趙 奎 項(xiàng)威斌 曾 鵬 楊道學(xué) 伍文凱 龔 囪 楊賢達(dá)

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州341000）

1 研究背景

材料或結(jié)構(gòu)在外部載荷作用過程中發(fā)生變形或失穩(wěn)破壞時(shí)，其局部能量源被快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）現(xiàn)象。利用儀器監(jiān)測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)等相關(guān)的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)［1］。較早時(shí)期，人們對(duì)不同材料所產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象就有了初步的認(rèn)識(shí)，并將這種現(xiàn)象稱之為“錫鳴”、“地音”等。德國(guó)學(xué)者Kaiser于1950年第一次對(duì)金屬拉伸試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，研究結(jié)果表明，當(dāng)載荷應(yīng)力未超過材料先前所受最大應(yīng)力時(shí)，沒有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象；當(dāng)載荷應(yīng)力超過材料先前所受最大應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射活動(dòng)顯著增加。上述研究表明：金屬材料在拉伸載荷作用過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射活動(dòng)具有應(yīng)力記憶特性，通過聲發(fā)射活動(dòng)的顯著性可測(cè)出材料以往所受應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)。Kaiser效應(yīng)反映了巖石聲發(fā)射現(xiàn)象的可逆性，但在相對(duì)較高應(yīng)力水平階段巖石聲發(fā)射現(xiàn)象是不可逆的，此時(shí)可利用Felicity效應(yīng)描述聲發(fā)射不可逆性現(xiàn)象。Felicity效應(yīng)是指當(dāng)施加應(yīng)力小于前期所受過的最高應(yīng)力水平時(shí)聲發(fā)射開始顯著增多的現(xiàn)象。普遍認(rèn)為聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用的開始［2］。隨后，美國(guó)學(xué)者SCHOFIELD等對(duì)金屬材料塑性變形破壞過程的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)研究，“聲發(fā)射”這個(gè)名詞也被正式使用［3］。1962年，日本學(xué)者茂木清夫（MOGI K）開展了巖石變形破壞過程中聲發(fā)射與地震關(guān)系的研究［4］。1963年，GOODMAN通過試驗(yàn)證實(shí)了巖石材料在變形破壞過程中也具有明顯的Kaiser效應(yīng)［5］，即巖石材料也具有記憶先前應(yīng)力的能力，由此拉開了巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)研究的序幕。由于多數(shù)巖石均具有顯著的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)，使得巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)成為測(cè)量原巖應(yīng)力的一種常用方法［6］。巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的研究不僅是聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)主要研究方向，也是聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)與工程中應(yīng)用的主要起始點(diǎn)。

近數(shù)十年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［7］對(duì)不同類型巖石的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)特征進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：玄武巖對(duì)高應(yīng)力條件下的先前應(yīng)力水平具有較好的記憶能力；花崗巖與石英砂巖的應(yīng)力記憶能力對(duì)外部載荷條件要求相對(duì)較低，在高、低應(yīng)力條件下的先前應(yīng)力都具有相對(duì)較好的記憶能力；泥巖無論在低應(yīng)力還是在相對(duì)高應(yīng)力條件下，對(duì)先前應(yīng)力的記憶能力都比較差，幾乎觀察不到較為明顯的Kaiser效應(yīng)。文獻(xiàn)［8］對(duì)不同類型沉積巖（礫巖、砂巖、泥巖）試樣的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：與砂巖以及泥巖相比，礫巖對(duì)先前應(yīng)力具有更強(qiáng)的記憶能力。文獻(xiàn)［9］對(duì)花崗閃長(zhǎng)巖、角巖、矽卡巖、銅礦、鎢鉬礦和鉛鋅礦等6種不同類型的巖石進(jìn)行了增量循環(huán)加卸載的聲發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，矽卡巖、鉛鋅礦及花崗巖的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與先前應(yīng)力比值（FR值）在逐漸減小，鎢鉬礦的FR值維持在1左右。文獻(xiàn)［6］通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了Kaiser效應(yīng)與巖石類型之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：大部分測(cè)試巖石均表現(xiàn)出顯著的Kaiser效應(yīng)，如大理巖、Zinkgruvan鋅礦、Bolmen片麻巖、Bohus和Stripa花崗巖、Kiruna斑巖等；部分測(cè)試巖石表現(xiàn)出相對(duì)明顯的Kaiser效應(yīng)，如Malmberget片麻巖、Kallax輝長(zhǎng)巖、Viscaria綠泥巖、黃銅礦和Luossavaara斑巖等；也有部分測(cè)試巖石觀察不到Kaiser效應(yīng)，如Malmberget鐵礦石、Luossavaara鐵礦石、Viscaria綠泥石、Kallax輝長(zhǎng)巖等。文獻(xiàn)［10］對(duì)Kaiser效應(yīng)與巖石、土等材料類型之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：在花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、石英巖、安山巖、玄武巖、大理石、片巖、片麻巖、凝灰?guī)r、砂巖、石灰?guī)r、白云巖、粉砂巖、頁巖、巖鹽、鉀鹽巖、黏性顆粒土、煤等材料中均存在聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)；也有部分巖石中不存在聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)，這是由于巖石成巖的地質(zhì)環(huán)境及其自身物理化學(xué)性質(zhì)的差異性，導(dǎo)致利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力時(shí)也存在著較大的差異性。因此，文獻(xiàn)［11］認(rèn)為巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)只能用于對(duì)原巖應(yīng)力的估算。上述研究表明，大多數(shù)巖石都存在較為顯著的Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象，也有一部分巖石Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象不明顯。

巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)自提出以來，目前雖然尚未取得公認(rèn)的原巖應(yīng)力測(cè)量方法和Kaiser點(diǎn)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，但由于其在巖石力學(xué)與工程研究領(lǐng)域內(nèi)具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值，一直是巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問題。很重要的原因是原巖應(yīng)力狀態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)定，對(duì)于采礦、水利水電、土木建筑等各種地下和露天開挖工程設(shè)計(jì)、施工以及穩(wěn)定性分析具有重要意義。由于原巖應(yīng)力分布信息不可能通過數(shù)學(xué)計(jì)算或模型分析方法獲得，因此要準(zhǔn)確地了解一個(gè)地區(qū)原巖應(yīng)力分布信息就必須進(jìn)行大量的原巖應(yīng)力測(cè)量工作［4］。大量實(shí)驗(yàn)表明：原巖應(yīng)力分布信息隨著空間和時(shí)間的不同而在不斷發(fā)生變化；即使在相同標(biāo)高且水平距離只有數(shù)十米至百米條件下原巖應(yīng)力分布信息也可能會(huì)存在較大差異，這是由于水平地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)原巖應(yīng)力分布產(chǎn)生了巨大的影響。就地下礦山而言，只有在地下礦區(qū)布置較多原巖應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)才能比較準(zhǔn)確地了解該礦區(qū)原巖應(yīng)力的基本分布規(guī)律。而現(xiàn)場(chǎng)原位原巖應(yīng)力測(cè)量，如套孔應(yīng)力解除、水壓致裂等方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)際巖石工程迫切需要更為簡(jiǎn)便及低成本的原巖應(yīng)力測(cè)量方法。我國(guó)大部分中小型地下礦山?jīng)]有進(jìn)行過原巖應(yīng)力測(cè)量，開采設(shè)計(jì)和圍巖穩(wěn)定性分析所需的原巖應(yīng)力資料主要是通過經(jīng)驗(yàn)定性分析或粗略估算得到。但是隨著開采規(guī)模的擴(kuò)大和不斷向深部發(fā)展，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算的方法對(duì)開采設(shè)計(jì)、施工過程中原巖應(yīng)力進(jìn)行估算往往會(huì)造成各種地下、露天工程失穩(wěn)、坍塌或破壞等災(zāi)害的發(fā)生，甚至嚴(yán)重時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致重大安全事故發(fā)生，影響巖石工程的正常進(jìn)行。因此，研究和發(fā)展成本相對(duì)低廉、簡(jiǎn)便實(shí)用，且具有較高測(cè)量精度和可靠性的原巖應(yīng)力測(cè)量方法具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。目前，原巖應(yīng)力測(cè)量方法有數(shù)十種之多，其中，利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力是能夠在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)量的方法之一，與其它類型的原巖應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法相比，聲發(fā)射法可以直接利用測(cè)點(diǎn)處巖石試塊或施工時(shí)留下的巖芯進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試。因此，聲發(fā)射法具有測(cè)量費(fèi)用低，測(cè)量方法簡(jiǎn)便、快捷，不受現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境限制等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適用于礦山采礦工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，地下建筑物選址，大壩、穿山隧道等工程的原巖應(yīng)力測(cè)量工作。盡管巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力還存在著不少問題，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在堅(jiān)持探究其主要原因。

對(duì)于深部資源開采而言，由于原位測(cè)量，如套孔應(yīng)力解除法、水壓致裂法，只適合測(cè)量個(gè)別關(guān)鍵點(diǎn)的原巖應(yīng)力信息，大范圍原巖應(yīng)力信息獲取的簡(jiǎn)便測(cè)量方法成為重要的研究課題，需要進(jìn)一步發(fā)展類似于超聲波等大范圍的測(cè)定方法［12］，深部巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力，也是大范圍獲取原巖應(yīng)力分布信息的重要方法之一，其具有可以在相對(duì)較大范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)原巖應(yīng)力異常區(qū)（如高應(yīng)力區(qū)）等優(yōu)勢(shì)［13］。由于深部巖體力學(xué)條件的復(fù)雜性，目前仍需進(jìn)一步研究并完善巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量地應(yīng)力的方法。

隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，聲發(fā)射儀器不斷更新?lián)Q代，為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。20世紀(jì)70年代DUNEGAN等研發(fā)了帶寬為102～106kHz的聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備。20世紀(jì)90年代美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）和德國(guó)Vallen公司引入數(shù)字處理技術(shù)，陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測(cè)分析系統(tǒng)，聲發(fā)射儀器經(jīng)過近數(shù)十年的更新?lián)Q代，現(xiàn)代數(shù)字化全波形多通道聲發(fā)射儀及不同規(guī)格的高性能聲發(fā)射傳感器被廣泛應(yīng)用［14］，為進(jìn)一步深入研究巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)提供了更為有效的硬件支撐。同時(shí)，巖石力學(xué)相關(guān)理論和學(xué)科的飛速發(fā)展，為不斷完善巖石聲發(fā)射理論體系提供了更有效的技術(shù)手段。

就巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)研究而言，隨著現(xiàn)代電子通信技術(shù)的不斷更新發(fā)展，聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備的功能得到不斷完善，關(guān)于巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)方面的研究進(jìn)展日趨顯著。Kaiser效應(yīng)分析方法由最初的單參數(shù)分析到多參數(shù)分析，到復(fù)雜的頻譜分析、小波分析等。目前，巖石聲發(fā)射技術(shù)的理論研究尚未完全成熟，這是由于巖石聲發(fā)射技術(shù)的理論研究普遍落后于工程實(shí)際應(yīng)用，主要體現(xiàn)在對(duì)巖石變形破壞過程中聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生和傳播機(jī)制認(rèn)識(shí)不足，對(duì)Kaiser效應(yīng)的研究基本停留在定性、唯象層面上［15］。本研究在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)研究現(xiàn)狀及其存在的問題，從巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制、Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的識(shí)別方法及Kaiser效應(yīng)的影響因素等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性討論，最后提出了巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)今后的研究?jī)?nèi)容和主要方向。

2 研究現(xiàn)狀評(píng)述

2.1 Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力的前提假設(shè)條件是，通過對(duì)不同方向的巖芯樣品進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，當(dāng)加載應(yīng)力超過先前應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射事件顯著增加［11］。在非常理想的情況下，巖石在未達(dá)到加載方向的先前應(yīng)力之前不會(huì)產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射活動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)載荷應(yīng)力超過最大先前應(yīng)力時(shí)，由于巖石內(nèi)部原生裂紋的擴(kuò)展以及次生裂紋的孕育，聲發(fā)射活動(dòng)會(huì)明顯增加［1］，這意味著巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)與先前應(yīng)力狀態(tài)下巖石微裂紋的擴(kuò)展密切相關(guān)。當(dāng)巖石加載超過先前應(yīng)力時(shí)，非彈性應(yīng)變引起的微裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致聲發(fā)射活動(dòng)出現(xiàn)，這是對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生原因的一般性理解，即加載應(yīng)力小于先前應(yīng)力時(shí)，巖石內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生新的裂紋或先前存在的裂紋不會(huì)擴(kuò)展，聲發(fā)射的產(chǎn)生是由于先前裂紋擴(kuò)展或新微裂紋等活動(dòng)引起的［16-17］。

