岩石力学超声-声发射、层析扫描解决方案

一、摘要

采用声波、声发射一体化监测装置研究单轴或三轴加载作用下岩石波速和声发射变化特征。超声波速度结构反演-层析成像技术对岩石内部损伤进行成像。超声波速度结构反演-层析成像技术，是从医学中发展起来的一种崭新应用技术，其在地球内部科学研究中的应用，开始于20世纪80年代。由于地震层析成像震源和接收点分布的不均匀性，对地球内部采样也极不规则，在对局部区域进行研究不可能像医学CT那样得到全方位的采样，加之所依赖的地震波的实际路径并非直线，因此，地震层析成像需要用有限和不均匀的采样来重构地球内部的信息，所面临的问题要比医学方面复杂和困难的多。相比较而言，在实验室开展超声波层析成像观测要比野外的多。利用这个优势和实验室的实验条件，为研究岩石破裂过程中内部结构变化提供了一种高精度的手段。

二、建议通道数

32通道声发射系统

三、应用案例介绍

1、声发射定位与岩石层析成像

系统示意图如下所示，一个变成为300mm的立方体，布置四层传感器，每一层8个传感器，一共32个，

(1)0-10MPa加载时，所有传感器都接声发射采集卡，采集数据进行三维定位;

(2)10MPa保载时，各个通道依次接超声板卡，激发信号，其它传感器接收信号，用于三维波速层析成像;

(3)10-20MPa加载时，所有传感器都接声发射采集卡，采集数据进行三维定位;

(4)20MPa保载时，各个通道依次接超声板卡，激发信号，其它传感器接收信号，用于三维波速层析成像;

……以此类推，加载时各个通道连接声发射采集卡进行三维定位;保载时各个通道依次发射信号，直至试样破坏。

四、核心技术

(1)高新能声发射采集卡(2)可激发400V的超声信号发射卡(3)三维声波层析成像软件

五、结论

1. 声发射

岩石是典型的非均匀脆性材料，其内部富含各种缺陷，在受载破坏过程中会产生大量的声发射信号。声发射技术是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，因为它能连续、实时的检测纯粹性材料内部的微裂纹产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，这是其他实验方法都不具有的特点，目前声发射已经被广泛应用于研究岩石、混凝土等脆性材料的破裂失稳机理研究。

2. 声波层析成像

通过观测单轴或三轴加载变形破裂前岩石的超声波P 波速度和反演其速度结构，可以研究岩石变形破裂前的内部结构变化。岩石单轴压缩变形破裂前，岩石 P 波速度先是整体逐步升高，然后高速区域逐步缩小范围，波速变化局部化，在高速区域之间形成条带低速区，最终破裂发生在该低速带上。