岩石力学中的声发射技术：从地应力测量到灾害预警

在岩石力学领域，我们始终在寻求更精准的方法来洞察岩体内部深藏的秘密。声发射（Acoustic Emission, AE）技术，正是一种能够让我们“聆听”岩石内部状态的无损检测手段。它并非依靠外部声源，而是通过捕捉岩石自身因受力变形而发出的“声音”——即弹性波，来侦察其内部的力学特性与损伤演化过程。

这一现象的物理本质在于：当岩石承受外力时，其内部既有的或新生的微裂纹尖端会产生应力集中，积聚大量的应变能。当应力累积到特定阈值，裂纹发生扩展，导致局部应力弛豫，一部分储存的能量便以弹性波的形式瞬时释放。这个过程，就是声发射。这些信号的频率跨度极大，从低于0.01 Hz的天然地震波，到实验室岩样测试中高达数百千赫的超声波信号，都属于声发射的范畴。

利用凯塞效应（Kaiser Effect）测量地应力

地应力是岩土工程设计与施工中至关重要的参数，而声发射的不可逆效应——即凯塞效应（Kaiser Effect），为我们提供了一种巧妙的估算方法。该效应指出，材料在经历一次加载后，若再次加载，只有当应力水平超过上一次的最大值时，才会产生显著的声发射活动。

在实际操作中，测量地应力的过程相当严谨。首先，需要从大块岩石上沿特定方向（如图2所示，通常为9个方向）钻取圆柱形试样（例如，Φ30 cm × 90 cm）。为了避免加载过程中试样端部因应力集中而提前破坏，影响结果的准确性，常在两端粘接水泥-环氧树脂混合物，将其塑造成哑铃形。

图1 岩石声发射的实验测试系统框图

在正式试验前，必须通过预备性的加载-卸载循环试验，验证取自不同方向的岩样是否均表现出清晰的凯塞效应。只有确认了声发射的不可逆性，才能进行下一步。

图2 测量岩石地应力的9组取样方向

随后，对这9组试样逐一进行单轴压缩试验，并同步监测声发射信号。当加载应力达到某个临界点时，声发射信号会突然激增，这个点对应的载荷便被认为是该方向上岩石曾经承受过的最大地应力。根据这9个方向的单轴地应力数据，再结合弹性力学理论，即可计算出该区域的三向主应力大小及其方向。这一系列复杂的实验流程和数据分析，对操作的规范性和结果的解读能力提出了极高要求。

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模拟与研究地震序列

宏观的地震活动，如前震-主震-余震序列，揭示了地壳活动的内在关联。若能掌握其规律，根据前震预报主震便可能成为现实。实验室内的岩石破裂声发射序列，为模拟这一宏伟的自然过程提供了绝佳的微观视角。

研究发现，岩石在受力破坏过程中的声发射序列特征，与其内部的均匀性高度相关：

• 高度均匀的岩石：在最终发生宏观大破裂之前，声发射活动极少，类似于“主震型”地震，能量集中释放。
• 不均匀的岩石：在大破裂前，会伴随一系列声发射事件，这与“前震型”地震相似。
• 极不均匀的岩石：从受力开始，声发射活动便持续不断，且强度和频度随应力增加而递增，直至最终破坏，这对应着“震群型”地震。

研究者普遍认为，岩石介质的不均匀性是导致这三种不同破裂模式（或地震类型）的关键内在因素。当然，天然地震序列的复杂性远不止于此，但声发射技术无疑为探究其成因提供了强有力的实验工具。当前，该领域的研究正向着更深、更广的方向发展：

1. 测试技术升级：通过将工作频率从声频提升至超声波频段，显著增强了仪器的抗环境噪声干扰能力。
2. 影响因素拓展：研究范围从单纯的介质均匀性，扩展到介质的弹塑性、应力作用方式乃至湿度等多重因素的综合影响。
3. 多参数综合分析：将声发射与波速、膨胀系数、地应力等其他物理参数相结合，进行多维度综合分析，以期获得更全面的认知。

矿井岩体稳定性的实时预报

在矿业工程中，岩体冒落和崩塌是威胁人员安全、导致生产中断的重大隐患。声发射技术，特别是便携式的地音监测仪器，已成为预报矿井大面积地压灾害、防患于未然的有效手段。

以锡矿的长期应用实践为例，工程技术人员已经总结出一套行之有效的岩体失稳判断指标与监听制度。他们通过连续监听5分钟，取声发射信号频度的最大值（记为N）作为评判依据：

• 稳定阶段 (N < 10)：岩体受力较小，内部无明显破坏迹象，可视为稳定状态。此时，监听周期可放宽至每周一次。
• 加速破坏阶段 (10 < N < 19)：岩体受力显著增大，内部开始产生破裂。若此状态持续，可能演变为剧烈破坏。此阶段岩体处于失稳加速期，监听周期应缩短至两天以内。
• 严重破坏阶段 (N > 20)：岩体内部破裂加速，已出现局部破坏，如矿柱片帮、顶板脱层等。若高频度声发射持续，大规模失稳（如冒顶）随时可能发生。此时，人员和设备必须迅速撤离，监听周期应加密至每天至少一次。

依据这套基于声发射监测的预警体系，曾有记录成功预报了7次矿柱片帮、顶板脱层和局部冒落事故，其在保障矿山安全生产中的价值不言而喻。