不同含水岩石蠕变实验过程电磁辐射信息研究煤矿巷道围岩松动圈智能预测研究与应用.pdf

同济大学 博士后学位论文 不同含水岩石蠕变实验过程电磁辐射信息研究煤矿巷道围岩松 动圈智能预测研究与应用 姓名靖洪文 申请学位级别博士后 专业岩土工程 指导教师孙钧 20040301 摘要 本研究报告包括第一、二篇内容 第一篇不同含水岩石蠕变实验过程电磁辐射信息研究 本篇通过实验室内研究岩石试件在不同含水 饱水、自然、干燥 状态下，受载大 小与电磁辐射强度、断裂程度与电磁辐射脉冲之间的关系，以及加载环境下岩石蠕变变 形破坏孕育、发生、发展过程中的电磁辐射效应及规律。获得岩石蠕变断裂的电磁辐射 信息特征，确定不同含水状态及应力变化与电磁辐射强度间的关系，建立反复充、泄水 岩石工程稳定性评价的电磁辐射判掘。 关键词含水岩石，剪切蠕变，电磁辐射 第二篇煤矿巷道围岩松动圈智能预测研究与应用 针对煤矿巷道围岩松动圈影响因素多的特点，本文在总结已有研究成果的基础上， 通过理论分析和有限元数值模拟，确定出四个主要影响因素，并对其中的“围岩节理系 数”进行了明确定义。然后根据这四个因素，采用新兴的智能预测方法一自适应神经 模糊推理预测法，在M A T L A B 6 ．5 平台上开发了集松动圈预测系统建模、训练、测试和 应用于一体的智能预测软件。最后，利用该软件就预测问题进行深入的理论和应用研究， 取得了较为满意的成果。 关键词围岩松动圈，节理系数，数值模拟，智能预测，自适应神经模糊推理系统 A b s t r a c t T h i sr e p o r ti n c l u d e st w os e c t i o n s ． S e c t i o nIR e s e a r c ho n e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o no f r o c k c o n t a i n i n g w a t e r t h r o u g hc r e e pe x p e r i m e n t S e c t i o nI I S t u d y o nt h ei n t e l l i g e n tp r e d i c t i o no f t h i c k n e s so f b r o k e nr o c kz o n e f o rc o a lm i n e r o a d w a y sa n d i t sa p p l i c a t i o n S e c t i o nII nt h i ss e c t i o n ，b ym e a n so f c r e e pe x p e r i m e n t ，w es t u d yt h er e l a t i o n o fw a t e r - b e a r i n gs t a t e s a t u r a t i o n ，n a t u r a la n d d r ys t a t e o fr o c k 。l o a da n d e l e c t r o m a g n e t i c e m i s s i o nI n t e n s i t y , t h er e l a t i o no f r u p t u r e e x t e n ta n d e l e c t r o m a g n e t i c e m i s s i o np u l s e ，a n dt h ee f f e c ta n d l a wo fe l e c t r o m a g n e t i c e m i s s i o n d u r i n g t h e p r o c e s s o f g e s t a t i o n ，a r i s i n g a n d e x p a n s i o n o fc r e e p d e f o r m a t i o n ．