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岩体多源声学及应用 版权信息
- ISBN：9787030741813
- 条形码：9787030741813 ; 978-7-03-074181-3
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
岩体多源声学及应用 本书特色
本书可供矿业、地球物理、水利、隧道、建筑、国防、化工、石油、 地热、工程地震等领域的科研、工程技术和教学人员参考，也可供高等院 校相关专业的本科生及研究生教学参考。
岩体多源声学及应用 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，探明岩石性质是攻克地球深部战略科技难关的基础，而岩石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工程建设过程中，均会释放出大量与岩石声学相关的信息，其中所蕴含着的岩石声学特征与规律对人与自然安全和谐发展至关重要。尤其在研究地球地热、石油、资源、环境、建筑等诱发灾害的防治问题时，清楚认识岩石的声学性质是解决问题的关键。岩石中的一种声波--地震波，是研究地球内部岩石声学性质*可靠的对象之一，通过岩石地震波获得的波速成像结果、破裂震源时空分布等有效信息可以被用来识别水体、空区及活化断层等地质异常结构，以防止工程地质灾害。
岩体多源声学及应用 目录
目录
前言
第1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
参考文献 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
参考文献 34
第3章 声波在岩体中的产生机理与衰减特性 36
3.1 岩体声发射信号产生机理 36
3.2 岩体中主要的声发射源 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 岩体中声发射衰减规律的试验研究 47
3.3.1 声发射监测设备 47
3.3.2 试验岩石试样 47
3.3.3 声波在不同性质的岩体中传播衰减特性分析 50
3.3.4 声波在含断面岩体中传播衰减特性分析 62
参考文献 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 基本原理 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 基本原理 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 基本原理 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 基本原理 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 基本原理 102
4.5.2 试验 107
4.5.3 试验结果分析 115
参考文献 116
第5章 岩体声发射事件的分离方法 118
5.1 岩体声发射事件的分离方法概述 118
5.2 岩体声发射事件筛选 119
5.3 岩体声发射事件波形切割 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 岩体声发射事件的识别指标 123
5.4.1 互相关系数 123
5.4.2 振铃计数 123
5.4.3 上升时间 124
5.4.4 信号强度 124
5.5 岩体声发射事件的识别方法 124
5.5.1 模板通道选择 124
5.5.2 滑动窗口扫描 125
5.5.3 时差矫正 126
5.5.4 到时提取 126
5.6 岩体声发射事件的分离试验 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
参考文献 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 声发射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 基于声发射特征参数分类岩体破裂类型的不确定性 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性 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
参考文献 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 声发射监测设备 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射信号主频演化规律 195
7.3.2 紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发射信号主频演化规律 196
7.3.3 花岗岩与紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发射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射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射信号主频演化规律 198
7.4.2 花岗岩膨胀加载破裂过程中声发射信号主频演化规律 199
