巖爆畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文GRADUATETHESIS設(shè)計(jì)題目：水對(duì)深部花崗巖巷道巖爆聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究2014年6月10日摘要摘 要近些年，隨著高地應(yīng)力區(qū)的地下工程越來越多，巖爆已成為了地下工程中不可避免的地質(zhì)災(zāi)害，常常造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。巖爆的影響因素眾多，而水對(duì)巖石有很大的物理、化學(xué)和力學(xué)作用，進(jìn)而對(duì)巖爆有很大的影響。如今，巖爆地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)防治已成為公認(rèn)的世界性難題。本文通過不同含水深部巷道花崗巖進(jìn)行雙軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)，通過聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)巖爆孕育、發(fā)生與發(fā)展的整個(gè)過程，對(duì)比分析水對(duì)巖爆的影響，通過分析聲發(fā)射、力學(xué)參數(shù)尋找?guī)r爆發(fā)生的規(guī)律，從而為巖爆監(jiān)測(cè)提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)手段。研究發(fā)現(xiàn)：（1）通過

2、不同含水條件下深部花崗巖巷道巖爆模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干燥飽水花崗巖都有明顯巖爆現(xiàn)象發(fā)生，但是飽水花崗巖巖爆發(fā)生時(shí)間有所滯后，巖爆發(fā)生爆裂程度有所降低；（2）分析巖爆實(shí)驗(yàn)力學(xué)參數(shù)得出干燥花崗巖彈性能大，飽水花崗巖彈性能略?。唬?）通過分析巖爆實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射參數(shù)得出，干燥和飽水花崗巖聲發(fā)射事件率和絕對(duì)能率在主破裂前都有一小段平靜期，飽水花崗巖絕對(duì)能率有雙峰性。關(guān)鍵詞：巖爆；不同含水；聲發(fā)射；力學(xué)IIIAbstractAbstractIn recent years, more and more underground engineering with high geostress areas, has bec

3、ome the inevitable in the underground engineering of rock burst of geological disasters, often cause significant casualties and property losses. The influence factors of rock burst is numerous, and water on rocks have a lot of physical, chemical and mechanical function, which has great influence on

4、rock burst. Today, the rock burst prevention and control of geological hazards prediction has become a recognized worldwide problem.Based on the different water deep roadway granite biaxial loading acoustic emission experiment, through the acoustic emission testing technology monitoring rock burst,

5、the whole process of occurrence and development, analysis the influence of water on rock burst, through the analysis of acoustic emission, the law of mechanical parameters for rock burst occurs, which provide research basis and technical means for monitoring rock burst.The study found that:(1) throu

6、gh the deep roadway rock burst granite in different water cut conditions in the simulation experiment, dry saturated granite has obvious phenomenon of rock burst occurred, but the full water granite rock burst occurrence time lagging behind, the rock burst degree decreases;(2) analysis on experiment

7、al mechanics parameters of rock burst is dry granite elastic energy, saturated granite flexibility can be slightly smaller;(3) based on the analysis of rock burst test parameters of acoustic emission, dry and saturated granite rate of acoustic emission events and absolute duty before the main ruptur

8、e has a short quiet period, full water granite bimodality absolute duty.Key words: rock burst; Different water; Acoustic emission; mechanics目錄目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1選題背景與研究意義11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1巖爆研究現(xiàn)狀21.2.2國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射技術(shù)研究現(xiàn)狀31.3 本文的研究?jī)?nèi)容和思路51.3.1 研究?jī)?nèi)容61.3.2 研究思路6第二章 聲發(fā)射的試驗(yàn)原理72.1 聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)基本原理72.2 聲發(fā)射的產(chǎn)生72.3

9、 影響聲發(fā)射特征的因素82.4 聲發(fā)射檢測(cè)儀器的組成82.5 聲發(fā)射信號(hào)分析92.5.1 聲發(fā)射信號(hào)類型92.5.2 聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)9第三章 花崗巖巖爆模擬實(shí)驗(yàn)133.1實(shí)驗(yàn)方案133.2 試樣制取設(shè)備133.3 試驗(yàn)樣品的選取與加工163.4 試樣處理173.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備173.6 不同含水花崗巖巖爆聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)193.7 本章小結(jié)21第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析224.1 巖爆實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及破壞分析224.2 實(shí)驗(yàn)過程中力學(xué)特性分析234.3 實(shí)驗(yàn)過程中聲發(fā)射特性分析254.3.1 聲發(fā)射事件率分析254.3.2 聲發(fā)射絕對(duì)能率分析284.4 本章小結(jié)31第五章 總結(jié)和展望325.1 總結(jié)325.

10、2 展望32參考文獻(xiàn)34謝 辭37第一章 緒論第一章 緒論1.1 選題背景與研究意義近幾十年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不開能源和礦產(chǎn)資源的強(qiáng)有力支撐,而地下開采方式是目前我國(guó)獲得多種能源資源與礦產(chǎn)資源的重要途徑。隨著淺部資源的逐漸減少和枯竭,地下開采陸續(xù)轉(zhuǎn)入深部開采,向深部資源進(jìn)軍就成為一種必然趨勢(shì)1-2。然而深部開采必然面臨著各種問題，巖爆是其中最重要的一項(xiàng)。巖石巖爆是在高地應(yīng)力條件下開挖地下工程的過程中，開挖卸荷而導(dǎo)致洞壁應(yīng)力的重新分布，突然釋放出巖體中存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能而產(chǎn)生的剝落、爆裂松脫、彈射甚至拋擲的一種動(dòng)態(tài)失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害3。影響巖爆的因素眾多，而水是其中最重要的一項(xiàng)。

11、因?yàn)樗畬?duì)巖石的物理、化學(xué)和力學(xué)等作用，均對(duì)巖體的強(qiáng)度、變形和破壞等起到了不可忽視的影響，這使得巖石的力學(xué)特性表現(xiàn)出各向異性、非均質(zhì)性以及強(qiáng)度變化特性等。大多數(shù)情況下水對(duì)巖體的侵蝕破壞是從巖體介質(zhì)初始結(jié)構(gòu)面開始的，然后貫穿整個(gè)巖體，從而影響巖體的破裂方式和破裂形態(tài)。大量工程實(shí)踐中巖石的含水率并未達(dá)到飽和狀態(tài),而國(guó)內(nèi)外大量的巖爆研究都是基于巖石在干燥、飽和狀態(tài)下的開展的,而對(duì)不飽和狀態(tài)下巖石的巖爆的研究相對(duì)較少。因此研究不同含水條件對(duì)巖爆的影響,對(duì)我們更好的研究巖石巖爆特征提供著一定的理論依據(jù),對(duì)工程建設(shè)和巖爆理論研究的開展都能起到很好的參考價(jià)值。巖石變形和聲發(fā)射往往是工程巖體由穩(wěn)定到不穩(wěn)定直至破