T h e n ，w eo b t a i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o n d u r i n gt h ee r e e pa n dr u p t u r eo fr o c k ，a n df o u n dt h er e l a t i o no fw a t e r - b e a r i n g s t a t eo fr o c k ，s t r e s sv a r i a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o ni n t e n s i t y ．A tl a s t ，w e e s t a b l i s h e dt h ec r i t e r i o no fe l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o nf o re v a l u a t i n gt h es t a b i l i t v o f r o c k e n g i n e e r i n gu n d e r t h ec o n d i t i o no f r e p e a t e d f i l l i n ga n dd r a i n a g e ． K e y w o r d s w a t e r - b e a r i n gr o c k ，s h e a rc r e e p ，e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o n S e c t i o nI II na l l u s i o nt ot h ec h a r f i c t e r i s t i co ft o om a n yf a c t o r st oi n f l u e n c et h e t h i c k n e s so fb r o k e nr o c kz o n e ，o nt h eb a s i so ft h ea c h i e v e m e n t sm a d e b yo t h e r s ， f o u rm a i nf a c t o r sa r ef o u n db yn a e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m c r i c a l s i m u l a t i o nw i t hF E M ，a n da so n eo fw h i c h ，t h ei o i n ti n d e xo fs u r r o u n d i n gr o c k s i Sc l e a r l yd e f i n e d ．T h e nb a s e do nt h ef o n rf a c t o r s ，ar i s i n gi n t e l l i g e n tp r e d i c t i o n m e t h o dw i t hA N F I Si Sf o rt h ef i r s tt i m ei n t r o d u c e di n t ot h ep r e d i c t i o no f b r o k e n r o c kz o n et h i c k n e s s ，a n das t a n d a l o n ep r o g r a mi sd e s i g n e do nt h ep l a t f o r mo f M A T L A B 6 ．5 ，w h i c hi n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so fm o d e l i n g ，t r a i n i n g ，t e s ta n d a p p l i c a t i o n f o rb r o k e nr o c kz o n ep r e d i c t i o ns y s t e m s ．