冲击性岩石声发射多频段耦合特征及临界破裂识别模式研究

通过声发射监测信息的动态分析来实现冲击性动力灾害灾源的识别及冲击预警是急待解决的技术难题。而要实现这一点，前提和基础是建立岩石材料冲击倾向性特征与声发射特征之间的相关关系。实验表明，岩石试块从受力到变形，从微裂纹开裂到宏观裂纹出现，相应声发射信号的频率会发生显著的变化。而且在不同的应力水平上，所释放声发射的高频、低频信号有着不同的组合模式。因此，如果仅仅针对某一固定频段的声发射信号进行检测，往往会漏掉真正反应材料断裂临界状态的前兆性信息，尤其是作为 "前兆性征兆"的更低频或者更高频信号。而这对于建立临界状态的"识别模式"是至关重要的。本研究提出改变现有声发射检测的传统做法，拟将岩石材料受载过程中"高频、中频、低频"的声发射信号进行分段检测，通过"多频段"声发射信号特征分析及其相互之间的模式匹配，寻求力学演化过程与声发射过程之间的内在联系,探求冲击性岩石临界破裂的前兆信息和识别模式。

项目以多频段声发射检测与耦合分析技术为依托，分析了具有冲击倾向性岩石材料在单向、三向受压条件下声发射信号的频率特征以及破裂特殊状态下声发射信号的频率变化，建立了岩石材料破裂过程及临界状态的多频段声发射耦合判据。完成了既定的研究任务。.通过项目研究，取得以下创新性成果：.1）通过岩石材料的冲击倾向性试验，建立了岩石“冲击危险性”和“冲击势”概念及相应评价指标，分析了不同应力水平下岩体发生冲击的危险程度，为不同应力状态下岩石材料冲击危险性分析建立依据。.2）通过冲击倾向性岩石常规单轴和三轴声发射试验，获得了不同的围压和不同的应力路径下，花岗岩声发射特征参数与应力应变的关系、特征参数随时间的变化规律，揭示了岩石声发射不可逆性随相对应力水平的变化规律。.3）进行了岩石单轴加卸载扰动声发射试验研究，探究了声发射与加卸载条件下应力-应变的耦合关系，利用加卸载响应比理论分析了岩石在高应力状态受扰动的损伤变化和稳定性特征，建立起扰动响应特征、声发射不可逆程度与稳定性状态之间的相关关系，为识别岩体所处的应力状态和相对冲击危险性提供了理论基础和试验依据。.4）通过不同冲击倾向性岩石在不同围压情况下加载破坏过程中声发射信号频段特征分析，揭示了花岗岩、矽卡岩和大理岩受载全过程声发射信号的频率变化规律，揭示了围压对声发射频段分布特征的影响。.5）通过声发射双频观测和分析，进行了冲击倾向性岩石材料的声发射性能测试，获得了不同应力水平下高频和低频通道的声发射信号变化特征，揭示了“高频、低频”两种不同频段内声发射信号参数特征与岩石变形破坏过程的关系。.6）通过多频段声发射监测分析，获得了冲击倾向性岩石在发生主破裂前的声发射波形及频谱的特征，指出主破裂发生前声发射信号会呈现出“频率和能量的升高-回落”这一临界响应模式。.7）分析了冲击倾向性岩石在Kaiser点附近区域的声发射信号频谱特征，揭示了Kaiser点所对应的主频特征及其变化规律，建立了Kaiser点频段特征与所处应力水平的关系，为加深对声发射Kaiser效应的认识，为基于声发射Kaiser效应进行损伤程度和岩体稳定性状态识别提供了依据。.8）通过不同冲击倾向性岩石加载破裂过程中声发射峰频频段耦合特征分析，建立了岩石破裂临界状态多频段声发射判据和判断岩体稳定性状况“声发射、压力”耦合判别模式，为现场监测预判冲击灾害提供依据。