12、壞的先兆。為此，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)做了大量試驗(yàn)測(cè)試及分析，以便了解在巖石破壞之前其力學(xué)和物理性質(zhì)的變化。然而，因巖石力學(xué)性質(zhì)參量的測(cè)量十分困難，加上影響巖石力學(xué)性質(zhì)的環(huán)境因素較多，增加了測(cè)試結(jié)果的不確定性。為了克服只測(cè)巖石力學(xué)性質(zhì)參量的不足，常常利用聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)在測(cè)試巖石力學(xué)參量的同時(shí)測(cè)試巖石的聲發(fā)射特征4。聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)是靠巖石發(fā)聲來探測(cè)其內(nèi)部狀態(tài)和力學(xué)特性的一種實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)巖石受力變形時(shí)，巖石中原有的或新產(chǎn)生的裂隙周圍應(yīng)力集中，應(yīng)變能較高，當(dāng)外力增加到一定大小時(shí)，有裂縫缺陷部位會(huì)發(fā)生微觀屈服或變形，裂縫擴(kuò)展，從而使得應(yīng)力松弛，貯藏的部分能量將以彈性波的形式釋放出來，這就是聲

13、發(fā)射現(xiàn)象5-6。由此可知，聲發(fā)射是在巖石受力和發(fā)生變形過程中產(chǎn)生的，可以根據(jù)巖石聲發(fā)射的多少、大小、頻率等參數(shù)了解到巖石的變形破壞過程。本文采選用深部巷道花崗巖進(jìn)行不同含水條件下雙軸模擬實(shí)驗(yàn)，并同步收集聲發(fā)射、力學(xué)等參數(shù)，進(jìn)行綜合比較分析，尋找其中的規(guī)律，從而為巖爆監(jiān)測(cè)提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)手段。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 巖爆研究現(xiàn)狀近一個(gè)世紀(jì)以來，中外學(xué)者在巖爆機(jī)理、巖爆預(yù)測(cè)及防治等方面進(jìn)行了大量的研究，但由于巖爆的復(fù)雜性，巖爆的理論研究進(jìn)展緩慢。在我國(guó)，巖爆研究工作起步較晚，且多停留在觀察、描述階段，和國(guó)外相比更為滯后。國(guó)際上，南非在巖爆的理論研究、預(yù)測(cè)、預(yù)防等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和資料

14、，建立了較為完整的理論體系，是目前世界上巖爆研究最先進(jìn)的國(guó)家之一。自20世紀(jì)70年代后期，中外巖爆研究進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，多次專門召開巖爆問題的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，交流和積累了許多有價(jià)值的研究資料及有關(guān)巖爆預(yù)測(cè)、控制和防治的實(shí)踐成果。歸納起來主要有巖爆發(fā)生條件、形成機(jī)理、巖爆各種預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)措施等。水對(duì)巖石產(chǎn)生物理、化學(xué)及力學(xué)作用可從微細(xì)觀上改變巖石的結(jié)構(gòu)，水對(duì)巖石有軟化作用，使其產(chǎn)生孔隙、溶洞及溶蝕裂隙等，增加其孔隙度，影響其滲透率和孔隙壓力，進(jìn)而改變其強(qiáng)度和剛度等宏觀力學(xué)性質(zhì)。因此巖石在與水之后彈性能減弱，在地應(yīng)力作用下不易發(fā)生巖爆國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者通過室內(nèi)不同含水狀態(tài)下巖石的單軸剪切、單軸壓縮及三

15、軸壓縮試驗(yàn)并結(jié)合聲波測(cè)試結(jié)果證實(shí)，隨著飽和度的增加，巖石各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都發(fā)生了不同程度的降低。這類試驗(yàn)多數(shù)只是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，部分作者對(duì)水-巖作用機(jī)理進(jìn)行了探討。李昌友7等人對(duì)風(fēng)化板巖進(jìn)行不同含水率條件下的崩解特性試驗(yàn)研究,證實(shí)了礦物的水理性強(qiáng)弱與含水率的變化交替程度有關(guān),一般保持在天然含水率狀態(tài)下浸水的礦巖,其水理性顯現(xiàn)程度較小,而干燥失水作用的礦巖再浸水后,其水理性變得極其強(qiáng)烈。趙忠波8進(jìn)行了干燥及含水率為7%的板巖的抗拉、抗壓和抗剪試驗(yàn),證實(shí)了板巖在干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為80MPa,含水狀態(tài)下為45MPa,強(qiáng)度下降了57%左右,水對(duì)巖石具有弱化作用,其主要原因是板巖層面相對(duì)光滑,粗糖度小

16、,試驗(yàn)工程中形成的相對(duì)薄層粉末減小了摩擦力,破壞是沿層面產(chǎn)生的。彭曙光9等對(duì)金川四種不同巖性試樣進(jìn)行了飽水狀態(tài)下的抗壓試驗(yàn),采用數(shù)值分析方法總結(jié)出含水率與單軸抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系,證實(shí)了該區(qū)域礦巖遇水軟化,巖石抗壓強(qiáng)度降低,巖石破壞時(shí)不屬于脆性破壞謝和平10等利用軟化系數(shù)來闡述巖石強(qiáng)度的變化,巖石的干抗壓強(qiáng)度明顯高于濕抗壓強(qiáng)度,軟化作用很顯著,不同的巖石的軟化系數(shù)不同,軟化系數(shù)一般在0.50-0.75之間。巖石遇水后軟化系數(shù)較小的其強(qiáng)度大幅度下降。這些研究大多只針對(duì)了軟巖、及某些硬質(zhì)巖石在天然、干燥及飽和作用下其力學(xué)強(qiáng)度及參數(shù)與含水率變換關(guān)系的研究,對(duì)于巖石各個(gè)不同吸水時(shí)間狀態(tài)下的巖石的力學(xué)特性

17、的研究相對(duì)比較少,尤其是硬質(zhì)巖石。1.2.2國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射技術(shù)研究現(xiàn)狀國(guó)外許多學(xué)者對(duì)巖石受力破壞過程中的聲發(fā)射特征作出了廣泛的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，比如巖石在受壓、剪切、斷裂和張拉等試驗(yàn)條件下其聲發(fā)射特征研究。早在50年代前蘇聯(lián)就研究了巖石的聲發(fā)射特征并將其應(yīng)用于礦山地壓的監(jiān)測(cè)；60年代初期，Mogi進(jìn)行了大量的巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，研究了巖石受壓破裂過程中的聲發(fā)射特征11；70年代，Hardy對(duì)巖石的聲發(fā)射特征進(jìn)行了大量研究,包括拉壓試驗(yàn)、聲發(fā)射事件能量和頻率等的研究;80年代，一些日本學(xué)者對(duì)巖石的聲發(fā)射特征、巖石的KaiSer效應(yīng)等進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)研究；HolComb利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)巖石類脆性材料的

18、破壞情況進(jìn)行了研究12。90年代，Rao等用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)循環(huán)加載過程中巖石的漸進(jìn)破壞性質(zhì)進(jìn)行了研究13；Lockner討論了聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于巖石破壞機(jī)理方面的研究作用，Cox等對(duì)巖石微破裂和軟化過程中聲發(fā)射的現(xiàn)象做了研究，Rudajev等研究了單軸壓縮試驗(yàn)條件下巖石破裂過程中的聲發(fā)射特征14。Pestman等研究了三軸應(yīng)力狀態(tài)下砂巖的聲發(fā)射特性和破壞特性之間的關(guān)系以及應(yīng)力記憶現(xiàn)象15。到了20世紀(jì)后期，Dai對(duì)巖石材料的損傷與其聲發(fā)射特征之間的關(guān)系，以及不同孔隙度類巖材料的聲發(fā)射特征進(jìn)行了相應(yīng)的研究，認(rèn)為他的研究成果可用于這類材料破壞的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)報(bào)16。近年來,隨著現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的發(fā)展，Th