A tl a s t ，t h et h e m e so f p r e d i c t i o n a r e t h o r o u g h l y d i s c u s s e db o t hi n t h e o r y a n di n p r a c t i c e ，a n d s a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r eg a i n e d ． K e y w o r d s b r o k e n r o c kz o n ea r o u n d r o a d w a y , j o i n ti n d e x ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hF E M ，i n t e l l i g e n tp r e d i c t i o n ， a d a p t i v en e u r o ．f u z z yi n f e r e n c es y s t e m A N F I S 博士后研究工作报告之一 第一篇 不同含水岩石蠕变实验过程 电磁辐射信息研究 ，概述．1 ． 1 概述 目前西部大开发中“南水北调”“两气东输”“青藏铁路”等大量的长大隧道、人工 与自然边坡以及一大批重大水利水电反复充、泄水岩石工程的稳定性问题，～直是科研 工作者研究的热点及难点闯题之一。但是由于缺乏一种简洁、有效的监测方法，有些岩 体工程将产生失稳现象，有可能造成重大工程事故。 岩体的受荷破坏是一不可逆能量耗散过程，在这一破坏过程中有不同形式的辐射现 象产生，如声发射、电磁辐射、粒子辐射和光辐射等。这些现象统称为断裂辐射“”。 已有的研究结果表明，在诸断裂辐射形式中，声发射是研究得最为广泛的一种断裂 辐射形式。声发射就其本质来说是弹性波的传播，是材料内部由于应力应变的瞬态变化 而释放的弹性应变能，与材料内部的微小裂隙的产生、扩展以及闭合有关⋯1 。 岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从三四十年代发现震前电磁异常后开始自啦前苏 联和我围是在这方面开展研究较早的国家，日本和美国等国家也开展了这方面的研究工 作n ⋯。7 0 ～9 0 年代，岩石破裂电磁辐射效应的研究取得了很多有益的成果。从9 0 年代 开始，何学秋、王恩元等对岩体变形破裂电磁辐射效应及其规律进行了研究。但纵观目 前电磁辐射的机理研究，还没有一种机理得到广泛的承认，而且任何一种机理都不能完 全解释目前电磁辐射研究所观察到的现象。这一事实说明，岩石断裂时产生电磁辐射的 内在机制是十分复杂的。但我们应该看到，所有研究都表明，受载岩体变形及破裂时能 够产生电磁辐射信号，且电磁辐射与岩石内部微裂纹、微孔隙等的活动有关，与声发射 是同源异现象，它们是岩石破坏这～不可逆能量耗散过程中两种重要的能量耗散形式。 声发射和电磁辐射与岩体的受载变形及破裂过程密切相关。岩体灾害动力过程，如 顶板塌陷、围岩变形、冲击地压、矿震、滑坡、失稳和地震等，这些现象均是在岩体应 力应变状态发生变化的条件下发生的。另外，在它们本身的孕育、准备或发展阶段会引 起应力应变状态的改变，从而必然会引起电磁辐射信号、声发射信号及某些特征的变 化，这些可能成为岩体失稳的一种新的前兆信息。 因此，利用岩石蠕变过程中提供的电磁辐射和声发射信息，深入研究声发射和电磁 辐射的变化规律，对于评定岩体的应力状态，揭示岩体变形及破坏机理，预测预报岩体 工程长期稳定性，减轻甚至消除灾害的发生，确保工程的安全使用，具有重大的科学意 义和广阔的应用前景。 目前进行的实验，大都为单轴自然状态下岩石变形破裂过程及其电磁辐射特性规 律，国内外对于不同含水岩石在蠕变变形破坏过程中，受载大小与电磁辐射强度之间的 关系、断裂程度与电磁辐射脉冲之间的关系，不同含水状态对其影响的研究很少，而这 对于监测持续反复地充、泄水岩石工程的长期稳定性至关重要。 本课题通过实验室内研究不同含水 饱水、自然、干燥 状态、受载大小与电磁辐 射强度之问的关系、断裂程度与电磁辐射脉冲之间的关系，加载环境下岩石蠕变变形破 坏孕育、发展、发生过程中的电磁辐射效应及规律，获得岩石蠕变断裂的电磁辐射信息 特征，确定不同含水状态及应力变化与电磁辐射强度间的关系，建立反复充、泄水岩石 ] 程稳定性评价的电磁辐射判据。具体研究内容如下； 1 通过实验室三峡永久船闸岩样在不同应力环境、不同含水状态下蠕变变形断裂 实验，获得其电磁辐射及声发射频次、振幅的变化规律； 2 根据上述实验结果，确定岩石蠕变变形断裂的电磁辐射强度与不同含水状态、 应力水平之间的关系，确定电磁辐射脉冲与断裂程度之间的关系。