7.5 岩体双轴压缩和膨胀加载破裂过程声发射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射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射信号频率质心演化特征 200
7.6 声发射波形频谱分布特征 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 声发射的功率谱与能量谱 208
7.7岩体破裂过程声发射波形频谱演化规律 211
参考文献 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 *大似然估计法 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 震级完整性 219
8.3.4 样本数的大小 222
8.4 声发射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射b值分析验证 227
8.5 含水状态花岗岩单轴压缩条件下的b值特征 229
8.5.1 含水状态花岗岩破裂声发射试验 229
8.5.2 b值的计算 231
8.5.3 两种状态下花岗岩的b值演化规律 233
8.6 花岗岩真三轴压缩过程的声发射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
参考文献 258
第9章 岩体滑移的摩擦特性 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性及其声学特征 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 岩体滑移摩擦特性的其他影响因素 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
参考文献 284
第10章 岩体声学参数与应力状态的关系 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 声发射振铃计数 291
10.1.3 声发射幅值 292
10.1.4 RA、AF值及平均频率质心 293
10.1.5 声发射事件率及波速 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 声发射事件率 299
10.2.3 声发射幅值 301
10.2.4 声发射峰值频率 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
参考文献 310
第11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 射线追踪技术 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 伴随状态层析成像 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
参考文献 350
第12章 岩体破裂声源辨识的波形图像机器学习应用 352
12.1 概述 352
前言
第1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
参考文献 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
参考文献 34
第3章 声波在岩体中的产生机理与衰减特性 36
3.1 岩体声发射信号产生机理 36
3.2 岩体中主要的声发射源 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 岩体中声发射衰减规律的试验研究 47
3.3.1 声发射监测设备 47
3.3.2 试验岩石试样 47
3.3.3 声波在不同性质的岩体中传播衰减特性分析 50
3.3.4 声波在含断面岩体中传播衰减特性分析 62
参考文献 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 基本原理 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 基本原理 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 基本原理 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 基本原理 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 基本原理 102
4.5.2 试验 107
4.5.3 试验结果分析 115
参考文献 116
第5章 岩体声发射事件的分离方法 118
5.1 岩体声发射事件的分离方法概述 118
5.2 岩体声发射事件筛选 119
5.3 岩体声发射事件波形切割 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 岩体声发射事件的识别指标 123
5.4.1 互相关系数 123
5.4.2 振铃计数 123
5.4.3 上升时间 124
5.4.4 信号强度 124
5.5 岩体声发射事件的识别方法 124
5.5.1 模板通道选择 124
5.5.2 滑动窗口扫描 125
5.5.3 时差矫正 126
5.5.4 到时提取 126
5.6 岩体声发射事件的分离试验 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