19、am等用多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)板狀巖石試樣拉伸時(shí)的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究,并通過二維有限元軟件進(jìn)行了聲發(fā)射的模擬分析，發(fā)現(xiàn)巖石在單軸拉伸條件下的聲發(fā)射特征能分為三個(gè)階段；(1)聲發(fā)射信號(hào)隨機(jī)分布階段，(2)破裂帶的出現(xiàn)，(3)主破裂發(fā)生階段，且花崗巖比大理巖有更明顯的微破裂聚結(jié)現(xiàn)象，而導(dǎo)致在拉應(yīng)力條件下各巖石聲發(fā)射特征差異的主要原因是非均質(zhì)性的差異。Ganne等采用聲發(fā)射技術(shù)研究了巖石峰值前的脆性破壞，并給出了在該過程中聲發(fā)射能量累積的4個(gè)階段17。聲發(fā)射技術(shù)在20世紀(jì)70年代才開始引入我國(guó)，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于巖土工程和礦山生產(chǎn)中，陳穎是國(guó)內(nèi)較早地開展巖石聲發(fā)射特征室內(nèi)試驗(yàn)研究的學(xué)者18；他于198

20、7年研究了不同應(yīng)力途徑三軸壓縮下巖石的聲發(fā)射特征,得出巖石的聲發(fā)射行為不僅與巖石應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，還與應(yīng)力狀態(tài)的變化有關(guān)19；90年代彭守拙,吳剛等也針對(duì)巖石聲發(fā)射特征開展了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)研究工作20-21；樊運(yùn)曉通過大理巖單軸壓縮試驗(yàn)分析巖石聲發(fā)射特點(diǎn)，驗(yàn)證了聲發(fā)射產(chǎn)生的主要原因在于巖石內(nèi)部裂紋的閉合和閉合裂紋上下表面間的摩擦，加載過程中聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱與巖石內(nèi)部裂紋平均長(zhǎng)度有關(guān)22；趙興東、田軍、李元輝、唐春安研究了花崗巖破裂過程中的聲發(fā)射活動(dòng)行，認(rèn)為聲發(fā)射事件活動(dòng)可以反映出巖石內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的變化23。隨后我國(guó)許多學(xué)者針對(duì)巖石的聲發(fā)射特征進(jìn)行了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖石破裂過程的

21、聲發(fā)射特征是與巖石的性質(zhì)、加載的條件等密切相關(guān)的，許昭永等研究了單軸實(shí)驗(yàn)時(shí)的加載速率與聲發(fā)射特征的關(guān)系24；減紹先用兩個(gè)頻率通道同時(shí)接收花崗巖及石灰?guī)r在不同單軸加壓方式下的整個(gè)形變過程中的聲發(fā)射信號(hào)，研究了不同頻道接收到的聲發(fā)射率的變化特征25；萬志軍等研究了不同加載速率時(shí)巖石的聲發(fā)射特征以及加載速率與裂紋之間的量化關(guān)系26；蔣海昆等則對(duì)高圍壓條件下花崗巖的變形破壞過程種聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并依據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)聲發(fā)射的時(shí)序特性進(jìn)行了分析27；張流等的研究結(jié)果表明了低圍壓容易產(chǎn)生張性破裂，并伴隨較高的聲發(fā)射率，但主破裂后聲發(fā)射很少；隨著圍壓的逐漸提高，剪切破裂占據(jù)了主導(dǎo)地位，降低了聲發(fā)射率，

22、但使得破裂后的聲發(fā)射率保持較高水平。近年來，李庶林在巖石單軸全過程加載和加卸載試驗(yàn)中研究了巖石材料在不同加載條件下受力變形過程中的聲發(fā)射特性28；趙興東應(yīng)用聲發(fā)射定位技術(shù)對(duì)不同巖樣破裂過程的聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，揭示不同巖樣的破裂失穩(wěn)機(jī)理,得出聲發(fā)射活動(dòng)與巖石的本身屬性是直接相關(guān)的29；付小敏對(duì)巖石單軸受壓變形過程中的聲發(fā)射特征開展了試驗(yàn)研究；余賢斌等又研究了直接單拉、單軸壓縮和劈裂時(shí)巖石的聲發(fā)射特征，對(duì)不同加載方式下的聲發(fā)射特征做了對(duì)比分析；王其勝、萬國(guó)香、李夕兵在霍普金森實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上研究了動(dòng)靜組合加載下花崗巖聲發(fā)射能量的變化規(guī)律；張志鎮(zhèn)、高峰、徐小麗從聲發(fā)射的角度考察高溫后花崗巖的力學(xué)

23、特性，研究了不同溫度下試件縱波波速的變化及應(yīng)力一應(yīng)變曲線跟聲發(fā)射曲線之間的關(guān)系30。一些學(xué)者著重研究了聲發(fā)射信號(hào)的分析,v.Rudajev等通過研究單軸壓縮條件下巖石的聲發(fā)射,得到了聲發(fā)射時(shí)間系列參數(shù)包含了巖石破裂階段和有關(guān)應(yīng)力率的重要信息，這些參數(shù)都顯示出了比較穩(wěn)定的前兆特征。降川、劉新平、劉英、陳穎對(duì)單軸壓縮條件下大理巖和輝長(zhǎng)巖樣品變形過程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析.比較了兩種巖石的頻譜以及頻譜隨應(yīng)力的變化，并找出其聲發(fā)射信號(hào)的頻譜分布范圍31；隨后彭遠(yuǎn)、周昌達(dá)用時(shí)域和頻域分析方法對(duì)單軸壓縮下大理巖試樣的聲發(fā)射特性進(jìn)行了深入的研究，認(rèn)為在巖體破壞預(yù)報(bào)中，能率和聲發(fā)射率可作為比較可靠的參數(shù)

24、32；吳永勝、余賢斌對(duì)比了單軸壓縮下巖石破壞過程中巖石的聲發(fā)射率和能率變化規(guī)律的異同,得出聲發(fā)射能率的變化規(guī)律較聲發(fā)射率表現(xiàn)得更加敏感,更適合用來預(yù)測(cè)巖石的破壞34；許多研究者通過研究發(fā)現(xiàn),具有巖爆傾向性的巖石類材料破壞時(shí)非常強(qiáng)烈并伴隨著巨大的響聲，而沒有巖爆傾向性的巖石類材料破壞則較為平穩(wěn)，為此許多學(xué)者為了了解有巖爆傾向性的巖石的性質(zhì),做了大量有關(guān)具有巖爆傾向的巖石在加載過程中聲發(fā)射規(guī)律的試驗(yàn)，潘長(zhǎng)良、祝方才等研究了具有巖爆傾向性的巖石在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征；苗金麗、何滿潮等對(duì)真三軸應(yīng)力狀態(tài)下花崗巖突然卸載應(yīng)變巖爆的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究35。雖然巖石聲發(fā)射技術(shù)在工程實(shí)際中得到了非常廣泛