特别是蠕变破坏预警 区内各阶段的电磁辐射信息特征，掌握其变化规律。 2 岩石流变电磁辐射及声发射效应实验研究 2 ．1 双轴剪切流变实验系统 本次实验系统参照了以前的实验系统【4 一，并进行了改造，如图2 - 1 ，其由轴向和侧 向加载系统、接收天线和声发射传感器、A - E R 声电数据采集系统、高速数据采集系统、 载荷一位移记录系统和屏蔽系统等组成。 P 1 - 伺服机压头2 一绝缘纸3 - 电磁辐射及声发射天线和传感器；4 一屏蔽网 图2 1双轴直剪流变电磁辐射实验系统示意图 下面就该系统的各个组成部分作一简单介绍 1 伺服加载及应力、应变伺服纪录系统 伺服加载系统由G S S 双轴直剪流变电液伺服岩石力学试验系统组成。其轴向最大 加载力为5 0 0 K N ，侧向最大加载力为3 0 0 K N 。该系统设有伺服误差小于0 ．1 ％的闭路控 制系统，可进行位移控制、荷载控制以及应变控制。通过系统中的函数发生器和自动记 录仪任意选择加载速率和加载方式，并同步记录试验数据 包括荷载及力、级向位移及 应变、横向位移及应变等 。本次进行的双轴剪切流变试验是通过试验系统中的荷载控 制频道实施的，伺服系统所跟踪与反馈的是荷载信息。加载方式采取单体分级加载方 式，即保持轴向力不变，逐级增大侧向剪切力，直至试样破坏。 2 电磁辐射接收天线和声发射传感器 电磁辐射接收天线分两种磁棒天线和宽频带天线。磁棒天线接收频率为1 0 k H z ， 5 0 k H z 。1 0 0 k H z ，1 5 0 k H z ，8 0 0 k H z ，1 M H z 宽频带天线采用了平面铜板天线，由电 路板加工而成。实验时，有选择的选用了五个电磁辐射天线和一个声发射传感器。天线 布置在试样周围，距离试样约0 ．5 ～2 c m ，磁棒天线垂直于试样水平放置，平面板天线 平行于试样长轴方向垂直放置或靠在试样壁面上。声发射传感器用于接收岩石变形破坏 产生的声发射信号，其谐振频率分别为7 ．5 k H z 、5 0 k H z 和1 4 0 k H z ，其中7 ．5 k H z 声发 射传感器为美国产，5 0 k H z 和1 4 0 k H z 的声发射传感器为沈阳产。测试过程中，声发射 传感器通过胶带固定在岩石试样壁面上，其面间用凡士林耦合剂祸合，确保岩石破坏过 程中产生的弹性波良好传播而被传感器接收。 3 电磁辐射和声发射信号数据采集系统 采用美国P h y s i c a I A c o u s t i c s 公司的2 4 通道D I S P 型声发射工作台作为声电数据采 集系统，如图2 2 所示。该系统主要由前置放大器、滤波电路、A ／D 转换模块、波形 处理模块和计算机等部分组成，主要功能有参数设置，信号采集，信号A ／D 转换、 数据存储和图形显示等，能同时采集2 4 个通道的声发射和电磁辐射信号，其中4 个通 道能进行波形采集和实时或事后频谱分析。各主要部分的技术参数和功能如下 前置放大器前置放大倍数分为2 0 d B 、4 0 d B 和6 0 d b 三种，对应的带宽分别为 1 0 k H z 一2 ．5 M H z ，1 0 k H z ～2 ．0 M H z 和1 0 k H z - 9 0 0 k H z 滤波电路低频段的范围为 I k - 2 0 0 k H z ，高频段的范围为1 0 0 k - 2 1 0 0 k H z 。 A ／D 转换模块为1 6 位、1 0 M H z 的A ／D 转换器，其动态范围大于8 2 d B 。 波形处理模块每个波形的采样长度可在1 - 1 5 K 之间选择，可进行实时或事后频 谱分析。 计算机系统各项硬件参数的设置与选择、读取A E 参数、形成与显示各种参数曲 线图、数据表、事后显示、打印各种图形和数据等。 采样速率采样速率分为1 0 0 k 、2 0 0 k 、5 0 0 k 、1 M 、2 M 、5 M 和1 0 M 。采样速率 直接关系到信号的截止频率和每个采样事件中信号的时间长度。由于一个周期至少需要 两个信号点来描述，因此接收到的信号的最大频率为采样频率的1 ／2 。所以采样速率 越高，每个采样时间中包含的时间长度越短，采样速率越低，每个采样事件中包含的时 间长度越长。 