岩体多源声学及应用

　　“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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目录
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　*小二乘法　217　
8.2.2　*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