由于巖石試件內(nèi)部不可避免地分布著大量非均勻的微裂紋，第一次加載通常會(huì)產(chǎn)生與裂紋閉合或壓實(shí)相關(guān)的“噪聲”信號(hào)，有可能會(huì)掩蓋巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)。因此，SETO等［18］利用多次循環(huán)加卸載的試驗(yàn)方法，對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)進(jìn)行了研究。經(jīng)過第一次循環(huán)加卸載試驗(yàn)后，在第二次加載低于Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平時(shí)，能夠較好地抑制“噪聲”產(chǎn)生，從而使得與Kaiser效應(yīng)相關(guān)的聲發(fā)射活動(dòng)表現(xiàn)得更加顯著。文獻(xiàn)［8］對(duì)此進(jìn)行了較為深入地研究，試驗(yàn)過程中作者將原生裂紋閉合以及顆粒間摩擦引起的聲發(fā)射活動(dòng)定義為摩擦型聲發(fā)射，次生裂紋孕育引起的聲發(fā)射活動(dòng)定義為破裂型聲發(fā)射。由于破裂型聲發(fā)射能夠更好地反映聲發(fā)射對(duì)應(yīng)力的記憶效果，為了突顯Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，壓制摩擦型聲發(fā)射，建議在原巖應(yīng)力測(cè)試過程中采用多次循環(huán)加載方式消除摩擦型聲發(fā)射的影響，預(yù)壓應(yīng)力水平應(yīng)超過預(yù)先估計(jì)的原巖應(yīng)力。這種消除“噪聲”試驗(yàn)的困難在于先前應(yīng)力（原巖應(yīng)力）不明確，第二次加載應(yīng)力值很難確定。如果第一次加載應(yīng)力值未達(dá)到先前應(yīng)力值，則不能有效抑制“噪聲”。如果第一次加載應(yīng)力值超過先前應(yīng)力值較多時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生明顯的非彈性體積應(yīng)變，卸載后巖石內(nèi)部的損傷將影響第二次加載過程中的聲發(fā)射行為，即有可能會(huì)導(dǎo)致Kaiser效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镕elicity效應(yīng)。

文獻(xiàn)［19］利用巖石破裂過程分析軟件（RFPA）對(duì)3種不同應(yīng)力路徑下巖石試樣的聲發(fā)射特征進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)記憶的不是先前應(yīng)力，而是巖石內(nèi)部的損傷程度。實(shí)際上，先前應(yīng)力與卸載后的巖石損傷密切相關(guān)。文獻(xiàn)［20-21］研究結(jié)果表明：如果巖石先前所承受的最高應(yīng)力水平超過了其損傷應(yīng)力時(shí)，再次加載時(shí)尚未達(dá)到先期應(yīng)力水平時(shí)，也會(huì)有顯著的聲發(fā)射活動(dòng)產(chǎn)生，即產(chǎn)生Felicity效應(yīng)。文獻(xiàn)［10，22-23］通過總結(jié)前人對(duì)巖石變形破壞過程中聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制的研究，認(rèn)為巖石Kaiser效應(yīng)的理論模型主要有4種，即裂隙滑移模型、可逆Griffith裂隙模型、硬幣狀裂紋擴(kuò)展模型及翼狀裂紋模型。

文獻(xiàn)［24］研究表明，花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)存在明顯的應(yīng)力上限，其上限值為峰值應(yīng)力的65%左右。文獻(xiàn)［10］研究表明：先前應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值為0.3～0.8時(shí)，才可能有較明顯的Kaiser效應(yīng)。文獻(xiàn)［16，21］研究表明：如果先前應(yīng)力超過體積膨脹點(diǎn)，即擴(kuò)容點(diǎn)、損傷應(yīng)力點(diǎn)，卸載后重新加載未達(dá)到先前應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量微裂紋，出現(xiàn)顯著的聲發(fā)射現(xiàn)象，而這種情況不能通過Kaiser效應(yīng)測(cè)定先前應(yīng)力，也就是說超過損傷應(yīng)力后，巖石不會(huì)出現(xiàn)較為顯著的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象。由于載荷應(yīng)力超過損傷應(yīng)力后，巖石內(nèi)部微裂紋進(jìn)入不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，卸載后巖石將產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷，這也是Kaiser效應(yīng)失效的最根本原因。

綜上所述：當(dāng)先前應(yīng)力小于損傷應(yīng)力時(shí)，先前應(yīng)力引起的損傷不足以造成微結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度降低，即損傷（可用孔隙率表征）比較小時(shí)，Kaiser效應(yīng)才存在；對(duì)于高孔隙率的巖石，即損傷嚴(yán)重的條件下，無論先前應(yīng)力多大，都不會(huì)出現(xiàn)顯著的Kaiser效應(yīng)。Kaiser效應(yīng)的有效性，取決于先前應(yīng)力及原生裂紋綜合作用引起的巖石損傷狀態(tài)。文獻(xiàn)［25-26］進(jìn)一步研究表明：對(duì)于高孔隙率（n＞10%）巖石，其損傷應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值小于該類巖石平均值；而低孔隙率（n＜10%）巖石，其損傷應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值高于該類巖石的平均值。對(duì)于在先前應(yīng)力作用后卸載的情況下引起的孔隙率（損傷量）達(dá)到較高值時(shí)，如孔隙率n＞10%，造成巖石自身強(qiáng)度降低，這種損傷致使Kaiser效應(yīng)失效，出現(xiàn)Felicity效應(yīng)。

以上研究分析表明，巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)上限應(yīng)力小于損傷應(yīng)力，而對(duì)于Kaiser效應(yīng)的下限應(yīng)力與起裂應(yīng)力之間的關(guān)系尚未有明確的結(jié)論。