D I S P 型声发射工作台的工作原理是由电磁天线和声发射传感器接收的信号通过 前置放大器放大后，通过同轴屏蔽电缆送入滤波电路，滤波后的信号进入1 6 位的A ／D 转换模块，转换后的数字信号随后进入参数形成电路，形成A E 参数，存储在缓冲器内， 然后通过P C I 总线传输至计算机作进一步的处理、显示。当选择波形采集时，经A ／D 转换后的数字信号～路进入参数形成模块，另～路进入波形处理模块进行波形的处理和 分析。 4 屏蔽系统 岩石体在变形破裂过程中产生的电磁辐射信号的强度很弱，且主频段在低频范围， 而在实验场地周围却存在着如工业用电、无线广播、移动通讯、电动机械等较强的电磁 干扰场。为保证接收的信号真实地反映岩石体变形破裂过程中产生的电磁辐射信号，必 须采取严格的电磁屏蔽措施。本次实验采用网格尺寸小于0 ．2 m m 的双层铜网作屏蔽系 统，铜网与压力机良好接触并直接接地，电磁辐射接收天线、声发射传感器和伺服机压 头等均在屏蔽系统内，信号传输采用同轴屏蔽电缆，且电缆的屏蔽层直接接地。另外， 为保证每次测试的可比性，测试时间尽量都选在一天的相同时刻。这样，从某种程度上 说也降低了外界噪声的干扰。 2 ．2 实验方案及实现过程 2 ．2 ．1 岩样制备方法 本次试验岩石试样为闪云斜长花岗岩，微风化，块状结构。单轴抗压强度1 0 0 M P a 2 岩石流变电磁辐射及声发射效应实验研究．4 ． 对中风化上限或弱风华下限的相应试验值 ，属脆性硬岩。岩样基本情况见表2 ．1 。 试件端面平整和侧面平整度控制在O ．0 0 0 3 c m 范围之内，流变试验前，首先按常规试验 方法测得岩石的瞬时破坏强度和破坏时相对应的应变值，以此作为蠕变和松弛试验的参 考值。 表2 ～1 试样基本情况 干燥、自然、饱水岩样的制备 干燥岩样加载前在6 0 ℃烘箱内烘干2 4 小时； 自然岩样加载前试样在自然干燥环境中放置3 0 ～4 5 d ，试验环境的温度～般控制 在2 0 3 ℃ 饱水岩样加载前试样放入养护箱中，抽成真空，放置两天以上，让岩石充分吸水 饱和。 2 ．2 ．2 实验内容 对不同含水状态下的岩石试样进行双轴剪切流变实验，考察不同含水状态下试样破 坏声发射和电磁辐射特征及其规律研究水对声发射和电磁辐射影响； 2 ．2 ．3 实验步骤 1 按图2 ．1 连接好电磁辐射天线和声发射传感器，并启动D I S P 型电磁辐射及 声发射信号数据采集系统和G S S 双轴直剪流变电液伺服岩石力学试验系统，检查各测 试系统的工作状态是否正常。 2 量测并纪录岩样的尺寸．将其放置在压力机底座上；将声发射传感器用凡士 林耦合在试样上．并用胶带固定；岩样纵肉和横向与压头接触处放绝缘纸绝缘；将电磁 辐射接收天线布置在试样周围，距离试样O ．5 ～2 c m ，平面铜板天线直接用胶带固定在 岩样上。 3 罩好屏蔽网，并使其良好接地。 4 设置并调试D I S P 型电磁辐射和声发射信号数据采集系统参数和门槛值，设 置G S S 双轴直剪流变电液伺服岩石力学试验系统的加载参数。 5 以上各步完成后，同时启动D I S P 型电磁辐射及声发射信号数据采集系统和 G S S 双轴直剪流变电液伺服岩石力学试验系统，开始实验。由于流变实验时间较长， 电磁辐射及声发射信号数据采集不可能作到全程采集，只能选特定的时间段进行采集， 一般选在加载过程和荷载稳定过程中。 2 ．3 岩石流变破坏电磁辐射特征实验研究 2 ．3 ．1 采集通道数量及天线的选取 D I S P 型采集系统有6 个数据采集卡2 4 个通道，但用于监测电磁辐射信号时，一般 不要同时使用2 块或2 块以上的采集卡。因为多个采集卡同时使用时，相互间受采集系 统内部噪声影响较大，导致各通道监测结果不明显。而采用1 个采集卡的6 个通道采集 电磁辐射和声发射信号时，各通道基本不受系统内部噪声影响，能真实反映岩石流变破 坏电磁辐射变化的规律。因此，此次实验选用5 个电磁辐射天线 包括2 个宽频和3 个 点频 及1 个声发射传感器，并连接在同一采集卡上。 监测结果表明5 0 k H z 、1 0 0 k H z 、1 5 0 k H z 、8 0 0 k H z 、平板和圆筒天线测定效果非常 明显。测试时，选用了此频段电磁辐射天线和～个谐振频率为7 ．