参考文献 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 声发射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 基于声发射特征参数分类岩体破裂类型的不确定性 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性 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
参考文献 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 声发射监测设备 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射信号主频演化规律 195
7.3.2 紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发射信号主频演化规律 196
7.3.3 花岗岩与紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发射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射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射信号主频演化规律 198
7.4.2 花岗岩膨胀加载破裂过程中声发射信号主频演化规律 199
7.5 岩体双轴压缩和膨胀加载破裂过程声发射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射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射信号频率质心演化特征 200
7.6 声发射波形频谱分布特征 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 声发射的功率谱与能量谱 208
7.7岩体破裂过程声发射波形频谱演化规律 211
参考文献 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 *大似然估计法 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 震级完整性 219
8.3.4 样本数的大小 222
8.4 声发射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射b值分析验证 227
8.5 含水状态花岗岩单轴压缩条件下的b值特征 229
8.5.1 含水状态花岗岩破裂声发射试验 229
8.5.2 b值的计算 231
8.5.3 两种状态下花岗岩的b值演化规律 233
8.6 花岗岩真三轴压缩过程的声发射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
参考文献 258
第9章 岩体滑移的摩擦特性 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性及其声学特征 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 岩体滑移摩擦特性的其他影响因素 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
参考文献 284
第10章 岩体声学参数与应力状态的关系 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 声发射振铃计数 291
10.1.3 声发射幅值 292
10.1.4 RA、AF值及平均频率质心 293
10.1.5 声发射事件率及波速 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 声发射事件率 299
10.2.3 声发射幅值 301
10.2.4 声发射峰值频率 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
参考文献 310
第11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 射线追踪技术 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 伴随状态层析成像 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
参考文献 350
第12章 岩体破裂声源辨识的波形图像机器学习应用 352
12.1 概述 352
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岩体多源声学及应用 节选
