矿山岩石破裂致灾损伤演化与声发射时频信息特性关系实验研究

Geological disaster caused by the rupture of rock is one of the main hazards of human security, so to carry out monitoring, identification and early warning of disasters are the key work to disaster prevention and mitigation. This project will take the acoustic emission information of the rupture of rock as the main research object, firstly, to carry out experimental research on the time domain and frequency domain characteristics of acoustic emissions that are generated in catastrophic damage process of rock with the acoustic emission monitoring system, ultrasonic flaw detector and other equipment. Then to reveal the original damage, the damage evolution of rock, AE (P-wave, S-wave) evolution regular and the damage characteristics of rock, which under different influence factors (lithology, moisture content,loading mode,etc.).Focusing on studying the corresponding relationship between the information of AE and the damage evolution of rock,and the influencing factors of the relationship. Carrying on big data analysis and early warning model research of the disaster rupture of rock based on plenty of experimental data, to explore the rupture disaster process of rock's AE precursory information, then to provide a theoretical basis for the AE monitoring and early warning of the rupture disasters of rock. The research results for the promotion of AE techniques of monitoring rock mass stability and the mining geology and engineering disaster's early warning monitoring have an important practical significance.

岩石破裂灾变引发的地质灾害是危害人类安全的主要灾害之一，对灾害开展监测、识别与预警工作是防灾减灾的关键。本项目以岩石致灾破裂的声发射时频信息为主要研究对象，利用声发射监测系统和超声波探伤仪等设备，系统开展岩石在灾变损伤过程中的声发射时域及频域特性实验研究。揭示岩石原始损伤、破裂灾变损伤演化在不同影响因素（岩性、含水、加载方式等）条件下声发射（纵波、横波）演化规律及岩石损伤特性。着重研究声发射时频信息与岩石灾变损伤演化表征之间对应关系及对该关系的影响因素。在丰富的实验数据基础上，进行致灾破裂大数据分析及预警模式研究，探寻岩石致灾破裂声发射前兆信息，为声发射监测、预警岩石破裂灾害提供理论依据。研究成果对于促进声发射技术用于岩体稳定性监测、矿山地质和工程灾害的监测预警有重要的现实意义。

本项目以岩石破裂过程损伤信息为研究主线，围绕岩石破裂过程损伤探测、初始及动态损伤评价、损伤过程声发射时频特征及损伤信息大数据分析开展系统性实验研究，达到了预期目标。研究成果如下：（1）针对岩石破裂过程损伤探测及评价，建立了基于波速场区域相关性的岩石损伤声发射探测及成像理论和方法，率先实现了基于声发射监测设备的岩石损伤可视化探测与量化评价，为进一步实现岩石破裂过程损伤–声发射一体化监测奠定坚实基础。（2）基于提出的岩石损伤声发射探测及成像方法，以损伤成像波速场为基础，构建了岩石初始损伤及破裂过程动态损伤的量化评价方法，提取的损伤变量及损伤成像信息，能够从时间和空间的角度综合表征岩石的损伤状态，揭示了岩石破裂过程损伤发展演化规律，对工程现场岩体损伤评价、稳定性分析具有重要意义。（3）首次将横波、纵波共同纳入到岩石声发射特征研究范畴，探讨了不同岩性、不同含水条件下岩石破裂过程声发射横、纵波时频特征，揭示了岩石破裂过程声发射横、纵波信号时频特征的异同点，发现了岩石破裂过程中高能量横、纵波声发射信号均表现出低频高幅值特征的基本规律，丰富和完善了对岩石破裂过程不同模式声发射信号优势前兆特征的认识，为建立基于声发射的岩石破裂预测方法提供科学依据。（4）从岩石破裂灾变预警的角度出发，提出了岩石破裂失稳关键特征信号的定义及识别准则，构建了基于能量贡献率的关键事件声发射信号优选方法。进一步以岩石破裂损伤与声发射信息为基础，设计并构建了岩石损伤大数据分析数据仓库，揭示了岩石破裂过程关键损伤状态与声发射特征之间的关系，提出了岩石破裂灾变关键损伤状态的反演与识别方法，形成了基于关键损伤状态识别的岩石破裂灾变预警新思想。研究成果可为工程岩体损伤探测、评价及灾变预警提供关键的基础理论支撑和技术支持。