25、的應(yīng)用，并且取得了卓越的成績(jī)，能夠達(dá)到預(yù)期的效果并取得準(zhǔn)確的結(jié)果，有著其他檢測(cè)手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，但是聲發(fā)射技術(shù)在以下幾個(gè)方面還存在很多問題需要研究解決，首先，在理論上，巖石聲發(fā)射技術(shù)是公認(rèn)的理論研究落后于工程實(shí)際的學(xué)科之一，無論是對(duì)聲發(fā)射的產(chǎn)生機(jī)理，聲發(fā)射波傳播過程中的衰減、吸收與巖石中的各類缺陷的相互作用對(duì)聲發(fā)射波的影響，還是對(duì)聲發(fā)射信息承載特性、物理力學(xué)特性的研究與分析，由于缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究方法，目前大多數(shù)只停留在現(xiàn)象分析和定性分析上，仍未脫離經(jīng)驗(yàn)式的現(xiàn)狀，并且現(xiàn)有的一些基礎(chǔ)理論，都不能對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的真實(shí)性進(jìn)行較好的描述。這就導(dǎo)致了聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)同其他參數(shù)之間建立起相關(guān)的聯(lián)

26、系方面缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。然后，在儀器方面，由于絕大部分巖土工程都是在極其糟糕的環(huán)境中進(jìn)行施工，聲發(fā)射儀器在這種環(huán)境條件下受到外界因素的影響不能得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。還有，聲發(fā)射信號(hào)具有復(fù)雜多變的特性，對(duì)于不同材料或同種材料在不同條件下所發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)性能變化較大，各種相關(guān)參數(shù)的差異也是很大的。所以，需要更加深入、系統(tǒng)的研究不同巖石的聲發(fā)射特征。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)還沒有制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，技術(shù)人員都是通過自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究分析，各項(xiàng)研究差異性很大，為了更好地研究和推廣聲發(fā)射這門技術(shù)，制定出世界通用的相關(guān)規(guī)范，為工程應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1.3 本文的研究?jī)?nèi)容和思路本文通過對(duì)深部巷道花崗

27、巖進(jìn)行不同含水雙軸壓縮條件下聲發(fā)射模擬實(shí)驗(yàn)，采用聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)巖爆的孕育、發(fā)生以及爆發(fā)的整個(gè)過程。采集力學(xué)、聲發(fā)射等參數(shù)對(duì)比分析不同含水條件下花崗巖巖爆特性。通過分析尋找?guī)r爆發(fā)生的規(guī)律，從而為巖爆監(jiān)測(cè)提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)手段。1.3.1研究?jī)?nèi)容（1）通過不同含水條件下深部花崗巖巷道巖爆模擬實(shí)驗(yàn)，收集聲發(fā)射、力學(xué)參數(shù)，分析巖爆實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；（2）根據(jù)不同含水花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)力學(xué)參數(shù)，繪制載荷-時(shí)間曲線，然后對(duì)比分析；（3）通過分析試驗(yàn)中記錄的聲發(fā)射各項(xiàng)參數(shù)，繪制出聲發(fā)射事件率、能率的曲線圖，找出不同含水花崗巖事件率、能率的一般規(guī)律。1.3.2 研究思路論文的技術(shù)路線圖如圖1.1所示：總結(jié)展望圖1.1 論文

28、技術(shù)路線圖39第二章 聲發(fā)射的試驗(yàn)原理第二章 聲發(fā)射的試驗(yàn)原理聲發(fā)射又叫應(yīng)力波發(fā)射，英文名稱為AcousticEmission,簡(jiǎn)稱AE，是指材料的局部因?yàn)榭焖俚尼尫懦瞿芰慷l(fā)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射的頻率根據(jù)材料的不同而有很廣的范圍，從次聲頻到聲頻乃至超聲頻。大部分材料在變形和斷裂的時(shí)候會(huì)發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象,聲發(fā)射技術(shù)是指采用特定的聲發(fā)射儀器對(duì)聲發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集并分析然后利用分析的結(jié)果對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的內(nèi)部性質(zhì)的變化進(jìn)行推斷的技術(shù)。早在幾十年前就聲發(fā)射技術(shù)就受到了國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注,一直發(fā)展至今，從早期在涉及隧道工程、煤礦及金屬礦山的安全性問題方面的應(yīng)用到現(xiàn)在應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定、巖爆以及室內(nèi)的材

29、料脆性研究，聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展越來越完善,其應(yīng)用領(lǐng)域也從以前單一應(yīng)用于采礦業(yè)慢慢發(fā)展到地震、地質(zhì)、水利、石油、土建、機(jī)械及國(guó)防等領(lǐng)域。2.1 聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)基本原理發(fā)展至現(xiàn)在，聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)己經(jīng)轉(zhuǎn)變成為一種新興的動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)，主要的基本概念包括聲發(fā)射源、波的傳播、聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)的處理、數(shù)據(jù)顯示及記錄、結(jié)果解釋和評(píng)定等，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)由于其檢測(cè)的是動(dòng)態(tài)缺陷切缺陷信息是由缺陷自身發(fā)出來的而不同于其他的無損檢測(cè)方法，其基本原理為：聲發(fā)射源發(fā)出信號(hào)，經(jīng)介質(zhì)傳播到達(dá)換能器，換能器接受聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)，再由放大器將信號(hào)放大，最后根據(jù)電信號(hào)對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行解釋。2.2 聲發(fā)射的產(chǎn)生材料

30、引起聲發(fā)射的局部變化稱作聲發(fā)射事件，而聲發(fā)射事件的物理源點(diǎn)或者發(fā)出聲發(fā)射波的機(jī)制源被稱為聲發(fā)射源。在各種材料中，許多種損傷和破壞機(jī)制可以產(chǎn)生聲發(fā)射源，本文主要討論一種聲發(fā)射源，即裂紋的形成和擴(kuò)展。一旦產(chǎn)生裂紋，在材料局部地區(qū)的應(yīng)力集中得到卸載就會(huì)產(chǎn)生出聲發(fā)射的現(xiàn)象，所以材料的塑性變形與裂紋的形成和擴(kuò)展是密切相關(guān)的。材料的斷裂過程大致上可以分成以下三個(gè)階段，其中的每個(gè)階段都可以成為強(qiáng)烈的聲發(fā)射源。（1）裂紋成核階段。微觀裂紋首先要經(jīng)過裂紋的慢性擴(kuò)展階段才能變成宏觀裂紋。（2）裂紋的擴(kuò)展階段。眾多學(xué)者經(jīng)過理論計(jì)算知道，裂紋在擴(kuò)展時(shí)所需要的能量比裂紋在形成時(shí)需要的能量約大100到1000倍，且由于裂

31、紋的擴(kuò)展不是連續(xù)進(jìn)行的，裂紋在向前擴(kuò)展一步的時(shí)侯會(huì)釋放出所積蓄的能量，這樣裂紋的尖端區(qū)域就得到卸載，所以在裂紋擴(kuò)展階段中產(chǎn)生的聲發(fā)射可能比裂紋在形成階段而產(chǎn)生的聲發(fā)射大得多。（3）最終斷裂階段。當(dāng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展直至發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，此時(shí)裂紋已接近臨界裂紋的長(zhǎng)度，隨即又變成快速地?cái)嗔?，在這個(gè)過程中往往會(huì)產(chǎn)生出更大強(qiáng)度的聲發(fā)射。2.3 影響聲發(fā)射特征的因素能夠影響變形和斷裂機(jī)制的因素都能夠?qū)β暟l(fā)射的特征產(chǎn)生影響，這是由于聲發(fā)射是產(chǎn)生于材料的斷裂和變形，這些因素主要有以下幾點(diǎn)：(1)試件，包括試件的形狀和尺寸；(2)環(huán)境，主要是指溫度和腐蝕介質(zhì)；(3)應(yīng)力，主要有應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)變率以及承載的力；(4)材料，

