“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。地球作为岩石行星，其地壳及上地幔顶部均由岩石构成，因此，探明岩体性质是攻克地球深部战略科技难关的基础，而岩体声学特性为其提供了关键的突破口。迄今为止，地球上的诸多自然现象和人类活动中，均会释放出大量与岩体声学相关的信息，其中所蕴含着的岩体声学特征与规律对人与自然安全和谐发展至关重要。本书是一本专门介绍与研究岩体声学的专著，是作者近年来在岩体声学领域的研究成果的系统总结。书中内容教学与科研并重，理论与实践并存，突出全面性、前沿性、理论性、实用性，涵盖了岩体声波的产生机理、传播特性、波速测量、多声源定位、多声源辨识、多声源成像、岩体失稳声学前兆特征、摩擦特性等科学内容，还附有大量试验数据和工程现场应用实例。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 岩体声学的地位和作用 1
1.2 岩体声学的研究现状 3
1.2.1 岩体声学技术的实验室尺度研究 3
1.2.2 岩体声学技术的工程尺度研究 6
1.3 岩体声学技术的未来 8
参考文献 9
第2章 岩体声学参数测试方法及仪器 14
2.1 岩体声学的主要测量参数 14
2.1.1 岩体的声波速度 14
2.1.2 岩体的声波振幅 16
2.1.3 岩体的声波频率 16
2.1.4 岩体的声阻抗 16
2.1.5 岩体的声衰减系数 17
2.2 岩体声学主要参数的测量方法 17
2.2.1 声波速度的测量方法 17
2.2.2 声波振幅的测量方法 18
2.2.3 声波频率的测量方法 18
2.2.4 声衰减系数的测量方法 19
2.2.5 声学传感器的校准 19
2.2.6 声波信号处理技术 20
2.3 岩体声学测试技术所使用的仪器 21
2.3.1 岩体声学测试仪器的组成 21
2.3.2 岩体声学传感器 22
2.3.3 岩体声学测试前置放大电路 25
2.3.4 岩体声学信号处理器 27
2.3.5 分析输出与显示设备（用于测试的计算机） 27
2.3.6 岩体声学测试系统的技术指标 29
2.3.7 地声智能感知与微震监测设备 31
参考文献 34
第3章 声波在岩体中的产生机理与衰减特性 36
3.1 岩体声发射信号产生机理 36
3.2 岩体中主要的声发射源 40
3.2.1 岩体的滑移变形 40
3.2.2 裂纹的形成与扩展 42
3.2.3 岩体破裂的力学机理 45
3.3 岩体中声发射衰减规律的试验研究 47
3.3.1 声发射监测设备 47
3.3.2 试验岩石试样 47
3.3.3 声波在不同性质的岩体中传播衰减特性分析 50
3.3.4 声波在含断面岩体中传播衰减特性分析 62
参考文献 64
第4章 岩体破裂声源的定位方法 65
4.1 未知波速系统三维迭代定位法 65
4.1.1 基本原理 65
4.1.2 试验 68
4.1.3 试验结果分析 69
4.2 未知波速系统三维解析解定位法 70
4.2.1 基本原理 70
4.2.2 试验 74
4.2.3 试验结果分析 75
4.3 解析解和迭代协同定位法 86
4.3.1 基本原理 87
4.3.2 试验 89
4.3.3 试验结果分析 90
4.4 速度区间变窄的多步源定位法 96
4.4.1 基本原理 96
4.4.2 试验 98
4.4.3 试验结果分析 100
4.5 三维含孔洞结构无需预先测波速定位法 102
4.5.1 基本原理 102
4.5.2 试验 107
4.5.3 试验结果分析 115
参考文献 116
第5章 岩体声发射事件的分离方法 118
5.1 岩体声发射事件的分离方法概述 118
5.2 岩体声发射事件筛选 119
5.3 岩体声发射事件波形切割 120
5.3.1 峰值鉴别时间、撞击鉴别时间、撞击闭锁时间定时参数 120
5.3.2 持续鉴别时间、恢复时间定时参数 120