2.2 Kaiser效應(yīng)點(diǎn)識(shí)別

由Kaiser效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制和定義可知：當(dāng)加載應(yīng)力小于加載方向的先前應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射事件數(shù)相對(duì)較少，非常理想的情況下是沒有聲發(fā)射活動(dòng)產(chǎn)生；超過先前應(yīng)力則有顯著的聲發(fā)射活動(dòng)產(chǎn)生。因此，將聲發(fā)射參數(shù)累計(jì)曲線上升點(diǎn)作為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)成為普遍采用的識(shí)別方法，如圖1所示［10］。這種情況在實(shí)際試驗(yàn)中很少出現(xiàn)，是因?yàn)閹r樣內(nèi)部不僅存在原生微裂紋，同時(shí)在取樣過程中巖樣經(jīng)歷了卸載作用，巖樣在卸載過程中產(chǎn)生微裂紋，加載開始時(shí)巖樣內(nèi)部微裂紋的閉合也會(huì)產(chǎn)生低頻低能的摩擦型聲發(fā)射信號(hào)。

如何將“聲發(fā)射數(shù)量少”、“聲發(fā)射顯著產(chǎn)生”這些定性表述進(jìn)行科學(xué)量化表示，是進(jìn)行Kaiser效應(yīng)點(diǎn)識(shí)別的前提。TADASHI等［27］早期在運(yùn)用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力時(shí)，假設(shè)定向試樣在單軸加載過程中所確定的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)為試樣在地殼中加載方向上所對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力分量，并建議對(duì)6個(gè)不同方向的巖芯進(jìn)行試驗(yàn)，獲得取樣點(diǎn)處的原巖應(yīng)力。該課題組提出的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)具體識(shí)別方法為：首先繪制聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與加載應(yīng)力關(guān)系圖，當(dāng)加載應(yīng)力未達(dá)到先前應(yīng)力時(shí)，由聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與加載應(yīng)力之間散點(diǎn)回歸得到的直線斜率相對(duì)較?。划?dāng)加載應(yīng)力超過先前應(yīng)力時(shí)，由聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與加載應(yīng)力之間散點(diǎn)回歸得到的直線斜率較大，由此識(shí)別Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，進(jìn)而得到加載方向上原巖應(yīng)力值，如圖2所示。這種通過聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與加載應(yīng)力之間線性回歸，將2個(gè)回歸直線的交點(diǎn)作為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，成為一種通過巖石聲發(fā)射試驗(yàn)識(shí)別Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的一般性方法［10，28］。

除了上述提及方法外，也可以將時(shí)間（或應(yīng)力）作為橫坐標(biāo)，巖石加載過程中聲發(fā)射某個(gè)參數(shù)（或某個(gè)參數(shù)的累計(jì)）作為縱坐標(biāo)，然后根據(jù)該參數(shù)（或參數(shù)累計(jì)）隨時(shí)間（或應(yīng)力）變化的急劇程度，將急劇變化的起始點(diǎn)（激增點(diǎn)）作為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為該試件在加載方向上的先前應(yīng)力。通常情況下會(huì)采用聲發(fā)射事件率、聲發(fā)射累計(jì)事件與時(shí)間、應(yīng)力的關(guān)系圖確定Kaiser效應(yīng)點(diǎn)［18］，如圖3所示。為了更好地識(shí)別聲發(fā)射激增點(diǎn)，文獻(xiàn)［29-30］在聲發(fā)射參數(shù)或累計(jì)參數(shù)與時(shí)間或應(yīng)力關(guān)系曲線的基礎(chǔ)上，利用切線法對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別，如圖4所示。

為了能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［31-32］提出了通過兩次循環(huán)加卸載的方式，對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行判別。第一次循環(huán)加卸載過程中為摩擦型聲發(fā)射信號(hào)，為了消除第一次循環(huán)加卸載過程中摩擦型聲發(fā)射信號(hào)對(duì)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)識(shí)別產(chǎn)生的影響，將兩次加載過程中聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行相減，通過相應(yīng)的差值曲線可以更加方便地確定巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)。文獻(xiàn)［8，33］也利用上述兩次循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射累計(jì)參數(shù)相減方法，對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行了有效地識(shí)別。文獻(xiàn)［34］根據(jù)聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)與加載應(yīng)力的關(guān)系曲線，利用聲發(fā)射激增點(diǎn)法研究了不同加載速率對(duì)花崗巖、砂巖、灰?guī)r和泥巖Kaiser效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)［35］根據(jù)含層理巖石的聲發(fā)射特征，提出了采用聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)時(shí)差和時(shí)間—振鈴累計(jì)計(jì)數(shù)曲線傾角對(duì)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行綜合判斷的方法。文獻(xiàn)［36］通過研究頁巖在循環(huán)加卸載試驗(yàn)過程中的Kaiser效應(yīng)，認(rèn)為利用切線法識(shí)別的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，并不是真實(shí)的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，需要將偽Kaiser點(diǎn)應(yīng)力與地應(yīng)力理論值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)漂移應(yīng)力比值計(jì)算電壓閾值、壓力曲線逆向?qū)c(diǎn)、重新獲取Kaiser點(diǎn)等步驟對(duì)試驗(yàn)中的偽Kaiser點(diǎn)進(jìn)行能量修正，找到真實(shí)的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)。

上述Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的識(shí)別研究，均是利用聲發(fā)射參數(shù)分析法。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷嘗試引入分形、小波分析等理論，開展了聲發(fā)射波形分析法用以識(shí)別巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的研究。文獻(xiàn)［30］在利用上述切線法對(duì)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行初次識(shí)別的基礎(chǔ)上，采用G-P分形算法得到Kaiser點(diǎn)及其附近點(diǎn)聲發(fā)射能量參數(shù)的分形維數(shù)特征。研究結(jié)果表明：可將聲發(fā)射能量參數(shù)的關(guān)聯(lián)維數(shù)最小值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)。文獻(xiàn)［37-38］從聲發(fā)射波形特征提取入手，利用分形及頻帶能量分析方法對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)附近的聲發(fā)射波形進(jìn)行分析，得到了較為系統(tǒng)性的巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)半定量識(shí)別方法。文獻(xiàn)［39］利用混沌時(shí)空序列分析方法，對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別，并通過快速傅里葉變換及小波分析方法，對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)附近的聲發(fā)射信號(hào)能譜特征進(jìn)行了分析，最后運(yùn)用關(guān)聯(lián)積分、虛假鄰近點(diǎn)法及互信息法，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的混沌動(dòng)力信息進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［40］通過小波包變換對(duì)巖石聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾波處理，再對(duì)濾波后的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)附近的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)其頻譜特征對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行判別。