32、主要是指材料的組織!成分!結(jié)構(gòu),例如金屬材料中的晶格類型、晶粒尺寸、夾雜、缺陷、第二相；復(fù)合材料中的纖維方向。增強(qiáng)劑?；?、輔層、界面、殘余應(yīng)力等。2.4 聲發(fā)射檢測(cè)儀器的組成聲發(fā)射信號(hào)是一種重復(fù)頻率極高的瞬變隨機(jī)波信號(hào)，它的一前沿時(shí)間一般在幾十到幾百毫微秒之間。經(jīng)過局部瞬間變化而產(chǎn)生的頻率分布在次聲至超聲頻率范圍內(nèi)(約為幾赫茲至幾十赫茲)的聲發(fā)射波，其垂直位移一般距試件表面大約1071014米，只有具有非常高的響應(yīng)速度、高靈敏度、高增益、寬動(dòng)態(tài)范圍強(qiáng)、阻塞恢復(fù)能力等性能的聲發(fā)射檢測(cè)儀器才能接受到聲發(fā)射波。目前的聲發(fā)射測(cè)試儀器大致可以分成多通道聲發(fā)射檢測(cè)儀和單通道聲發(fā)射系統(tǒng)兩個(gè)基本類型。典型的

33、單通道聲發(fā)射檢測(cè)儀一般采用一體結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)成單元有傳感器、前置放大器、衰減器、主放大器、門檻電路、聲發(fā)射率計(jì)數(shù)器、總數(shù)計(jì)數(shù)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。以下介紹系統(tǒng)的各個(gè)主要部分。聲發(fā)射傳感器是拾取聲發(fā)射信號(hào)的關(guān)鍵部件，主要是用于檢測(cè)出非常微弱的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而將信號(hào)轉(zhuǎn)變成為系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào)，然后送到放大器進(jìn)行進(jìn)一步的放大。此過程大都要求聲發(fā)射傳感器具有極高的靈敏度和盡量寬的頻帶，以便于檢測(cè)出處于微弱的寬頻帶范圍中的聲發(fā)射信號(hào)。置于傳感器附近的是前置放大器，傳感器輸出的信號(hào)首先經(jīng)過它得到放大，然后再經(jīng)長(zhǎng)電纜輸送到主機(jī)，由主機(jī)處理。它所起到的主要作用是:防止信號(hào)衰減過大，提供低阻抗的輸送電纜和高阻抗的傳

34、感器直接的匹配;確保提供信號(hào)的信噪比，對(duì)輸入的微小信號(hào)進(jìn)行放大來抑制電纜噪聲;提供可以濾波的頻率。主放大器及濾波器則是系統(tǒng)的重要組成部分。主放大器將聲發(fā)射信號(hào)再進(jìn)一步的放大，方便后面的參數(shù)測(cè)量和計(jì)算單元來進(jìn)行信號(hào)處理。主放大器應(yīng)當(dāng)具有可以調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)，能讓整個(gè)系統(tǒng)的增益達(dá)到60100dB。檢測(cè)系統(tǒng)中的濾波器則是用來排除不必要的噪聲及限制檢測(cè)系統(tǒng)工作的頻率范圍，讓系統(tǒng)能在相對(duì)復(fù)雜的噪聲環(huán)境中工作。濾波器一般情況下采用編程式或插件式，包括低通、高通或者帶通濾波器，且可以組合使用。目前的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)出了一系列包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示的軟件，使得聲發(fā)射系統(tǒng)不僅具有提取聲發(fā)射特征參數(shù)的功

35、能，而且還具有采集波形與顯示波形的功能，可以完成聲發(fā)射的定位，更具有頻譜分析功能，十分有利于分析聲發(fā)射特征。2.5 聲發(fā)射信號(hào)分析2.5.1 聲發(fā)射信號(hào)類型傳感器的輸出信號(hào)有突發(fā)型和連續(xù)型兩種基本類型?？梢詮臅r(shí)域上分離開來的波形稱為突發(fā)型信號(hào)?；舅械穆暟l(fā)射源過程都是突發(fā)過程，例如裂紋的斷續(xù)擴(kuò)展，復(fù)合材料的纖維斷裂等。而當(dāng)聲發(fā)射頻度在時(shí)域上高到不能分離的時(shí)后，聲發(fā)射就會(huì)以連續(xù)型的信號(hào)顯示出來，燃燒信號(hào)、泄漏信號(hào)、塑性變形過程中聲發(fā)射前期的信號(hào)等都是連續(xù)型的信號(hào)。往往在實(shí)際的檢測(cè)中出現(xiàn)的是突發(fā)信號(hào)和連續(xù)信號(hào)的混合類型。不同的信號(hào)類型有不同的處理方法。早期的通用系統(tǒng)一般多以突發(fā)型信號(hào)檢測(cè)為主，另

36、一些專用的檢測(cè)儀器則設(shè)有檢測(cè)連續(xù)型信號(hào)的功能。最近發(fā)展去了的通用系統(tǒng)則可以同時(shí)收集兩種信號(hào)。2.5.2 聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)聲發(fā)射檢測(cè)中，由于構(gòu)件或試件的固有頻率部分得到了加強(qiáng)亦或是可能出現(xiàn)較為明顯的頻散現(xiàn)象，導(dǎo)致通常檢測(cè)出的信號(hào)是經(jīng)多次反射和波形變換后的較為復(fù)雜的信號(hào)。這些信號(hào)中有的波形會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的畸變，信號(hào)的波形前沿會(huì)出現(xiàn)變鈍的現(xiàn)象，甚至波的一個(gè)峰可能分離變成多個(gè)峰。接收過程中信號(hào)一般都會(huì)發(fā)生變化，這是因?yàn)樵诮邮諘r(shí)對(duì)信號(hào)做了加權(quán)處理。其工作的基本原理是:換能器接收畸變的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電子線路的處理，最后由顯示器顯示出來。對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理的方法大致可分為三類:按隨即信號(hào)處理

37、、按確定信號(hào)處理以及其他方法。超過門檻的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過特征提取電路轉(zhuǎn)換為幾個(gè)信號(hào)特征參數(shù)。其中，振鈴計(jì)數(shù)、有效值電壓和平均信號(hào)電壓等是連續(xù)信號(hào)參數(shù)，突發(fā)信號(hào)的參數(shù)主要有能量計(jì)數(shù)、撞擊事件計(jì)數(shù)、幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間和時(shí)差。如下圖。振鈴計(jì)數(shù)圖2.1常用聲發(fā)射參數(shù)示意圖(1)門檻值(threshold)門檻值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要設(shè)定出某一特定的數(shù)值，使得在聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過該值時(shí)，能被聲發(fā)射儀器監(jiān)測(cè)出并記錄下來，單位為分貝(dB)。(2)振鈴計(jì)數(shù)振鈴計(jì)數(shù)是指一個(gè)事件撞擊傳感器使傳感器形成振鈴，在這個(gè)過程中形成了一個(gè)個(gè)超過閥值的電信號(hào)的振蕩波，越過門檻信號(hào)的振蕩次數(shù)。振鈴計(jì)數(shù)可以分為計(jì)數(shù)率