5.3.3 波形能量包络切割法 121
5.4 岩体声发射事件的识别指标 123
5.4.1 互相关系数 123
5.4.2 振铃计数 123
5.4.3 上升时间 124
5.4.4 信号强度 124
5.5 岩体声发射事件的识别方法 124
5.5.1 模板通道选择 124
5.5.2 滑动窗口扫描 125
5.5.3 时差矫正 126
5.5.4 到时提取 126
5.6 岩体声发射事件的分离试验 128
5.6.1 单峰单事件波形切割及识别 128
5.6.2 双峰多事件波形切割及识别 139
5.6.3 多峰单事件波形切割及识别 152
参考文献 162
第6章 岩体多声源的分类与机制 164
6.1 破裂声源分类 164
6.1.1 破裂声源基本类型 164
6.1.2 不同破裂声源的特征参数与波形差异 165
6.1.3 破裂声源的认知基本原则 167
6.2 破裂声源类型识别方法 167
6.2.1 声发射特征参数的判别方法 167
6.2.2 P波初动的判别方法 169
6.2.3 矩张量的判别方法 170
6.3 微观破裂类型与宏观裂纹类型的关系 171
6.3.1 峰前破裂过程中的声源类型分布特征与演化机制 171
6.3.2 峰后裂纹扩展的声源演化机制 175
6.4 基于声发射特征参数分类岩体破裂类型的不确定性 176
6.4.1 试验与数据处理 176
6.4.2 同一试验分析中的不确定性 178
6.4.3 RA-AF的衰减规律 183
6.4.4 衰减效应和计量误差 186
参考文献 187
第7章 不同加载环境下的岩体声学频谱分析 190
7.1 岩体声学频谱特征参数 190
7.1.1 频谱主频 190
7.1.2 频率质心 191
7.2 试验介绍 192
7.2.1 试验试样准备 192
7.2.2 声发射监测设备 192
7.2.3 试验设计 193
7.3 岩体单轴压缩破裂过程声学频谱特征演化规律 195
7.3.1 花岗岩单轴压缩破裂过程中声发射信号主频演化规律 195
7.3.2 紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发射信号主频演化规律 196
7.3.3 花岗岩与紫砂岩单轴压缩破裂过程中声发射信号频率质心演化特征 197
7.4 岩体双轴压缩和膨胀加载破裂过程声发射信号主频的演化规律 198
7.4.1 花岗岩双轴压缩破裂过程中声发射信号主频演化规律 198
7.4.2 花岗岩膨胀加载破裂过程中声发射信号主频演化规律 199
7.5 岩体双轴压缩和膨胀加载破裂过程声发射信号频率质心的演化规律 200
7.5.1 花岗岩双轴压缩破裂过程中声发射信号频率质心演化规律 200
7.5.2 花岗岩膨胀加载破裂过程中声发射信号频率质心演化特征 200
7.6 声发射波形频谱分布特征 201
7.6.1 单峰频谱 202
7.6.2 双峰频谱 202
7.6.3 三峰频谱 205
7.6.4 四峰频谱 207
7.6.5 声发射的功率谱与能量谱 208
7.7岩体破裂过程声发射波形频谱演化规律 211
参考文献 214
第8章 岩体破裂的尺度特征 216
8.1 b值研究现状 216
8.2 b值计算方法 217
8.2.1 最小二乘法 217
8.2.2 最大似然估计法 217
8.2.3 修正公式 218
8.3 影响b值计算的因素分析 219
8.3.1 拟合方法选择 219
8.3.2 震级间隔 219
8.3.3 震级完整性 219
8.3.4 样本数的大小 222
8.4 声发射b值的蒙特卡洛模拟 223
8.4.1 蒙特卡洛方法 223
8.4.2 蒙特卡洛方法模拟结果分析 224
8.4.3 室内花岗岩破裂试验的声发射b值分析验证 227
8.5 含水状态花岗岩单轴压缩条件下的b值特征 229
8.5.1 含水状态花岗岩破裂声发射试验 229
8.5.2 b值的计算 231