第1章绪论 1.1岩体声学的地位和作用 在地壳岩石层形成的漫长地质年代里，上覆岩层的自重和板块之间的相对运动在岩石层内部形成了地应力。在完整岩石层未受外界扰动的情况下，地应力处于三维平衡状态。板块运动和造山运动等地壳活动不仅影响了地球上陆地和海洋的分布，还造成了严重的地震和火山喷发等自然灾害[图1-1（a）和（b）][1，2]。在这些过程中，储存在岩体内部的能量以声波、光波、电磁和动能等形式释放出来，严重的甚至造成了物种灭绝等毁灭性灾难。在人类进化过程中，虽未发生能够造成物种灭绝的自然灾害，但地震、坍塌和滑坡等地质灾害却一直伴随着整个人类进化史。现代人类活动，尤其是采矿、隧道、大坝、地热开发等工程的开挖与建设，也在一定程度上破坏了岩石层中原本处于三维平衡状态的地应力场，诱发了大量的岩体失稳等工程地质灾害[图1-1（c）和（d）][3]，严重威胁着人们的生命财产安全。这些自然灾害和诱发的工程地质灾害发生前后始终伴随着声波的激发与传播。 图1-1自然灾害及采矿诱发的工程地质灾害 具体来讲，通过研究自然灾害及诱发的工程地质灾害的发生过程和机理，我们可以发现当岩石材料受到外界拉、压、剪、扭等应力扰动时，首先会在表面产生微小形变，随着外界应力的增大，应力向岩石内部传导，由于岩石组成结构的不均匀性，在岩石内部各个部分的不均匀变形中，会剪切或拉伸相邻区域，某些薄弱结构自身变形过大超过阈值则会使岩体内部产生微小裂纹。随着外界应力的进一步增大，不均匀变形和裂纹会衍生扩展，进一步导致岩石内部的开裂区域积小成大逐渐形成宏观裂纹。这些微破裂在岩石内部的薄弱结构展开，导致岩体破裂过程通常会伴随着弹性波或应力波的激发，将这种以应变能释放形式产生的应力波称为岩石声波，将产生这种应力波的现象称为声发射，微破裂产生的位置称为岩体声源或声发射震源。撞击、坍塌和树木折断等发出的声音应该是早期人类听到*早的声发射信号。随着研究的逐渐深入，人们根据信号频率以及尺度等不同还提出了微震的概念，因其研究方法、技术和理论都基本相同，国内外的研究者也习惯将它们并称为声发射/微震，本书将其统一定义为岩体声学。利用声学设备对岩石材料内部破裂信号进行监测与分析，对岩石材料内部的动态破坏行为进行无损检测的技术，称为岩体声发射/微震监测，统称为岩体声学监测技术。由于岩体声发射/微震信号中蕴含着岩体内部损伤演化过程的大量信息，因此岩体声学监测技术已被广泛应用于矿产及地热开发、隧道及桥梁工程、公路及水利工程、土木基建工程、油气藏水力压裂勘探等领域。 随着人类社会的进一步发展，人们对资源和能源的需求都在不断增大，这对资源和能源开发提出了更高的要求。人类赖以生存的大部分资源和能源都是直接或间接通过地下开采得到的。太阳能和风能的开发虽不需要开采，但其能量转换设备均依赖于开采所获取的资源。浅部资源和能源在长期的开采过程中已经逐渐趋于枯竭，资源开采正在逐步向深部转移。然而，深部与浅部开采中围岩体力学特性具有很大差异，其中*典型的特征为深部岩体受高地应力和高地温的影响极大。在高地应力的条件下，开采作业过程中的强动力扰动极易诱发岩爆和大范围垮塌等地质灾害，造成大量人员伤亡和经济损失。在高地温环境影响下，硬岩脆性破坏逐渐增强，在高地应力条件下岩爆发生时间提前，岩爆等级不断增大，岩爆烈度不断增加。近些年，发生在中国山东郓城、美国爱达荷州北部、南非约翰内斯堡等地的冲击地压事故，直接造成了重大的损失和影响。 我国油气资源相对较少，而煤炭资源相对丰富，“双碳”计划的实施，势必会增大企业节能减排的压力。因此，寻求并采用新的可替代清洁能源将是国家与企业发展的必由之路。地球上地热能资源极为丰富，其储量相当于煤炭总储量的1.7亿倍。作为一种新的清洁能源，地热能的开发与利用在新形势下必定会得到关注与重视。目前，地热能资源的开发利用在欧洲许多国家相当热门。然而，当前技术条件下，地热能资源开采均是通过向预先水力压裂的干热岩中注水进行热交换，然后回收热水实现的。水力压裂及注水过程对高温岩体强度及稳定性影响较大，极易诱发微地震等灾害。人们通过研究诱发地震活动的形成机理，发现多处地震活动的发生与当地地热系统工作有紧密的联系，如法国苏茨（Soultz）[4]、瑞士巴塞尔（Basel）[5]、美国哈里森（Harrison）[6]等地的地热系统均诱发了多次微地震活动。因此，地热能开发过程中岩体稳定性监测与评估至关重要。 岩体声学监测作为一种无损检测手段，通过利用声学设备对资源和能源开发过程中岩体内部的声学信号进行监测，可以有效利用资源与能源开采和地热能开发过程中的岩体震动和破裂所激发出的声发射/微震信号研究岩体损伤破裂过程，确定声发射/微震震源的空间位置及发生时间，分析震源处岩体的受力状态，进而获取岩石材料特性，判断岩石内部裂纹演化规律及结构失效情况，探究岩体失稳的有效前兆特征，为岩石的损伤破坏、岩爆和垮塌等地质灾害的预测提供指导。 1.2岩体声学的研究现状 1.2.1 岩体声学技术的实验室尺度研究 自1963年Goodman在岩石材料中发现了声发射Kaiser效应后，对岩石受压破坏过程产生的声发射现象已开展大量室内试验研究[7]。随着实验室设备与方法的普及，大量学者结合声发射监测设备与常规加载设备、应力应变监测、数字散斑等技术开展了大量卓有成效的研究。 关于岩石加载过程中的声发射相关研究成果非常丰富，不同种类岩石单轴压缩下的声发射特征、应力、应变特征等被大量报道。李庶林等[8]对岩石进行单轴加载和加卸载试验，分析了岩石加载全过程声发射特性和岩石在卸载、重复加载时的声发射特性。张茹等[9]通过对花岗岩的多级加载发现，声发射事件率存在初期低，中期增加，之后下降3个阶段。刘保县等[10]对煤岩进行单轴压缩并采集声发射的试验，建立了基于声发射振铃计数的岩石损伤模型。赵兴东等[11]进行了花岗岩单轴加载并采集声发射，对不同应力水平下的裂隙扩展进行了定位。曾寅等[12]进行了岩盐单轴蠕变的声发射试验，发现声发射事件率随着蠕变变形阶段性变化。左建平等[13]对煤岩和砂岩组合材料单轴压缩下的声发射进行研究，并将声发射数据进行定位，发现声发射震源分布与材料类型有直接关系。Dong等[14]通过开展单轴压缩声发射试验，研究了岩石失稳前兆与主应力方向之间的定性关系，发现波速变化的幅度与波传播路径的方位角和位置有关，并指出可以通过波速变化的各向异性特征来识别主应力方向。