38、和總計(jì)數(shù)。振鈴計(jì)數(shù)是最常用的聲發(fā)射評(píng)估技術(shù)的一種參數(shù)。振鈴計(jì)數(shù)適宜于表征連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)和突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，而且又能大致反映信號(hào)的頻度和強(qiáng)度，使得信號(hào)變得簡(jiǎn)便容易處理，因此被廣泛地用于評(píng)價(jià)聲發(fā)射的活動(dòng)性。但是門檻的高低對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的振鈴計(jì)數(shù)有很大影響，同樣的信號(hào)可能會(huì)因?yàn)殚T檻的不同而產(chǎn)生不同的振鈴計(jì)數(shù)，高門檻會(huì)減少振鈴計(jì)數(shù)，而且門檻的高低偏差的變化幅度越大，振鈴計(jì)數(shù)的變化也越大。(3)有效值電壓和平均信號(hào)電平 信號(hào)均方根值(RMS因測(cè)量簡(jiǎn)便且受門檻的影響小而適用于連續(xù)型信號(hào)，主要用來對(duì)連續(xù)型聲發(fā)射的活動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。信號(hào)均方根值跟聲發(fā)射的大小有關(guān)，用V表示，是指采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的方均根值。平均信

39、號(hào)電平(ASL)提供的用途和信息類似于信號(hào)均方根值，是指采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)的電平均值，但它是對(duì)連續(xù)型信號(hào)特別有用，這類連續(xù)信號(hào)的幅度動(dòng)態(tài)范圍要求比較高但時(shí)間分辨力的要求不高。另外平均信號(hào)電平也可用于測(cè)量背景噪聲水平。(4)能量(energy)能量計(jì)數(shù)可以分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率兩種，是指信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積。能量計(jì)數(shù)對(duì)門檻、傳播特性和工作頻率不是很敏感，可以反映出事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度。能量計(jì)數(shù)可以取代振鈴計(jì)數(shù)，試件中的裂紋每向前擴(kuò)展一步便會(huì)釋放出一次能量，所以可以將聲發(fā)射曲線所包含的面積作為能量的量度。由于能量是用計(jì)數(shù)表示的，所以計(jì)數(shù)值越大就表示聲發(fā)射信號(hào)包含的面積越大。能量計(jì)數(shù)也可以用于鑒別波源的類

40、型。(5)聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)(event count)和撞擊計(jì)數(shù)(hits)撞擊(hit)是指超過門檻值并導(dǎo)致某一系統(tǒng)通道獲取數(shù)據(jù)的任一聲發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)撞擊的累計(jì)計(jì)數(shù)被稱為撞擊計(jì)數(shù)(hits)。撞擊一般可以分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率。單位時(shí)間內(nèi)的累計(jì)個(gè)數(shù)就是計(jì)數(shù)率。撞擊計(jì)數(shù)可以反映出聲發(fā)射的活動(dòng)總量和頻度，常常用于評(píng)價(jià)聲發(fā)射的活動(dòng)性。當(dāng)聲發(fā)射事件發(fā)生時(shí)，通過介質(zhì)傳播的信號(hào)可能被好幾個(gè)傳感器所接收并且形成幾個(gè)撞擊。但是對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)來說，通過一個(gè)或者幾個(gè)撞擊鑒別出來的一次材料的局部變化就是一個(gè)聲發(fā)射事件。所以聲發(fā)射事件數(shù)是指檢測(cè)系統(tǒng)累計(jì)出的經(jīng)過鑒別的聲發(fā)射事件結(jié)果，它同樣也可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率。聲發(fā)射事件數(shù)

41、主要用于對(duì)聲發(fā)射源的活動(dòng)性及定位集中度進(jìn)行評(píng)價(jià)，它不單單反映出聲發(fā)射事件的總量，同時(shí)還反映了聲發(fā)射事件的頻度。撞擊時(shí)間(time of hit )是指由聲發(fā)射檢測(cè)儀所接收到超過所設(shè)置的門檻值的一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)瞬間的值，單位為us(微秒)，也被稱作測(cè)試時(shí)間。(6)幅度(amplitude)幅度是指聲發(fā)射信號(hào)波形在一個(gè)聲發(fā)射事件當(dāng)中的最大振幅值，是聲發(fā)射信號(hào)的一個(gè)重要參數(shù)，單位為dB，常用于波源的類型鑒別、衰減及強(qiáng)度的測(cè)量。它不受門檻值的影響，與事件的大小有直接關(guān)系，可以直接決定事件的可測(cè)性。(7)持續(xù)時(shí)間 (duration)持續(xù)時(shí)間是指第一次越過門檻值到最后降至門檻期間的事件信號(hào)所經(jīng)歷的時(shí)間間隔

42、，以u(píng)s(微秒)表示。持續(xù)時(shí)間約為傳感器每一次振蕩的時(shí)間周期與振鈴計(jì)數(shù)的乘積。持續(xù)時(shí)間和振鈴計(jì)數(shù)相關(guān)，和振鈴計(jì)數(shù)非常相似，但它常被用來鑒別特殊波源的類型和噪聲。(8)其他聲發(fā)射參數(shù)上升時(shí)間(rise time )，是指信號(hào)第一次越過門檻直至最大振幅所經(jīng)過的時(shí)間間隔，用us表示。上升時(shí)間表示事件信號(hào)超過門檻的水平到達(dá)峰值所經(jīng)歷的時(shí)間。由于易受傳播的影響而導(dǎo)致其物理意義變得很不明確，有時(shí)用于機(jī)電噪聲鑒別來濾除電子噪聲和電子噪聲。峰值計(jì)數(shù)(counts to peak )，信事件號(hào)第一次越過門檻到最大振幅所歷程的時(shí)間間隔中的聲發(fā)射信號(hào)的振鈴計(jì)數(shù)，單位:個(gè)。時(shí)差，是一個(gè)聲發(fā)射波到達(dá)各個(gè)不同的傳感器的時(shí)

43、間差，用us表示?？梢酝ㄟ^時(shí)差的大小、傳播速度和傳感器的間距來計(jì)算出聲發(fā)射的波源位置，然后預(yù)測(cè)出缺陷所在的位置以便做下一步的檢測(cè)分析。外變量，外變量不屬于信號(hào)參數(shù)，而屬于撞擊的信號(hào)參數(shù)的數(shù)據(jù)集，它可以用來分析聲發(fā)射的活動(dòng)性，了解試驗(yàn)過程中聲發(fā)射參數(shù)和外變量的變化之間的互相關(guān)系。第三章 花崗巖巖爆模擬實(shí)驗(yàn)第三章 花崗巖巖爆模擬實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)巷道成巷及非彈性變形區(qū)擴(kuò)大過程中應(yīng)力的變化規(guī)律，采用雙向加壓系統(tǒng)模擬巷道的受力狀態(tài)，軸向應(yīng)力、橫向應(yīng)力開始按一定比例增加到一定程度，然后橫向應(yīng)力卸載，軸向應(yīng)力繼續(xù)加壓至巖石試件破壞。通過巖爆模擬實(shí)驗(yàn)分析巖爆影響因素，獲取聲發(fā)射、力學(xué)變化的各種參數(shù)，分析