8.5.3 两种状态下花岗岩的b值演化规律 233
8.6 花岗岩真三轴压缩过程的声发射b值特征 235
8.6.1 花岗岩真三轴试验 235
8.6.2 岩体破裂过程中的b值变化特征 240
8.7 本章结论 257
参考文献 258
第9章 岩体滑移的摩擦特性 260
9.1 岩体滑移与摩擦 260
9.1.1 岩体滑移临界条件 260
9.1.2 摩擦力及摩擦系数 261
9.1.3 岩体摩擦滑移模式 261
9.1.4 岩体摩擦滑移尺度 262
9.2 岩体滑移摩擦定律与失稳判据 263
9.2.1 岩体滑移摩擦定律 263
9.2.2 岩体滑移失稳判据 264
9.3 摩擦演化试验研究方法 265
9.3.1 室内试验研究 265
9.3.2 数值试验研究 267
9.4 应力与速率依赖的摩擦特性及其声学特征 267
9.4.1 基于ABAQUS的滑移模拟 268
9.4.2 双轴剪切滑移试验 274
9.5 岩体滑移摩擦特性的其他影响因素 282
9.5.1 矿物成分 282
9.5.2 表面形貌 283
9.5.3 流体作用 283
9.5.4 温度变化 284
参考文献 284
第10章 岩体声学参数与应力状态的关系 289
10.1 单轴压缩试验声学参数与应力大小 289
10.1.1 试验条件 289
10.1.2 声发射振铃计数 291
10.1.3 声发射幅值 292
10.1.4 RA、AF值及平均频率质心 293
10.1.5 声发射事件率及波速 295
10.2 双轴压缩试验声学参数与应力大小 297
10.2.1 试验条件 297
10.2.2 声发射事件率 299
10.2.3 声发射幅值 301
10.2.4 声发射峰值频率 302
10.2.5 波速变化特征 303
10.2.6 中间主应力对岩体破裂过程的影响 305
10.3 应力方向辨识方法 307
10.3.1 理论基础 307
10.3.2 实施过程建议 310
参考文献 310
第11章 岩体波速场成像方法与试验验证 312
11.1 岩体波速场成像方法概述 312
11.2 层析成像 312
11.2.1 层析成像概述 312
11.2.2 射线追踪技术 313
11.2.3 有限差分法 316
11.2.4 反演问题 321
11.2.5 模型更新方法 323
11.2.6 伴随状态层析成像 325
11.3 全波形反演 327
11.3.1 声学波动方程 328
11.3.2 时域建模 328
11.3.3 频域建模 330
11.3.4 边界处理 331
11.3.5 目标函数及其梯度 334
11.3.6 迭代优化方法 337
11.4 试验验证 338
11.4.1 模拟试验 339
11.4.2 室内试验 342
参考文献 350
第12章 岩体破裂声源辨识的波形图像机器学习应用 352
12.1 概述 352
12.2 岩体破裂阶段分类及声学特征分析 353
12.2.1 岩体不同破裂阶段的力学判断依据 353
12.2.2 岩体不同破裂阶段的裂纹体积应变依据 355
12.2.3 岩体不同破裂阶段的裂纹声学依据 356
12.2.4 岩体不同破裂阶段的声学特征 357
12.3 基于原始波形的岩体破裂波形特征辨识方法 360
12.3.1 岩体破裂阶段辨识模型理论 360
12.3.2 岩体破裂波形图像学机制应用案例 363
12.4 基于波形参数的岩体破裂波形特征辨识方法 367
12.4.1 岩体破裂临界阶段波形参数分析 367
12.4.2 基于波形参数岩体破裂阶段辨识模型理论 367
12.4.3 岩体破裂阶段波形参数辨识应用案例 370
12.5 矿山开采中微震与爆破震源的波形图像机器学习应用 371
12.5.1 震奥鼎盛地声智能感知与微震监测系统 371
12.5.2 基于机器学习算法的微震与爆破信号自动辨识 372
12.5.3 非线性辨识机器学习模型建立 374