上述研究表明：目前聲發(fā)射參數(shù)分析法仍是巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)識(shí)別的重要方法。其不足之處在于，難以定量化識(shí)別，研究人員正在嘗試對(duì)聲發(fā)射波形信號(hào)的頻譜、時(shí)空序列分布特征進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的半定量識(shí)別。

2.3 Kaiser效應(yīng)的主要影響因素

2.3.1 加載速率對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造過程中，巖石在不同的地質(zhì)時(shí)期，可能會(huì)經(jīng)歷不同速率的水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。因此，為了研究不同速率的水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的影響，通過不同加載速率的預(yù)加載試驗(yàn)，模擬巖石在經(jīng)歷不同速率水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中形成的先前應(yīng)力。在巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量試驗(yàn)過程中，通常采用巖石力學(xué)試驗(yàn)可以接受的加載速率進(jìn)行加載試驗(yàn)。但由于Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制尚不清晰，加載速率是否會(huì)對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生影響，是一個(gè)值得深入研究的課題。

（1）單軸壓縮過程加載速率對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)［34］對(duì)不同加載速率條件下的砂巖、泥巖及灰?guī)rKaiser效應(yīng)進(jìn)行了探討。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同的加載速率（0.01、0.02、0.04、0.05 MPa/s）對(duì)灰?guī)r等脆性巖石的Kaiser效應(yīng)幾乎無影響；而對(duì)砂巖和泥巖的Kaiser效應(yīng)影響相對(duì)顯著，且隨著加載速率逐漸增大，Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值也在逐漸增大。文獻(xiàn)［20，41］研究了砂巖、鹽巖及灰?guī)r在不同加載速率下的Kaiser效應(yīng)，研究結(jié)果表明：加載速率（0.01、0.1、1 MPa/s）對(duì)砂巖及灰?guī)rKaiser效應(yīng)的影響結(jié)果與文獻(xiàn)［34］研究結(jié)果基本一致；而加載速率對(duì)鹽巖Kaiser效應(yīng)影響較為顯著，在0.01 MPa/s加載速率條件下，鹽巖的FR值約為0.426，在0.1 MPa/s加載速率條件下鹽巖的FR值約為0.727，而1 MPa/s加載速率條件下巖鹽的FR值約為0.912。

（2）分級(jí)循環(huán)加卸載過程加載速率對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響。LAVROV［22］利用分級(jí)循環(huán)加卸載的加載方式，對(duì)不同加載速率條件下的石灰?guī)rKaiser效應(yīng)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：石灰?guī)r在第3級(jí)循環(huán)加卸載條件下，F(xiàn)R值主要分布在0.86～0.90區(qū)間內(nèi)。文獻(xiàn)［42-43］采用不同加載速率及卸載速率（0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 kN/s）對(duì)紅砂巖進(jìn)行了分級(jí)循環(huán)加卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在同級(jí)循環(huán)條件下，加載速率及卸載速率對(duì)紅砂巖的FR值幾乎無影響；而隨著加載峰值應(yīng)力的增大，紅砂巖的FR值逐漸減小，但其FR值主要分布在0.8～1.4區(qū)間內(nèi)。文獻(xiàn)［23］對(duì)細(xì)砂巖進(jìn)行了不同加載速率（0.01、0.05、0.25 kN/s）條件下的分級(jí)循環(huán)加卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在第1級(jí)循環(huán)時(shí)，細(xì)砂巖的FR值分別為0.992、0.976、0.978；在第2級(jí)循環(huán)時(shí)，細(xì)砂巖的FR值分別為0.883、0.844、0.920。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，加載速率對(duì)細(xì)砂巖的Kaiser效應(yīng)幾乎無影響。

綜上，加載速率對(duì)灰?guī)r、紅砂巖、細(xì)砂巖等脆性巖石的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)幾乎無影響。加載速率對(duì)砂巖、鹽巖、泥巖等巖石的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)具有顯著影響。因此，在利用Kaiser效應(yīng)測(cè)量鹽巖、砂巖及泥巖等巖石的原巖應(yīng)力時(shí)，應(yīng)先校正加載速率，以便提高測(cè)量精度?，F(xiàn)有研究表明：巖性、結(jié)構(gòu)及成巖礦物成分的不同，導(dǎo)致加載速率對(duì)巖石Kaiser效應(yīng)的影響也存在一定的差異性，目前關(guān)于加載速率對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)影響機(jī)制的研究涉及較少。因此，仍需要對(duì)加載速率與巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)演化機(jī)制之間的關(guān)系進(jìn)行更為深入地研究。

2.3.2 時(shí)間對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響

由巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的測(cè)量原理可知，在巖芯脫離母體后，需要經(jīng)過一段時(shí)間的加工后才能進(jìn)行Kaiser效應(yīng)測(cè)量，巖芯從脫離母體到測(cè)量Kaiser效應(yīng)的這段時(shí)間間隔對(duì)測(cè)量結(jié)果是否具有影響，直接關(guān)系到原巖應(yīng)力的測(cè)量精度。因此，開展巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性研究具有重要意義。

