D01:10.133741.ism1001053x.2007.s2.061 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 宋波)李悦)董鑫)王培福 1)北京科技大学士木与环境工程学院.北京1000832)山东招金集团公司.山东招远265400 摘要针对金属矿山特有的地理地质条件，开展相应岩石声发射试验，确定矿区矿体围岩的时间序列特征.获得岩石破裂 冒落声发射参数的危险临界值.并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有 结构弱面的岩石试件进行比较试验，总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元 程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究，通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤，通过不同的模拟条件来研究岩石的破 坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径. 关键词矿山监测：声发射：时间序列：岩石损伤：颗粒元模拟 分类号TD76 目前，声发射监测技术已在我国的金属矿山中 化的特征进行试验研究.考虑含裂隙岩体信号突变 有了较广泛的应用.矿山巷道冒顶片帮的发生必然 的影响.研究了岩石试验破裂后期残余承载时段声 经历岩石裂缝的开裂和发展过程，最后达到失稳的 发射信号，以确定矿体、围岩体的物理力学性质和声 状态.在这个过程中就会产生岩石声发射，如果能 发射规律，力图寻找岩石破坏过程的声发射参数的 监测这些声信号的变化并加以研究和总结就能及时 时序变化特性.利用颗粒元程序对含裂隙岩石试样 的对冒顶片帮进行预警预测！.但什么样的声发射 的物理力学性质进行研究，利用较低刚度的接触刚 信号对应着岩石的破坏开展，怎么针对不同岩性和 度模型面来模拟岩石内部的损伤，通过不同的模拟 水文地质条件来确定岩石冒顶前兆的临界值是灾害 条件来研究岩石的破坏情况.以期为岩石声发射监 预测的关键问题， 测预报技术的现场应用提供依据.提高岩石稳定性 秦四清习等人对岩石的声发射进行了大量的 声发射监测预报的准确率 研究，包括岩石的凯塞效应、岩石声发射的空间分析 特征以及岩石断裂过程中的声发射特征.李银平3 1岩体声发射时间序列特征的试验 等采用含预制裂隙大理岩块试件对压剪应力场中试 研究 件破坏过程声发射特征进行研究.陈忠辉等利对三 首先确定岩石试样的受力与变形之间的关系 维应力状态下岩石快速加卸载围压对声发射的影响 岩石在荷载作用下会产生弹性变形和塑性变形.在 进行了理论探讨.Myr等研究了多孔岩石在不同 破坏前的变形性质可以通过测定其应力与应变的关 压缩应力下的变形破坏特征，指出张性微裂纹的扩 系体现.在确定岩石试样的变形发展的过程中，确 展是引起岩石产生非线性变形的重要原因. 定声发射信号的主要频率范围，采用适宜的采集探 由于相关文献56对岩石破坏全过程声发射 头研究岩石变形过程中声发射信号特征 特征，特别是声发射参数与时间变量之间的特征关 1.1试验系统组成 系尚研究得不多，并且在岩石受力变形直至破坏的 为了获得金属矿山工业矿体及其围岩受荷载破 过程中岩石塑性变形过程，是非等时变化的.对于 坏的声发射信号时间序列发展趋势和破坏临界值， 岩石声发射监测技术的应用来说，主要是依据声发 了解岩石试样在受力过程中裂纹的发展规律，在对 射参数对时间的变化过程来对岩石的稳定性进行评 不同岩石试验的单轴压缩过程中，引入了A21C声 价7明 发射检测系统来获取声发射信号，分析在不同条件 基于山东某金属矿山的工业矿体试样，通过对 下的岩石试验结果.