高峰等[15]通过岩石单轴压缩声发射试验，计算了不同应力水平下的声发射时间序列的关联维数，发现关联维数随相空间维数的增大而增大，*后趋于稳定。姚旭龙等[16]开展了不同岩性的单轴压缩声发射试验，并构建了基于声发射信号能量贡献率的岩体破裂关键信号的优选方法。Moradian等[17]对预先存在缺陷的花岗岩的棱柱形岩样进行单轴压缩试验，将声发射信号与岩石的应力-应变图相关联，认为声发射撞击数与裂缝数量正相关，能量与裂缝事件的大小正相关。李文洲等[18]通过开展煤样单轴压缩声发射试验，采用裂纹体积应变法和声发射法共同确定了煤样单轴载荷下的起裂强度，并对煤样起裂强度的影响因素及对各因素响应的敏感度进行了探讨。田芯宇等[19]对不同饱水状态的红砂岩单轴压缩试验过程中的声电信号进行了综合监测，发现试样含水状态的变化对试样的强度和声电信号均具有明显的影响，不同损伤演化阶段中声电信号所占的比例能较好地反映岩石试样的损伤演化规律。赵奎等[20]开展了不同含水率条件下的红砂岩单轴压缩声发射试验，探究了不同含水率条件下声发射信号的时序演化规律，发现随着含水率的增加，红砂岩声发射事件活跃期逐渐后移，干燥、自然与饱水状态下的红砂岩试件声发射破坏模式分别为主震型、前震-主震-后震型和群震型。姚强岭等[21]通过监测不同含水率和不同岩性煤岩系单轴压缩试验和变角剪切试验中的声发射信号，对不同含水率和不同岩性的煤岩系力学特性和破坏机理进行了研究，发现声发射累积计数随含水率的增加而减小。Guo等[22]通过对不同高径比的煤样进行单轴压缩试验，分析试验过程中的应力、应变和声发射信号发现，随着高径比的减小，煤样的单轴抗压强度和峰值应变均增大，且煤样破坏过程中根据声发射活动确定的平静期和快速下降期的持续时间随高径比的减小而缩短。杨文君等[23]开展了不同加载速率下的砂岩单轴压缩声发射试验，发现当加载率较高时，砂岩声发射信号的撞击幅值也维持在较高的水平，加载率越高，累积声发射计数增长越快。韩军等[24]采用不同单轴抗压强度的煤样进行了单轴压缩声发射试验，对煤样单轴压缩破坏各阶段的声发射能量、振铃计数等参数进行了分析，发现不同强度的煤样声发射特征在线弹性阶段和应力峰值阶段会发生明显的突变。康玉梅等[25]对比分析了不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土单轴压缩试验过程中的累积能量、累积撞击数、b值、RA值、AF值等声发射信号特征，认为声学特征参数的变化与混凝土试件的破坏过程各阶段具有较好的对应关系。洪铁东等[26]对不同取代率的高强自密实再生块体混凝土试件单轴压缩过程中的声发射特性进行了研究，通过引入活跃系数对声发射能量进行分析，发现随着取代率的升高，峰值应力前声发射的活动强度显著增加，基于声发射确定的活跃系数可以作为混凝土是否适合继续服役的判断标准。杨增福等[27]对煤岩单轴压缩破坏过程中的声发射信号进行了监测，并对煤岩试样单轴压缩过程中的破坏与声发射撞击曲线和能量曲线进行了对比分析，发现单轴压缩条件下中粒砂岩和煤样的破坏形式表现出明显的不同，中粒砂岩的声发射事件数远小于煤样的声发射事件数。卢蓉等[28]对预制了不同倾角裂隙的充填体试样开展了单轴压缩声发射试验，对其力学行为进行了研究，发现裂隙倾角对充填体试样的脆性及变形特性有较大的影响，随着预制裂隙倾角的增大，试样破坏类型逐渐由张拉型破坏转变为拉剪型破坏。赵康等[29]采用单轴压缩声发射试验对两种不同灰砂比的尾砂胶结充填材料试样的力学特性和协同变形特征进行了研究，认为不同灰砂比组合体的声发射活动特征同样也具有4个典型阶段，应力峰值相较于声发射振铃计数峰值具有一定程度的滞后，随着组合体强度的增大，声发射振铃计数整体逐渐减少。 单轴压缩试验可以在一定程度上反映岩石试样破坏过程中的力学特性，但由于其加载方式的限制，无法真实地模拟地下岩体的受力情况。当隧道、硐室、巷道和采场开挖以后，临空面的岩体不再处于三维应力条件约束，而是处于典型的二维应力状态。双轴加载试验可以较好地模拟临空面岩体的受力及破坏情况，国内外学者针对双轴压缩下岩体的声发射特征开展了丰富的研究。张晓君等[30]开展了具有岩爆倾向性的单卸压孔劈裂试样双轴压缩试验，结合应变和声发射监测，提出了在施工单卸压孔基础上将其劈裂的局部解危方法，但对于多孔劈裂的解危效应还有待研究。徐世达等[31]开展了双轴加载条件下的岩石试样破裂声发射试验，发现双轴加载试验中b值的变化规律与单轴加载试验中b值的变化规律相似，随着应力的增大，都呈现出先增大后减小的整体趋势。Dong等[32]通过开展双轴加载条件下的声发射监测试验，发现随着中间主应力的增加，花岗岩试样的破裂特征从“突然聚集”变为“连续分散”，增大中间主应力导致试样破裂过程中高频AE信号和剪切裂缝的比例增加，进而促使了试样发生不稳定破坏。李建乐等[33]采用离散元数值分析软件PFC建立了煤样双轴加载压缩模型，对煤样整体的破坏形态、裂纹的发育、应力-应变关系及声发射事件进行了研究。魏嘉磊等[34]开展了含圆孔试样的双轴加载声发射监测试验，对试验过程中声发射能量参数、事件参数、b值和熵值等参数与破裂前兆之间的关系进行了统计分析，发现熵值前兆出现*早，b值前兆出现*晚，采用声发射累积参数曲线*容易对岩石破坏前兆进行识别。秦乃兵等[35]通过开展含孔洞岩石试样的双轴压缩声发射试验，研究了含水率对孔洞岩体声发射特性的影响，发现对于干燥岩石试样，岩爆发生前声发射都具有平静现象，含水试样在
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