5 k H z 的美国声发射传 感器、两个谐振频率分别为5 0 k H z 和1 4 0 k H z 的沈阳声发射传感器。 2 ．3 ．2 加载应力的确定 1 所加荷载应稍大于工作状态下开挖二次应力场的应力水平 2 用岩样峰值强度的7 5 ～8 0 ％作为其应力水平 1 抗剪峰值强度 摩擦系数f 0 ．5 ，设fz t a n 驴 粘聚力c O ．2 M p a f C t a n ∞则 f ≤0 ．2 O ．5 a ，仃按下述估算。 2 r 。。50 ．2 O ．5 盯。。。 使盯。。 R 。 单轴压缩强度 对中风化上限和即弱风化下限的相应试验值，取1 0 0 M P a 则f 。。兰0 ．2 0 ．5 x 1 0 0 5 0 ．2 M P a 3 此次直剪试验设定的流变剪应力水平为 r O ．8 5 0 ．2 4 】，6 M P a 。取4 0 t C P a 。 2 ．3 ．3 逐级加载流变破坏电磁辐射效应特征 对于单轴压缩状态下的岩石变形破坏电磁辐射及声发射信号特征，前人己进行了大 量的实验研究【3 q ’1 7 q 1 1 。研究表明，不同类型的岩石在载荷作用下变形破坏均有电磁辐 射及声发射信号产生，且随着载荷和加载速率的增加而增强，与载荷大小和变化速率有 较好的一致性。 同种岩石如果受载时问不同，其变形破坏程度也就不同。但在某些情况下 比如荷 载作用时间很短 ，时间因素对岩石破坏的影响很小，这种情形下，可以将其简化为与 2 岩石流变电磁辐射及声发射效应实验研究 一6 一 时间无关。但如果荷载作用时间较长，就不能忽略时间的影响，整个岩石的变形破坏也 就属于流变破坏。岩石流变破坏综合考虑了时间和空间因素。研究表明．岩石的强度随 着载荷作用时间的增长而降低。从绝对意义上说，岩石破坏均属流变破坏，特别是峰值 应力后岩石变形进入流变和摩擦变形阶段，即使在恒定载荷作用下，同样会产生流变变 形，即产生蠕变现象。在岩石变形破坏过程中，随着微裂纹的产生及其扩展，岩石会释 放弹性能，也就会产生声发射信号；当然，岩石电磁辐射信号不仅在微裂纹及其扩展的 过程中产生，而且在损伤变形过程中也同样产生。 为了考察不同含水状态的岩石在双轴直剪流变状态下电磁辐射及声发射信号的变 化特征，共对5 块不同含水状态的岩石试样进行了测试，图2 - 2 2 - 7 是典型的岩石双轴 直剪流变实验电磁辐射及声发射信号的测定结果，其它试样也得到了类似的结果。 1 干燥岩石在不同应力状态下电磁辐射曲线 i4 0 『f } 主3 0 }} I 三2 0I ．，一} i 静0 。{ 么≤二么【 lo5 0 0 I o o o { 一兰∑一 jJ 一一 I L E 型堡坠三三些l i 图2 - 2 ．1 蚓4 0 { 巷of 广 二纵向应力剪力I 图2 - 2 - 2 4 0 f 主。o } 弓2 0 ／ 巷oI o ‘ 2 7 1 5 9 2 7 6 5 9 时间 s 【纵向应力剪力I 图2 - 2 ．3 2 岩石流变电磁辐射及声发射效应实验研究 一7 一 图2 - 2 - 4 ，I II | L ￡二二二 二二二二二| }【 3l一56 6 8 8 5 6 一 l 1 时间 s j 【纵向应力剪力l 图2 - 2 - 5 图2 2 6 图2 2 - 7 4 0 三3 0 詈2 0 嘉1 0 U 6 3 2 1 56 3 3 l56 3 4 1 56 3 5 1 5 时问c 8 ， I 纵向应力剪力 蚰∞∞m 。昭 盘弓R 目 4 0 3 0 2 0 广／ l o _ o 9 1 8 0 0 9 2 8 0 0 9 3 8 0 0 时间 s { 纵向应力剪力，i 2 岩石流变电磁辐射及声发射效应实验研究- 8 - | d 0 墓3 0 吾2 0 看1 0 U 9 4 2 0 09 4 7 0 09 5 2 0 09 5 7 0 0 时间 S l 级向应力剪力l 图2 - 2 8 | 主4 。。0 弱 U 1 4 7 7 8 21 4 8 2 8 21 4 8 7 8 21 4 q 2 8 2 时间 s f 二纵向应力剪力【 图2 ．2 ．9 图2 2 1 0 4 。 翟。o 苎2 0 蚕l O ． 1 1 6 8 5 9 81 6 9 0 9 8 1 6 9 5 9 8 时间 s I 1 [ 二一纵向应力剪力1 图2 - 2 - 1 1 4 0 r ；；3 0 } ．．．．。。。．．。．．．．．．．．．．．。