试验系统组成结构如图1所 单轴受压岩石破坏的全过程、声发射参数对时间变 示 1.2试样的制备 收稿日期：2007-09-15 作者简介：宋波(1962一)，男，教授博导，博士 根据试验要求，岩石试样材料取自矿山围岩钻金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 宋 波1) 李 悦1) 董 鑫2) 王培福2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 山东招金集团公司, 山东 招远 265400 摘 要 针对金属矿山特有的地理地质条件, 开展相应岩石声发射试验, 确定矿区矿体围岩的时间序列特征, 获得岩石破裂 冒落声发射参数的危险临界值, 并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有 结构弱面的岩石试件进行比较试验, 总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元 程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究, 通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤, 通过不同的模拟条件来研究岩石的破 坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径. 关键词 矿山监测;声发射;时间序列;岩石损伤;颗粒元模拟 分类号 TD76 收稿日期:2007-09-15 作者简介:宋波( 1962—) , 男, 教授, 博导, 博士 目前, 声发射监测技术已在我国的金属矿山中 有了较广泛的应用.矿山巷道冒顶片帮的发生必然 经历岩石裂缝的开裂和发展过程, 最后达到失稳的 状态.在这个过程中就会产生岩石声发射, 如果能 监测这些声信号的变化并加以研究和总结就能及时 的对冒顶片帮进行预警预测[ 1] .但什么样的声发射 信号对应着岩石的破坏开展, 怎么针对不同岩性和 水文地质条件来确定岩石冒顶前兆的临界值是灾害 预测的关键问题 . 秦四清 [ 2] 等人对岩石的声发射进行了大量的 研究, 包括岩石的凯塞效应、岩石声发射的空间分析 特征以及岩石断裂过程中的声发射特征 .李银平[ 3] 等采用含预制裂隙大理岩块试件对压剪应力场中试 件破坏过程声发射特征进行研究 .陈忠辉等[ 4] 对三 维应力状态下岩石快速加卸载围压对声发射的影响 进行了理论探讨 .My er 等研究了多孔岩石在不同 压缩应力下的变形破坏特征, 指出张性微裂纹的扩 展是引起岩石产生非线性变形的重要原因. 由于相关文献[ 5-6] 对岩石破坏全过程声发射 特征, 特别是声发射参数与时间变量之间的特征关 系尚研究得不多, 并且在岩石受力变形直至破坏的 过程中岩石塑性变形过程, 是非等时变化的.对于 岩石声发射监测技术的应用来说, 主要是依据声发 射参数对时间的变化过程来对岩石的稳定性进行评 价[ 7-9] . 基于山东某金属矿山的工业矿体试样, 通过对 单轴受压岩石破坏的全过程、声发射参数对时间变 化的特征进行试验研究 .考虑含裂隙岩体信号突变 的影响, 研究了岩石试验破裂后期残余承载时段声 发射信号, 以确定矿体 、围岩体的物理力学性质和声 发射规律, 力图寻找岩石破坏过程的声发射参数的 时序变化特性.利用颗粒元程序对含裂隙岩石试样 的物理力学性质进行研究, 利用较低刚度的接触刚 度模型面来模拟岩石内部的损伤, 通过不同的模拟 条件来研究岩石的破坏情况 .以期为岩石声发射监 测预报技术的现场应用提供依据, 提高岩石稳定性 声发射监测预报的准确率. 1 岩体声发射时间序列特征的试验 研究 首先确定岩石试样的受力与变形之间的关系. 岩石在荷载作用下会产生弹性变形和塑性变形.在 破坏前的变形性质可以通过测定其应力与应变的关 系体现.在确定岩石试样的变形发展的过程中, 确 定声发射信号的主要频率范围, 采用适宜的采集探 头研究岩石变形过程中声发射信号特征. 1.1 试验系统组成 为了获得金属矿山工业矿体及其围岩受荷载破 坏的声发射信号时间序列发展趋势和破坏临界值, 了解岩石试样在受力过程中裂纹的发展规律, 在对 不同岩石试验的单轴压缩过程中, 引入了 AE21C 声 发射检测系统来获取声发射信号, 分析在不同条件 下的岩石试验结果.试验系统组成结构如图 1 所 示 . 1.2 试样的制备 根据试验要求, 岩石试样材料取自矿山围岩钻 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.061