8.6.2 岩体破裂过程中的b值变化特征 240 

8.7 本章结论 257

参文献 258

第9章 岩体滑移的摩擦特 260 

9.1 岩体滑移与摩擦 260 

9.1.1 岩体滑移临界条件 260 

9.1.2 摩擦力及摩擦系数 261 

9.1.3 岩体摩擦滑移模式 261 

9.1.4 岩体摩擦滑移尺度 262 

9.2 岩体滑移摩擦定律与失稳判据 263 

9.2.1 岩体滑移摩擦定律 263 

9.2.2 岩体滑移失稳判据 264 

9.3 摩擦演化试验研究方法 265 

9.3.1 室内试验研究 265 

9.3.2 数值试验研究 267 

9.4 应力与速率依赖的摩擦特及其声学特征 267 

9.4.1 基于abaqus的滑移模拟 268 

9.4.2 双轴剪切滑移试验 274 

9.5 岩体滑移摩擦特的其他影响因素 282 

9.5.1 矿物成分 282 

9.5.2 表面形貌 283 

9.5.3 流体作用 283 

9.5.4 温度变化 284

参文献 284

0章 岩体声学参数与应力的关系 289 

10.1 单轴压缩试验声学参数与应力大小 289 

10.1.1 试验条件 289 

10.1.2 声发振铃 291 

10.1.3 声发幅值 292 

10.1.4 ra、af值及均频率质心 293 

10.1.5 声发事件率及波速 295 

10.2 双轴压缩试验声学参数与应力大小 297 

10.2.1 试验条件 297 

10.2.2 声发事件率 299 

10.2.3 声发幅值 301 

10.2.4 声发峰值频率 302 

10.2.5 波速变化特征 303 

10.2.6 中间主应力对岩体破裂过程的影响 305 

10.3 应力方向辨识方法 307 

10.3.1 理论基础 307 

10.3.2 实施过程建议 310

参文献 310

1章 岩体波速场成像方法与试验验证 312 

11.1 岩体波速场成像方法概述 312 

11.2 层析成像 312 

11.2.1 层析成像概述 312 

11.2.2 线追踪技术 313 

11.2.3 有限差分法 316 

11.2.4 反演问题 321 

11.2.5 模型更新方法 323 

11.2.6 伴随层析成像 325 

11.3 全波形反演 327 

11.3.1 声学波动方程 328 

11.3.2 时域建模 328 

11.3.3 频域建模 330 

11.3.4 边界处理 331 

11.3.5 目标函数及其梯度 334 

11.3.6 迭代优化方法 337 

11.4 试验验证 338 

11.4.1 模拟试验 339 

11.4.2 室内试验 342

参文献 350

2章 岩体破裂声源辨识的波形图像机器学应用 352 

12.1 概述 352 

12.2 岩体破裂阶段分类及声学特征分析 353 

12.2.1 岩体不同破裂阶段的力学判断依据 353 

12.2.2 岩体不同破裂阶段的裂纹体积应变依据 355 

12.2.3 岩体不同破裂阶段的裂纹声学依据 356 

12.2.4 岩体不同破裂阶段的声学特征 357 

12.3 基于原始波形的岩体破裂波形特征辨识方法 360 

12.3.1 岩体破裂阶段辨识模型理论 360 

12.3.2 岩体破裂波形图像学机制应用案例 363 

12.4 基于波形参数的岩体破裂波形特征辨识方法 367 

12.4.1 岩体破裂临界阶段波形参数分析 367 

12.4.2 基于波形参数岩体破裂阶段辨识模型理论 367 

12.4.3 岩体破裂阶段波形参数辨识应用案例 370 

12.5 矿山开采中微震与震源的波形图像机器学应用 371 

12.5.1 震奥鼎盛地声智能感知与微震监测系统 371 

12.5.2 基于机器学算法的微震与信号自动辨识 372 

12.5.3 非线辨识机器学模型建立 374 

12.5.4 信号辨识效果测试 375 

12.5.5 基于深度学算法的微震与信号自动辨识研究 375 

12.5.6 基于深度学算法的采区多源信号辨识应用 377

参文献 380

3章 岩体失稳的声学前兆特征 383 

13.1 一次计算指标的前兆特征 383 

13.1.1 声发特征参数变化的一般规律 383 

13.1.2 事件数和能量的前兆特征 384 

13.1.3 主频幅值的前兆特征 387 

13.2 二次计算指标的前兆特征 389 

13.2.1 能级频次分布 390 

13.2.2 波形频谱变化 395 

13.3 声发源类型的前兆特征 399 

13.3.1 破裂类型 399 

13.3.2 矩