～ 苎2 0j 巷o 广一 0 o - - - - - - - t - 一一- - - - - - - - - - - 、- - v 一。 1 8 0 6 6 01 8L 1 6 01 8 1 6 6 0 时间 s 爰 暑 S 目 E 鼍画迈三甄1 ’ 图2 2 ．1 2 图2 2 ．1 3 图2 2J l 干燥 岩石在不同应力状态下电磁辐射曲线 通道1 2 ．3 ．3 ．1 干燥岩石在不同应力状态下电磁辐射曲线描述 通道1 图2 - 2 - 1 纵向应力从0 增至2 0 M P a ，然后保持恒定，电磁辐射曲线随着应力的增加 从6 2 增至1 3 0 ，然后又陡降至5 5 ，随后随着剪力 从0 增至1 5 M P a 及时间的增长而增大 增至1 8 9 ，但电磁辐射曲线转折处早于应力转折处 早1 4 6 s 。 图2 2 2 应力保持恒定 纵向应力2 0 M P a ，剪力1 5 噼a ，电磁辐射量值有所下降。 但随着时间的延续，电磁辐射曲线从2 8 增至7 4 。 图2 2 3 纵向应力保持不变 2 0 M P a ，剪力在后段增加，电磁辐射量值随着时间 的推移从6 l 增至1 1 9 ，随后又降至5 7 ，后随时间增至1 5 0 ，之后保持在1 5 0 左右。 图2 2 4 剪力增加至l J 2 0 M P a ，且保持恒定，纵向应力仍保持2 0 M P a ，电磁辐射量值 较前下降，但总体趋势随时间累增。从全过程来看，电磁辐射曲线是在不断地升降，例 如从2 3 降至1 6 ，后升至1 1 4 ，又降至3 0 ，后又升至5 2 。由上可看出，电磁辐射曲线每一 次的突增或陡增之前必然有着先降过程。 图2 2 5 剪力增加到2 5 M P a 纵向应力保持2 0 M P a ，电磁辐射强度猛增，量值超过 大约是一个数量级 上一应力水平下的量值。这与岩石声发射中的K a i s e r 效应较为相 似，即当应力水平小于岩石应力历史中所受的最大应力时，电磁辐射强度较弱，当现时 所受应力大于其应力历史中的最大应力时，其电磁辐射强度就会猛增。 图2 2 6 应力保持恒定 纵向应力2 0 M P a ，剪力2 5 h T a ，但随着时间的延续，电磁 辐射强度仍然较前图有所增加，从2 0 0 ～3 2 0 增至2 1 0 ～4 0 0 a 图2 2 7 剪力从2 5 M P a 增加到3 0 M P a ，而后保持恒定，纵向应力仍为2 0 M P a ，电磁辐 射强度虽然有所降低 1 0 0 ～1 6 0 之间 ，但辐射频次较为密集。 图2 2 8 应力保持不变 纵向应力2 0 M P a ，剪力3 0 M P a ，电磁辐射量值变化较为平 缓，但强度较上图有所增加 1 0 0 ～2 0 0 ，不过整个过程仍是不断升降，如从1 7 5 将至1 3 2 ， ．。；jo／一_ ，t 一，一_ _ 1 I { 又升至1 8 9 ，后又降至1 5 9 。 图2 2 9 应力仍保持恒定 纵向应力2 0 M P a ，剪力3 0 M P a ，但电磁辐射强度随时间 逐渐增强 从5 0 增至2 1 4 ，说明此时岩石有较大破裂。 图2 2 1 0 剪力保持不变 3 0 M P a ，纵向应力先从2 0 M P a 减至1 7 M P a ，后又减至1 5 M P a ， 电磁辐射曲线从3 0 6 降至2 3 6 ，保持一段时间后，又降至1 9 0 。但总体电磁辐射强度较上 图增加，说明一方向的应力释放也会造成岩石的破损。 图2 2 1 1 应力水平保持不变 纵伺应力3 0 M P a ，剪力1 5 M P a ，电磁辐射曲线缓增， 从1 0 9 增至1 8 7 。 图2 2 1 2 应力保持不变，但电磁辐射强度随时问有大幅增加，从上述的1 0 9 ～1 8 7 增至1 8 0 ～2 7 3 ，后又降至2 1 0 。 ． 图2 2 1 3 应力仍保持不变，但电磁辐射频次明显增强，而且幅值较为均匀 在1 8 0 ～ 3 】0 之问 ，说明岩石此时已有较多裂隙。 1 ．2 干燥岩石在不同应力状态下声发射曲线 4 0r 3 0l 萼2 0 l 娄l o } 0 13 0 t 11 3 5 1 l 14 0 1 1 1 4 5 1 1 时f f i 】 s 1 纵向鹿力一剪力I 幽2 - 3 - 1 图2 ．