（1）沉積巖。文獻(xiàn)［44］對(duì)泥巖、石灰?guī)r、碳酸鹽巖、砂巖的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)兩次加載時(shí)間間隔小于10 h時(shí)，巖石Kaiser效應(yīng)較為顯著；當(dāng)兩次加載時(shí)間間隔大于1 000 h時(shí)，巖石Kaiser效應(yīng)基本消失。對(duì)鹽巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)與時(shí)間依賴性之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩次加載時(shí)間間隔超過14 d時(shí)，其Kaiser效應(yīng)依然較為顯著［45］。文獻(xiàn)［46］通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)單軸壓縮、三點(diǎn)彎曲和巴西圓盤劈裂3種加載條件下，砂巖的Kaiser效應(yīng)時(shí)間延遲性變化規(guī)律進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)屋S壓縮條件下，砂巖Kaiser效應(yīng)的兩次加載間隔在7 d以內(nèi)時(shí)，Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與先前應(yīng)力基本相等；當(dāng)兩次加載間隔為7～12 d時(shí)，雖然再次加載過程中聲發(fā)射累計(jì)參數(shù)存在著明顯的拐點(diǎn)，但拐點(diǎn)在不斷向更高應(yīng)力的方向移動(dòng)；當(dāng)兩次加載間隔大于12 d時(shí)，聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象變得模糊不清。三點(diǎn)彎曲條件下，砂巖Kaiser效應(yīng)的兩次加載間隔在60 d以內(nèi)時(shí)，都存在著較為顯著的Kaiser效應(yīng)。巴西圓盤劈裂條件下，砂巖Kaiser效應(yīng)的兩次加載間隔在60 d以內(nèi)時(shí)，無法通過砂巖變形破壞過程中聲發(fā)射累計(jì)參數(shù)特征清晰地判別Kaiser效應(yīng)點(diǎn)位置。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)屋S壓縮條件下，砂巖Kaiser效應(yīng)具有較為顯著的時(shí)間依賴性；三點(diǎn)彎曲條件下，砂巖Kaiser效應(yīng)對(duì)時(shí)間基本無依賴性，進(jìn)而證實(shí)了砂巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象不僅與延遲時(shí)間相關(guān)，還與其加載方式存在較為顯著的相關(guān)性。

（2）巖漿巖。文獻(xiàn)［16］通過單軸壓縮加載方式對(duì)花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：即使巖芯放置30 d后再進(jìn)行加載試驗(yàn)，其Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的加載應(yīng)力與先前應(yīng)力幾乎完全相等。上述試驗(yàn)結(jié)果說明時(shí)間因素對(duì)花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)影響甚微。文獻(xiàn)［47］也對(duì)花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)與時(shí)間依賴性的關(guān)系進(jìn)行了研究，利用室內(nèi)單軸加載方式預(yù)設(shè)先前應(yīng)力，當(dāng)兩次加載隔間為60 d時(shí)，花崗巖Kaiser效應(yīng)依然較為顯著。文獻(xiàn)［16，47］研究結(jié)果均表明：時(shí)間延遲對(duì)花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)幾乎無影響。文獻(xiàn)［48］對(duì)云南大紅山銅礦凝灰?guī)r的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)與時(shí)間的依賴性關(guān)系進(jìn)行了探討。首先，通過單軸循環(huán)加卸載方式對(duì)凝灰?guī)r進(jìn)行首次預(yù)加載試驗(yàn)；其次，對(duì)放置2、7、15、30、45 d后的巖樣進(jìn)行再次加載，采集試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信息。試驗(yàn)結(jié)果表明：凝灰?guī)r在首次加載與二次加載之間無時(shí)間間隔時(shí)，巖樣聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)特征較為顯著；先前應(yīng)力水平越接近巖樣強(qiáng)度，則巖樣聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的消退速率越快；先前應(yīng)力介于巖石強(qiáng)度40%～80%范圍內(nèi)時(shí)，巖石記憶先前應(yīng)力的能力最強(qiáng)；隨著首次加載與再次加載時(shí)間間隔的增長(zhǎng)，巖樣聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)也在逐漸消退；巖樣在首次加載與再次加載之間間隔為30 d時(shí)，巖樣聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)還能觀察到，但當(dāng)兩次加載的時(shí)間間隔為45 d時(shí)，巖樣聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)基本完全消失，無法再觀察到。文獻(xiàn)［49］對(duì)劈裂條件下的粗晶花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)與時(shí)間延遲性的關(guān)系進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明：先前應(yīng)力越接近巖樣強(qiáng)度，巖石聲發(fā)射的Felicity效應(yīng)現(xiàn)象越顯著；隨著兩次加載時(shí)間間隔的增大，巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的顯著性逐漸降低。其中，兩次加載時(shí)間間隔為15 d時(shí)，花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象仍然較為顯著；當(dāng)兩次加載時(shí)間間隔為45 d時(shí)，花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象基本消失。上述研究結(jié)果表明：花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性與先前應(yīng)力所在的特征應(yīng)力區(qū)間、加載方式及粒徑大小都存在一定的相關(guān)性。

（3）變質(zhì)巖。文獻(xiàn)［44］對(duì)片麻巖、片巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩次加載時(shí)間間隔小于10 h時(shí)，巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)較為顯著；當(dāng)兩次加載時(shí)間間隔大于1 000 h時(shí)，巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)基本完全消失。文獻(xiàn)［48］對(duì)片巖Kaiser效應(yīng)與時(shí)間的依賴性進(jìn)行探討時(shí)，得到了與文獻(xiàn)［44］基本相同的試驗(yàn)結(jié)果。在兩次加載時(shí)間間隔為30 d時(shí)，仍然可以觀察到片巖的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)；當(dāng)兩次加載時(shí)間間隔為45 d時(shí)，片巖的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象基本消失。綜合分析文獻(xiàn)［44，48］可以發(fā)現(xiàn)：片巖的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)基本消失在兩次加載間隔介于30 d至1 000 h（約41.7 d）的范圍內(nèi)，表明片巖的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)對(duì)時(shí)間具有一定的依賴性。文獻(xiàn)［50］對(duì)大理巖的Kaiser效應(yīng)時(shí)間依賴性進(jìn)行了探究，通過對(duì)大理巖巖樣進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，記錄下加載—卸載過程中的應(yīng)力、應(yīng)變值，兩個(gè)月后對(duì)大理巖巖樣進(jìn)行了再次加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：大理巖巖樣依然存在較為顯著的Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象，只是先前應(yīng)力和應(yīng)變值與Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變值相差較大。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著兩次加載時(shí)間間隔的增大，大理巖巖樣Kaiser效應(yīng)記憶先前應(yīng)力的能力逐漸衰減。