44、水對(duì)巖爆的影響及不同含水情況下聲發(fā)射變化的特征與規(guī)律。3.2 試樣制取設(shè)備1）DJ-4型自動(dòng)巖石切割機(jī)DJ-4自動(dòng)巖石切割機(jī)采用無級(jí)調(diào)速，自動(dòng)切割（雙刀切割），用于切取各種形狀的標(biāo)本。該機(jī)由切片工作臺(tái)、調(diào)速電機(jī)及電器控制等部分組成，以多種鋼材為主焊接機(jī)架，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定可靠。采用自來水冷卻。主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）鋸片直徑：600mm；（2）最大可切試樣：230×230×400mm；（3）切割線速度：33-45m/min；（4）縱向進(jìn)給速度：工進(jìn)6-60mm/min；（5）調(diào)速范圍：125-1250rpm；（6）工作時(shí)間：連續(xù)；（7）環(huán)境溫度：-5 40；圖3.1 DJ

45、-4型自動(dòng)巖石切割機(jī)2）SHM-200型雙端面磨石機(jī)SHM-200型雙端面磨石機(jī)是各類巖石，混凝土等非金屬固體進(jìn)行力學(xué)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣本制作的必備主要設(shè)備，適用于大專院校水利水電，地質(zhì)礦產(chǎn)，交通，建筑等部門。該機(jī)由基座工作臺(tái)，磨削動(dòng)力頭，變速傳動(dòng)系統(tǒng)，電控裝置等部分組成，整機(jī)操作方便，自動(dòng)進(jìn)給性能穩(wěn)定。主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）工作臺(tái)電機(jī)功率：0.55KW，轉(zhuǎn)速：1450rpm；（2）磨削動(dòng)力頭功率：1.1KW  2臺(tái)  轉(zhuǎn)速2750rpm；（3）削磨直徑：200mm；（4）可磨樣本規(guī)格：方塊25×25×25150×150×150mm，圓柱2

46、5150mm；（5）標(biāo)本精度：平面度50mm，范圍內(nèi)公差±0.05mm，光潔度Ra3.2；（6）自動(dòng)磨削進(jìn)給量：0.040.12Mm深刻可調(diào)；（7）冷卻裝置：自來水冷卻。圖3.2 SHM-200型雙端面磨石機(jī)3）GZX-9070MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱GZX-9070MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱（熱空氣消毒箱）是供工礦企業(yè)、化驗(yàn)室、科研單位等干燥、烘培、熔蠟、滅菌作用。采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)流線型圓弧設(shè)計(jì)，外殼采用冷軋鋼板制造，表面靜電噴塑；本機(jī)溫控系統(tǒng)采用微電腦單片機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)具有控溫、定時(shí)和超溫報(bào)警等功能；合理風(fēng)道和循環(huán)系統(tǒng)，使工作室內(nèi)溫度均勻度變化?。徊捎秒p屏高亮度數(shù)碼管顯示，示值準(zhǔn)確直觀，性能

47、優(yōu)越，觸摸式按鍵設(shè)定調(diào)節(jié)；內(nèi)膽均為鏡面不銹鋼材料制成，半圓形四角設(shè)計(jì)使清潔更方便；工作室內(nèi)擱架可隨用戶的要求任意調(diào)節(jié)高度以及擱架的數(shù)量；采用進(jìn)口電機(jī)及風(fēng)葉，具有空氣對(duì)流微風(fēng)裝置，內(nèi)腔空氣可以更新循環(huán)；箱門具備大視角觀察玻璃窗，便于用戶觀察，采用納米材料門封條及保溫材料令整機(jī)性能體現(xiàn)更優(yōu)越。主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）產(chǎn)品類型：微電腦普通型；（2）電源電壓：AC 220V±10%/50Hz±2%；（3）控溫范圍：室溫+5250；（4）溫度分辨率：1；（5）溫度波動(dòng)度：±1；（6）溫度均勻度：±1；（7）輸入功率：1100W；（8）內(nèi)膽尺寸：450×4

48、00×450mm，外形尺寸：740×530×630mm；（9）載物托架：2塊；（10）定時(shí)范圍：0-999分鐘。圖3.3 GZX-9070MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱4）ZS-100巖石鉆孔取樣機(jī)ZS100型全自動(dòng)鉆孔取樣機(jī)來自于姜堰市華能石油化工機(jī)械廠，ZS100型全自動(dòng)鉆孔取樣機(jī)適用于鉆取各類巖礦石、混凝土等非金屬圓柱體樣品標(biāo)本，換裝25100mm范圍的金剛石鉆頭，可鉆取其所需要長(zhǎng)度350mm的圓柱標(biāo)本，自動(dòng)取芯，自動(dòng)升降回位停止。操作方便。該機(jī)可與雙端面磨石機(jī)、巖石切割機(jī)配套使用。 主要技術(shù)參數(shù)：（1）圓柱直徑：25100 mm；（2）主機(jī)功率：2.2 KW；（3

49、）升降電機(jī)：0.55 KW；（4）最大鉆孔深度：350 mm 圖3.4ZS-100巖石鉆孔取樣機(jī)3.3 試驗(yàn)樣品的選取與加工本文主要談?wù)撍畬?duì)巖石巖爆的影響，發(fā)生巖爆的金屬礦山(如玲瓏金礦、金川二礦)巖石類型主要是花崗巖，所以實(shí)驗(yàn)巖樣選取巖爆傾向性較強(qiáng)的花崗巖。為了達(dá)到本次實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果且具有更好的代表性，取樣時(shí)對(duì)巖石進(jìn)行層位、方位及受力方向標(biāo)記，并將巖石粗加工程塊狀，為長(zhǎng)×寬×高為150×150×150mm的立方體，以方便運(yùn)輸及實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣切割。為了盡可能保持樣品的天然含水量，避免暴露于空氣中而發(fā)生風(fēng)化影響，樣品表面采用多層食品保鮮膜包裹；為減小樣

50、品在運(yùn)輸途中可能發(fā)生的破壞，在巖石樣品表面外面包扎多層紙皮，并存放于制作牢固的木箱內(nèi)，且樣品石塊之間用木屑和紙皮充填密實(shí)，然后裝車運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。到實(shí)驗(yàn)室后要對(duì)巖塊先進(jìn)行篩選，必須保證在統(tǒng)一完整且不包括節(jié)理裂隙等明顯可見缺陷。因?yàn)樵谝粋€(gè)小試樣中的節(jié)理、裂隙是隨機(jī)的，不具有代表性。首先將巖塊經(jīng)DJ-4型自動(dòng)巖石切割機(jī)，采用濕式加工法制備巖樣。采用濕式加工法主要是防止切割巖塊時(shí)巖石與轉(zhuǎn)盤摩擦產(chǎn)生大量熱量影響巖樣的力學(xué)特性。然后將制備好的試樣在SHM-200型雙端面磨石機(jī)上磨平巖樣的6個(gè)端面,最后經(jīng)過人工打磨,試樣兩端面高度差不大于0.05 mm,端面不平整度誤差不大于0.02 mm。最后對(duì)選取好的試