3 ．2 2 岩石流变电磁辐射及声发射效应实验研究．”． t l o { 0 2 0 】o 0 6 3 2 1 56 3 3 156 3 4 1 56 3 5 l5 时间 s 4 0 3 0 2 0 l O l 三孤堕亟三剪五j o o 一 6 8 3 S 6 4 0 3 0 2 0 1o O f i 砸甄三网 9 0 3 2 5 9 9 5 2 59 0 7 2 59 0 9 2 5 时间 s 4 0 3 0 2 0 1 0 0 三砸叵三卫 9 1 8 0 09 2 8 0 0 9 3 8 0 0 时间 s E 亟砸五珂} B O 4 0 2 0 0 图2 3 - 4 1 ．E 0 4 5E 0 3 0 ，E D O 图2 3 - 5 图2 3 - 6 图2 - 3 7 2 岩石流变电磁辐射及声发射效应实验研究 1 2 - 4 0 主3 0 蓍2 0 营I o o 9 4 2 0 09 4 7 0 09 5 2 0 09 5 7 0 0 时间 s E 亘亟夏习 时间 s E 亘砸丕三圃l 4 0 3 0 荸2 0 函1 0 0 1 6 8 5 9 8 | 6 9 0 9 8 1 6 9 5 9 8 时间 s E 甄亟五三困 图2 - 3 - 8 图2 ．3 - 9 图2 3 - 1 0 图2 3 1 1 f 三磊面“m ≤三三甄至卫 图2 - 3 - 1 2 1 ．E 0 5 8E 0 4 6 ．E 0 4 4 ．E 0 4 2E 0 4 0E 0 0 声发射强度l 图2 - 3 1 3 图2 3J 1 干燥 岩 亓在不同应力状态下声发射曲线 通道3 2 ．3 ．3 ．2J 1 干燥 岩石在不同应力状态下声发射曲线描述 通道3 图2 ～3 1 纵向应力从0 增至2 0 M P a ，然后保持恒定，声发射曲线从1 5 2 6 先缓增至1 9 1 9 ， 后陡降至6 6 3 ，而后突增至1 3 7 5 8 8 4 3 ，随后瞬降至7 6 8 ，回升至1 7 6 8 后，开始缓降，到1 3 9 5 后，又陡减至1 6 9 。通过与图2 2 1 比较，发现声发射曲线与电磁辐射曲线不同，声发射 并不是伴随着电磁辐射的产生而产生，也并不完全随着应力的增大而增强，但其突增值 与电磁辐射曲线的突变处有较好的对应 均在4 0 1 s 附近 。 阁2 ～3 2 应力保持恒定 纵向应力2 0 M P a ，剪力1 5 M P a ，声发射有零星发生，且强 度较小 在O ～5 0 之间 。 图2 3 3 纵向应力保持不变 2 0 M P a ，剪力在后段增加至2 0 M P a ，声发射曲线从1 2 4 减至4 7 ，后突增至1 8 4 6 5 ，随后陡降，趋于9 0 0 。声发射曲线突增处并不与荷载突变处吻 合，而是在提前2 7 0 s 发生，但与电磁辐射曲线的突变处较为吻合。均在4 8 8 s 处。 图2 3 4 剪力增加到2 0 M P a ，且保持恒定，纵向应力仍保持2 0 1 湖P a ，声发射有零星 发生，且强度较小 在O ～2 0 之间 。 图2 3 5 剪力增加到2 5 M P a 纵向应力保持2 0 M P a ，后保持恒定，声发射曲线先从 8 9 0 降至2 0 ，后突增至2 2 3 2 8 ，随后陡降，最后缓降至7 3 0 。声发射曲线峰值处与剪力突 变处 从增长到恒定 有较好的对应性 均在1 4 5 s 附近 ，随着应力保持恒定，声发射 f f } 1 线逐渐趋缓。 图2 3 6 应力保持恒定 纵向应力2 0 M P a ，剪力2 5 h P a ，声发射曲线偶有突增，如 开始从1 1 9 降至8 5 ，后突增至2 3 9 8 ，随后又骤降至9 4 。 图2 3 7 剪力从2 5 M P a 增加到3 0 M P a ，而后保持恒定，纵向应力仍为2 0 M P a ，在应力 突增处，声发射亦有突变 从2 6 突增至2 9 7 6 7 ，且有较好的对应性，随着后段应力保持 恒定，声发射曲线逐渐趋缓 趋于9 9 8 o 0 O O 0 0 咖m m 舳 一 圈2 3 8 应力保持不变 纵向应力2 0 仲a ，剪2 3 0 M P a ．声发射曲线表现为阵发性 特征，时有突增。 图2 3 9 应力仍保持