上述研究表明：沉積巖（泥巖、石灰?guī)r、碳酸鹽巖、砂巖及鹽巖）Kaiser效應(yīng)具有顯著的時(shí)間依賴性。巖漿巖中典型的花崗巖，在單軸壓縮條件下Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性不顯著，在劈裂條件下的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)則具有顯著的時(shí)間依賴性。凝灰?guī)r在單軸壓縮條件下，Kaiser效應(yīng)也具有顯著的時(shí)間依賴性。變質(zhì)巖（片巖、麻巖）的Kaiser效應(yīng)具有顯著的時(shí)間依賴性?？梢?，巖石的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)一般都具有顯著的時(shí)間依賴性，尤其是沉積巖與變質(zhì)巖；由于巖漿巖的結(jié)晶方式、礦物成分及結(jié)構(gòu)有別于沉積巖及變質(zhì)巖，使得兩者Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性具有顯著的差異性。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類型的巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但主要集中在對(duì)試驗(yàn)過程中Kaiser效應(yīng)時(shí)間依賴性的定性描述和分析，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制的研究涉及較少，且尚未形成成熟的理論和試驗(yàn)手段，亟需加強(qiáng)相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。

2.3.3 圍壓對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響

原巖應(yīng)力一般處于三軸應(yīng)力狀態(tài)［10］，Kaiser效應(yīng)試驗(yàn)所用的巖芯經(jīng)歷了三軸卸載過程，試驗(yàn)中加載方向與主應(yīng)力方向的不同，以及將三軸應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)化為單軸應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)真實(shí)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)識(shí)別的影響程度尚不明確。

（1）先前差異應(yīng)力對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)［10］認(rèn)為在三軸預(yù)加載過程中，巖石的損傷面會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)單軸再次加載過程中損傷只有達(dá)到預(yù)加載的損傷面時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生Kaiser效應(yīng)。單軸加載過程中Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，通常會(huì)小于三軸預(yù)加載的先前差異應(yīng)力（即最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值）。為探討Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平與先前應(yīng)力之間的關(guān)系，文獻(xiàn)［51］采用三軸預(yù)加載方式為巖樣設(shè)計(jì)先前應(yīng)力，再以單軸加載方式，對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)進(jìn)行研究，并通過格里菲斯理論，對(duì)巖石的Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：?jiǎn)屋S加載條件下得到的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)應(yīng)力，既不等于先前應(yīng)力也不等于先前差異應(yīng)力。文獻(xiàn)［52］利用三軸循環(huán)加卸載的加載方式，對(duì)煤巖的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)先前差異應(yīng)力較小時(shí)，煤巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)無法觀察到；當(dāng)先前差異應(yīng)力較大時(shí)，煤巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)效果較為顯著。文獻(xiàn)［53］指出在先前差異應(yīng)力相對(duì)較低的情況下，大理巖Kaiser效應(yīng)具有方向獨(dú)立性；在先前差異應(yīng)力相對(duì)較高的情況下，大理巖Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與先前差異應(yīng)力相等。文獻(xiàn)［54］以花崗巖試件為研究對(duì)象，設(shè)定了不同的先前差異應(yīng)力，進(jìn)行圍壓分別為 5、10、15、20、25、30 MPa，軸向應(yīng)力分別為10、15、25、40 MPa的試驗(yàn)。通過將圍壓及軸向應(yīng)力卸載至0后，再通過單軸加載方式對(duì)Kaiser效應(yīng)進(jìn)行了研究。研究表明：圍壓對(duì)Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象具有顯著影響。圍壓越大，Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與先前差異應(yīng)力比值越小，Kaiser效應(yīng)不明顯。通過上述文獻(xiàn)分析可知，先前差異應(yīng)力對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)具有一定的影響，但具體的影響規(guī)律不明確。一般認(rèn)為，圍壓越小，先前差異應(yīng)力對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響越不明顯，其根本原因在于圍壓卸載后引起損傷的復(fù)雜性。

（2）不同的先前應(yīng)力水平對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)［55］開展了紅砂巖三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)預(yù)加載軸向應(yīng)力分別為抗壓強(qiáng)度的11%、30%、42%、61%、76%，圍壓分別為0、5、10、15、20 MPa，分析了Kaiser效應(yīng)變化規(guī)律，研究得到圍壓對(duì)Kaiser效應(yīng)具有顯著影響。低圍壓及高圍壓均會(huì)降低試件在不同先前軸向應(yīng)力水平的記憶能力；圍壓為0、20 MPa時(shí)且先前軸向應(yīng)力在巖石抗壓強(qiáng)度的30%～42%范圍內(nèi)時(shí)，Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象顯著；圍壓為10 MPa時(shí)且先前軸向應(yīng)力在巖石抗壓強(qiáng)度的11%～76%范圍內(nèi)時(shí)，Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象顯著。文獻(xiàn)［56］研究了不同圍壓（10、20、30、35 MPa）條件下的二長(zhǎng)花崗巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)演化特征規(guī)律。當(dāng)先前軸向應(yīng)力水平較高時(shí)，Kaiser效應(yīng)會(huì)變得模糊不清，隨著圍壓水平升高，Kaiser效應(yīng)模糊不清的現(xiàn)象得到改善；較低圍壓（10～20 MPa）下，隨著先前軸向應(yīng)力水平升高，Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象也逐漸變得模糊不清，F(xiàn)elicity效應(yīng)現(xiàn)象顯著。文獻(xiàn)［56］認(rèn)為高圍壓使巖石內(nèi)部微裂紋、孔隙等缺陷微結(jié)構(gòu)被壓密，微裂紋的滑移面閉鎖及強(qiáng)度增加，高圍壓作用下，花崗巖Kaiser效應(yīng)現(xiàn)象較為顯著。

綜上分析可知：目前關(guān)于圍壓對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的影響已進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但關(guān)于圍壓對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)演化規(guī)律的影響研究尚處于探索階段，隨著相關(guān)學(xué)科和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，可以嘗試?yán)矛F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，如CT、SEM等技術(shù)手段，從宏觀尺度向微觀尺度方向發(fā)展，同時(shí)可以借鑒其它學(xué)科的新方法和新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)在微觀尺度上的分析，使唯象的定性分析不斷向微觀定量化分析發(fā)展。

2.3.4 多期性對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響

巖石在經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史演化過程中，往往會(huì)經(jīng)歷不同時(shí)期、不同強(qiáng)度及不同方向的地質(zhì)構(gòu)造作用，巖石應(yīng)力記憶能力對(duì)研究該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造演化歷史及原巖應(yīng)力具有重要意義。但是，巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)能否反映這種多期性的地質(zhì)構(gòu)造作用，與巖石對(duì)早期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)過程中原巖應(yīng)力的記憶能力具有緊密聯(lián)系。因此，巖石記憶能力的衰退特性，以及如何判定Kaiser效應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與多期原巖應(yīng)力之間的關(guān)系，是當(dāng)今巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力過程中亟需解決的理論與現(xiàn)實(shí)問題。