12.5.4 信号辨识效果测试 375
12.5.5 基于深度学习算法的微震与爆破信号自动辨识研究 375
12.5.6 基于深度学习算法的采区多源信号辨识应用 377
参考文献 380
第13章 岩体失稳的声学前兆特征 383
13.1 一次计算指标的前兆特征 383
13.1.1 声发射特征参数变化的一般规律 383
13.1.2 事件数和能量的前兆特征 384
13.1.3 主频幅值的前兆特征 387
13.2 二次计算指标的前兆特征 389
13.2.1 能级频次分布 390
13.2.2 波形频谱变化 395
13.3 声发射源类型的前兆特征 399
13.3.1 破裂类型 399
13.3.2 矩张量分量 400
13.4 声发射波速的前兆特征 402
13.5 基于多元声发射参量的花岗岩破裂失稳评价建议 402
13.5.1 岩体破裂失稳的多指标评价体系 403
13.5.2 花岗岩失稳风险评价判据模型 403
13.6 失稳阶段裂纹稳定扩展和不稳定扩展状态辨识 404
13.6.1 数据集构建 404
13.6.2 机器学习模型和特征重要性 406
13.6.3 辨识性能评估 406
参考文献 407
第14章 稀土矿边坡区域相对波速场成像案例分析 410
14.1 工程概况 410
14.2 试验区域基本情况 411
14.3 稀土矿边坡稳定性分析与岩体声学试验 412
14.3.1 现场监测试验准备 412
14.3.2 数据采集 413
14.4 稀土矿边坡地震层析成像方法原理 415
14.4.1 射线追踪的正演模拟方法 416
14.4.2 阻尼最小二乘QR分解算法 417
14.4.3 稀土矿边坡声波层析成像步骤 418
14.5 稀土矿边坡三维成像结果与讨论 419
14.5.1 快速扫描法结合阻尼最小二乘QR分解算法三维成像结果 419
14.5.2 最短路径法结合阻尼最小二乘QR分解算法三维成像结果 423
参考文献 427
第15章 铅锌矿震源定位与波速结构成像案例分析 428
15.1 矿山开采现状 428
15.2 现场岩石声学参数测试及结果分析 429
15.2.1 岩石试样制备 429
15.2.2 试验方法 429
15.2.3 试验测试结果 430
15.3 现场地声智能监测系统构建与方案实施 434
15.4 现场地声震源定位结果分析 438
15.4.1 爆破震源坐标情况 438
15.4.2 爆破定位结果分析 439
15.5 现场震源参数统计分析 440
15.5.1 开采区域4月1日至7日地声事件空间分布情况与震源参数统计分析 440
15.5.2 开采区域6月13日至19日地声事件空间分布情况与震源参数统计分析 442
15.5.3 开采区域7月18日至24日地声事件空间分布情况与震源参数统计分析 443
15.6 现场地声波速成像结果分析 444
15.6.1 震奥鼎盛开采区域4月初爆破试验成像结果分析 444
15.6.2 震奥鼎盛开采区域6月成像结果与现场调研情况分析 445
15.6.3 震奥鼎盛开采区域7月成像结果与现场调研情况分析 447
第16章 岩体多源声学在地震学中的应用 450
16.1 岩体多源声学与地震学 450
16.1.1 岩体破裂滑移与地震 450
16.1.2 地震波与地震速度 451
16.1.3 地震速度的影响因素 452
16.2 与岩体多源声学相关的地震学研究 454
16.2.1 地震勘探与储层预测 454
16.2.2 震源机制反演 454
16.2.3 地应力测量及地层压力分析 455
16.2.4 地震前兆及预警预报 456
16.3 基于岩体多源声学技术探索地震前兆 457
16.3.1 实验室地震中的声学特征参数变化 457
16.3.2 滑移平静期的波速变化 460
16.3.3 波速作为地震前兆的空间异质性 461
参考文献 466
京公网安备 11010102004214号