岩体破裂监测技术

绪论

0.1岩体破裂监测的目的与意义

0.2岩体破裂监测技术

0.3主要应用领域

0.4岩体破裂监测的思想与方法

习题与思考题

参考文献

1声发射监测技术

1.1声发射技术概述

1.2声发射技术基础

1.3岩体声发射监测技术

1.4岩体破裂声发射监测技术应用

本章小结

习题与思考题

参考文献

2微震监测技术

2.1微震监测技术概述

2.2微震监测基础知识

2.3微震监测系统

2.4微震信号分析方法

2.5微震监测技术在岩石工程中的应用

本章小结

习题与思考题

参考文献

3声波检测技术

3.1声波检测技术概述

3.2岩体特性与声波的传播

3.3声波检测系统

3.4声波检测方法

3.5声波检测在岩体工程中的应用

本章小结

习题与思考题

参考文献

4钻孔摄像监测技术

4.1钻孔摄像监测技术概述

4.2基本原理概念

4.3钻孔摄像系统

4.4孔内视频图像分析技术

4.5岩体破裂监测工程应用实例

本章小结

习题与思考题

参考文献

5地质雷达监测技术

5.1地质雷达概述

5.2岩石介质电磁波传播原理

5.3地质雷达设备及数据采集

5.4地质雷达数据处理

5.5地质雷达在岩体破裂监测中的应用

本章小结

习题与思考题

参考文献

1.1声发射技术概述

1.1.1声发射技术简介

声发射（Acoustic Emission，AE）是指材料在一定条件作用下发生变形或者断裂时，以弹性波方式释放能量的现象。早期的研究人员也将声发射称为应力波发射。声发射现象普遍存在于自然界中，例如人们在金属材料中听到“锡鸣”（治炼时锡弯曲产生的声音）、管道中的裂纹产生以及岩石破裂等都有声发射现象产生。声发射现象源于材料内部非稳定状态所导致的瞬态事件1，其产生的信号具有较宽的频率范围，但信号强度较低。由于大多数材料变形和断裂所产生的声发射信号强度很弱，因此必须借助相应的仪器才能获取（2]。这种借助仪器测量并记录分析材料声发射信号、获取声发射源信息的技术被称为声发射技术。在声发射技术领域中，监测与检测的主要区别是应用对象及目的不同，例如在压力容器中常用“检测”一词，而在岩石工程中常用“监测”，但均属于声发射技术。

在一定应力作用下，岩体内部有裂纹萌生与扩展产生，也会产生声发射现象。在岩石工程中，岩石因其自身结构复杂以及外界条件的差异，产生的声发射信号频率也不同，其信号频率范围可从几赫兹的次生波到数十兆赫兹的超声波。例如应力强度准则、应变强度准则等，仅仅依靠传统经验方法研究其破裂过程具有一定的难度且准确性低。通过大量试验，人们发现了不同岩体受力破坏过程中的声发射信号与岩体破裂之间的关系，并据此深人分析了岩体的破坏机制，提出了合理的破坏前兆判据，为矿山、隧道、水利等岩石工程领域的防灾减灾(岩爆、冲击地压、坍塌等)提供了支撑，因此声发射技术对岩体破裂研究具有重要价值。

1.1.2声发射技术的发展与应用

现代声发射技术开始的标志是20世纪50年代初德国缪汉工科大学金属物理学家Kaiser所做的声发射研究工作（3-9)，他提出了著名的Kaiser效应——材料形变声发射的不可逆效应，即材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。20世纪60年代，研究人员首先开始了声发射技术在无损检测领域的应用，首次将声发射技术应用于压力容器损伤检测方面的研究；随后，世界上多个国家对声发射技术重视起来，研究对象从金属拓展到其他多种材料。Fowler在监测纤维增强塑料容器管道过程中，发现了复合材料声发射的重要准则——Felicity效应，即材料重复加载时，重复荷载到达原先所加最大荷载之前产生明显声发射信号的现象。20世纪80年代中期开始，随着硬件与软件的发展，声发射技术在仪器研制、信号处理、基础性实验等方面都取得了重大进展，声发射进入工程应用与理论研究全面发展阶段；目前，声发射仪器生产厂家开发生产了多种强大的多通道声发射检测系统，极大地拓宽了声发射技术的应用范围，并涉及工业、交通安全、航空和材料研究等多个领域。同时，信号处理方法的发展也促进了声发射信号处理软件的成熟，为获取声发射源信息和监测损伤裂纹提供了有力的技术手段。

在岩石工程中，20世纪30年代起，美国工程师就利用超声检测矿柱发现了声发射现象，此外也有研究人员利用声发射技术进行了矿山崩塌预测与岩爆监测预警。20世纪60年代开始，人们逐渐将声发射技术应用于岩石工程中，各国学者在前人研究的基础上，从原本的矿山隧道安全性问题研究扩展到岩石材料本身声发射特性、边坡稳定、岩爆监测与预警、岩石破裂机理、地震序列、地应力测试、围岩损伤等研究；20世纪70年代国内引入声发射技术后，陈颙较早开展了室内岩石声发射试验研究，阐述了声发射技术在岩石力学领域中的应用，发现岩石声发射行为不仅与应力状态有关，还与应力变化有关；20世纪90年代，人们逐渐意识到岩石破裂过程的声发射特征还与岩石材料本身性质、加载条件以及外界环境等因素有关，对此研究人员进行了大量的试验研究，弥补了国内岩石声发射方面的空缺。概括来讲，岩石工程中的声发射应用主要分为岩体性质研究与工程应用两个方面：

（1）岩体物理力学性质。岩石属于非金属材料，截至目前，国内外学者已对不同条件下岩石破坏的声发射特性进行了大量研究。其主要研究内容包括：岩体中声发射波的研究，岩体破裂过程中声发射信号与微观力学、断裂力学的关系研究，不同加载条件下各种岩石的声发射特性研究。

（2）工程应用。在工程中声发射技术主要应用于两个方面：

1)地应力测量。利用Kaiser效应来测量地应力，即在所受应力超过岩体所经受的最大应力时会激发Kaiser效应，产生大量的声发射信号。这种方法可简便地获得大量实测数据且数据可靠度和准确性较好。

本书共分6章，绪论部分阐述了岩体破裂监测的目的与意义、发展现状、主要应用领域及监测设计的思想与方法；第1章和第2章主要突出岩体破裂动态监测，两章都是通过“听”进行岩体破裂过程的监测，前者是细观尺度的监测，后者是更宏观尺度的监测，二者互相补充，获取更为广泛、更为精细的破裂动态演化信息；第3章到第5章主要是岩体破裂状态监测，第3章通过声波波速的变化“感知”岩体破裂的演化规律与状态，第4章通过视频图像更直接的“看”岩体破裂的演化规律与状态，声波监测可以弥补视线不好时钻孔摄像的监测结果，钻孔摄像结果可以反过来校正或验证声波监测的结果，相辅相成，确保细观尺度上破裂状态监测结果的可靠性；最后一章是地质雷达监测技术，从宏观上监测岩体破裂的初始状态和每个阶段发展的状态，从而实现岩体破裂动态演化与状态结合。最终，通过岩体破裂综合监测，达到灾害预警与防治的目的。