51、件測(cè)定其尺寸，所選用的是精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺。分別對(duì)兩端及中間三個(gè)面進(jìn)行測(cè)量，看是否符合所需尺寸，如果不合格，則繼續(xù)磨平，直到合格為止。3.4 試樣處理選擇12塊符合規(guī)格的巖樣，長(zhǎng)×寬×高為150×150×150mm的立方體，在中心正對(duì)著的兩面鉆孔（=45mm），一面孔深50mm，另一面孔深90mm的孔，孔間留厚度10mm巖層。分兩組，每組4塊，進(jìn)行如下處理。1）干燥試件制備將試件置于GZX-9070MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在105恒溫下烘48h。期間烘干24小時(shí)后，取出后放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱量；再次間隔24小時(shí)，取出稱量。若兩次稱量，試

52、件質(zhì)量變化率在0.1%之內(nèi)，即為滿足要求。最后將試樣用塑料保鮮膜包裹好。2）飽和含水試件制備采用自由浸水法飽和，將干燥后的巖樣放入水槽中，先注水至試樣高度的1/4，以后每隔2h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6h后全部浸沒試樣，試樣在水中浸泡48h。3.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）RLW-3000微機(jī)控制雙軸試驗(yàn)機(jī)RLW3000型微機(jī)伺服巖石雙軸試驗(yàn)機(jī)是巖石力學(xué)領(lǐng)域研究巖石在多種環(huán)境下力學(xué)特性的先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備。該機(jī)可以自動(dòng)完成巖石的單軸、雙軸、蠕變?cè)囼?yàn)該測(cè)控器的操作方便，容錯(cuò)性強(qiáng)、測(cè)量準(zhǔn)確、保護(hù)功能全、控制精度高。（1）最大軸向試驗(yàn)力3000KN；（2）最大圍壓100MPa；（3）變形測(cè)量范圍010m

53、m（軸向）、05mm徑向；（4）試驗(yàn)力精度±1；（5）變形測(cè)量精度±1；（6）圍壓測(cè)量精度±2；（7）試驗(yàn)力控制精度±2%（8）圍壓長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定度±2%（9）壓力室內(nèi)凈空間（mm)：180×300圖3.5 RLW-3000微機(jī)控制剪切蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)2）PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)聲學(xué)物理公司PAC（Physical Acoustic Corporation）生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)。該AE系統(tǒng)是該公司推出的最新產(chǎn)品，采用了PCI板卡，最大程度的降低了采集噪聲?？梢燥@示聲發(fā)射信號(hào)幅度，存儲(chǔ)、顯示分析結(jié)果數(shù)據(jù)。由于PCI

54、-2AE系統(tǒng)采用的是全數(shù)字式系統(tǒng)，具有超快處理速度，低門檻值以及可靠的穩(wěn)定性。PCI-2板卡主要有如下特點(diǎn)：（1）18位A/D，極低噪聲，低門檻值設(shè)置；（2）頻帶寬度可達(dá)3kHz3MHz；（3）實(shí)時(shí)顯示并可以10MSample/sec(一個(gè)通道)，5MSample/sec（兩個(gè)通道）的速度將波形數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到硬盤；（4）采集頻率可達(dá)40MHz；（5）每個(gè)通道有4個(gè)高通、6個(gè)低通慮波選擇；（6）采用數(shù)字信號(hào)處理電路幾乎消除了漂移，使系統(tǒng)更加精確，更加可靠；（7）具有自動(dòng)傳感器校準(zhǔn)功能（AST）。圖3.6 PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)采用的是實(shí)時(shí)采集/分析軟件AEwin。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以

55、進(jìn)行WINDOWS環(huán)境下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、外參量輸入采集及分析軟件包。包括前端數(shù)字濾波，AE特征提取、報(bào)警輸出，2D，3D圖形，多參數(shù)分析、相關(guān)分析、聚類分析；小波分析及相關(guān)分析，F(xiàn)FT分析，靈活的圖形功能，圖形打印及輸出等。3.6 不同含水花崗巖巖爆聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)選取不同含水狀態(tài)下花崗巖，干燥花崗巖編號(hào)為GHG-1、GHG-2、GHG-3、GHG-4，飽水花崗巖編號(hào)為BSHG-1、BSHG-2、BSHG-3、BSHG-4，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：1) 實(shí)驗(yàn)前將應(yīng)變片在孔洞右側(cè)內(nèi)壁距離孔邊3cm處貼好。測(cè)量巖樣尺寸，稱量巖樣重量，試件各面進(jìn)行編號(hào)并拍照，填寫試樣信息基本參數(shù)表。2) 連好應(yīng)變儀，

56、將聲發(fā)射、放大器、探頭連接好，在試件預(yù)定位置用橡皮條固定聲發(fā)射探頭，采用凡士林將試件表面與探頭接觸面耦合。3) 將試樣置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)節(jié)各墊片使試件中心與加載中心重合。4) 各人員分別對(duì)自己負(fù)責(zé)的設(shè)備進(jìn)行基本設(shè)置。5) 打開壓力機(jī)閥門，手動(dòng)控制預(yù)加載到5kN，然后關(guān)閉內(nèi)側(cè)閥門，計(jì)算機(jī)控制加載，水平載荷以力控制方式以800N/s加到300KN，軸向預(yù)加載300KN。此時(shí)軸向加載、聲發(fā)射、應(yīng)變儀、監(jiān)控設(shè)備同步開始。6) 軸向以0.3mm/min加載到1125KN，水平方向以25mm/min卸載，軸向繼續(xù)加載，直到發(fā)生巖爆為止。7) 分別記錄各應(yīng)力曲線變化階段巖樣有何破裂現(xiàn)象，力保持和卸載的

57、具體時(shí)間；由監(jiān)控記錄孔洞表面附近彈射的時(shí)間、彈射現(xiàn)象及具體位置；彈射前后聲發(fā)射有何特征，以及聲發(fā)射出現(xiàn)異常特征的具體時(shí)間。8) 試驗(yàn)結(jié)束后，保存壓力機(jī)力學(xué)數(shù)據(jù)、輸出聲發(fā)射數(shù)據(jù)。保存監(jiān)控視頻；保存應(yīng)變數(shù)據(jù)。9) 對(duì)巖樣破裂形態(tài)拍照，并收集巖樣孔洞內(nèi)壁附近的懸浮碎片，用紙包好并寫好編號(hào)，然后取下巖樣四個(gè)面拍照。試樣實(shí)驗(yàn)如圖：圖3.7 干燥巖樣在機(jī)器中準(zhǔn)備加載圖3.8 飽水巖樣在機(jī)器中準(zhǔn)備加載3.7 本章小結(jié)本章首先介紹了實(shí)驗(yàn)方案，然后介紹了試樣的制備、試樣制備的設(shè)備和制備方法。最后則是進(jìn)行試樣處理，進(jìn)行花崗巖巖爆模擬實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)介紹了試樣的制備和實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)期間，觀察聲發(fā)射、力學(xué)曲線和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，正確的試驗(yàn)設(shè)計(jì)、方法、操作及準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的觀察記錄，才能確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整無誤的采集，為后來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析做準(zhǔn)備。河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析4.1 巖爆實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及破壞分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干燥狀態(tài)和含水情況下都有明顯的巖爆現(xiàn)象發(fā)生。軸向應(yīng)力達(dá)到一定程度有掉渣現(xiàn)象。隨著載荷的增加