對(duì)此有3種不同的觀點(diǎn)［7］：①巖石僅記憶其地質(zhì)歷史演化過程中的最大原巖應(yīng)力；②巖石對(duì)記憶所有地質(zhì)構(gòu)造演化歷史中原巖應(yīng)力的能力都會(huì)發(fā)生衰減，而僅記憶現(xiàn)今原巖應(yīng)力；③巖石對(duì)多期性原巖應(yīng)力都具有記憶能力。巖石在多期地質(zhì)構(gòu)造作用過程中，是僅記憶了最大原巖應(yīng)力值，還是多期原巖應(yīng)力值都被記憶，對(duì)于這個(gè)問題，丁原辰等［57］曾提出“視凱澤效應(yīng)”的概念，認(rèn)為室內(nèi)巖石AE試驗(yàn)可獲得2個(gè)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，一個(gè)對(duì)應(yīng)于引起巖石飽和殘余應(yīng)變的應(yīng)力，它與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)相一致，因此稱為視Kaiser點(diǎn)。在視Kaiser點(diǎn)之后，還可獲得另一個(gè)真正的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，它對(duì)應(yīng)于歷史上最大原巖應(yīng)力，并據(jù)此提出了Kaiser效應(yīng)可以反映材料對(duì)先前經(jīng)歷過的損傷記憶能力的觀點(diǎn)。文獻(xiàn)［7］對(duì)8個(gè)鉆孔的52塊第三紀(jì)沙河街組三段巖石樣品進(jìn)行了聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)多期性室內(nèi)試驗(yàn)。結(jié)果表明：巖石（砂巖及礫巖）確實(shí)存在著多期Kaiser效應(yīng)，且?guī)r石記憶的多期原巖應(yīng)力，往往少于該巖石所經(jīng)歷的地質(zhì)構(gòu)造作用期次，說明巖石記憶地質(zhì)構(gòu)造演化歷史中原巖應(yīng)力能力存在著衰減現(xiàn)象。文獻(xiàn)［58］對(duì)取自某一電站壩址區(qū)海西期花崗巖樣品的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)中花崗巖試件在地質(zhì)構(gòu)造演化歷史中均經(jīng)歷了多期地質(zhì)構(gòu)造作用，無論是采取循環(huán)加卸載的加載方式還是單軸壓縮的加載方式，均有數(shù)個(gè)巖石試件分別在30 MPa和55 MPa（巖石強(qiáng)度約為90 MPa）左右兩個(gè)應(yīng)力值處產(chǎn)生大量聲發(fā)射事件。試驗(yàn)結(jié)果表明：花崗巖試件記憶了兩期地質(zhì)構(gòu)造作用過程中的原巖應(yīng)力，而實(shí)際上海西期花崗巖經(jīng)歷了兩期以上的地質(zhì)構(gòu)造作用，進(jìn)而再次證明巖石記憶地質(zhì)構(gòu)造演化歷史中原巖應(yīng)力的能力確實(shí)存在著衰減現(xiàn)象。文獻(xiàn)［59］對(duì)石英砂巖多期Kaiser效應(yīng)開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，提出了利用巖芯試件多期Kaiser效應(yīng)提取研究區(qū)域古原巖應(yīng)力的思路及初步方案。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過地質(zhì)調(diào)查手段得知該研究區(qū)域地層在地質(zhì)構(gòu)造演化歷史上至少經(jīng)歷過4期較為強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，并獲得了各期古原巖應(yīng)力的相關(guān)參數(shù)，由于該研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，試驗(yàn)過程中巖樣多期Kaiser效應(yīng)的效果相對(duì)較差，利用巖樣多期Kaiser效應(yīng)提取古原巖應(yīng)力的方法還有待進(jìn)一步研究。

綜上分析可知：Kaiser效應(yīng)多期性在測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造演化歷史中古地應(yīng)力領(lǐng)域扮演著重要角色；同時(shí)，Kaiser效應(yīng)多期性在測(cè)量原巖應(yīng)力方面也具有一定的影響，若是研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化歷史較為復(fù)雜，那么將會(huì)給巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力帶來困難。因此，巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量地應(yīng)力方法適用于地質(zhì)構(gòu)造演化歷史過程中未經(jīng)歷太多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域的地應(yīng)力還需進(jìn)一步研究，建立更加全面的理論基礎(chǔ)。

3 總結(jié)與展望

本研究總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外關(guān)于巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制、識(shí)別方法及影響因素等方面的研究成果，討論了巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)在測(cè)量原巖應(yīng)力方面的難點(diǎn)、重點(diǎn)問題。巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力今后的主要研究方向和內(nèi)容為以下幾個(gè)方面。

（1）巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)宏觀表征及其聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制的微細(xì)觀性研究還處于探索階段。巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的物理力學(xué)現(xiàn)象，它與巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、微裂紋分布狀況、初始損傷及試驗(yàn)環(huán)境都存在著緊密的聯(lián)系，很難通過簡(jiǎn)單地控制室內(nèi)試驗(yàn)中幾個(gè)變量因素，來精確還原巖石在地質(zhì)構(gòu)造演化過程中經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)情況。甚至同種巖石在同樣的試驗(yàn)條件下Kaiser效應(yīng)相差甚遠(yuǎn)，因此，可以通過現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，如SEM、CT等技術(shù)對(duì)巖石結(jié)構(gòu)、礦物成分、微裂紋分布狀況等因素的差異性進(jìn)行定性及定量分析，對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行更為深入地研究。嘗試從損傷力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)及斷裂力學(xué)角度建立巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的理論模型，實(shí)現(xiàn)從理論角度上對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行解釋。同時(shí)，巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)不僅是測(cè)量原巖應(yīng)力的一種常用方法，通過對(duì)巖石Kaiser效應(yīng)的研究，也可以進(jìn)一步促進(jìn)聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，為巖石內(nèi)部微裂紋演化機(jī)制的研究提供可靠的技術(shù)手段。

（2）巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)與影響因素之間關(guān)系研究。加載速率對(duì)部分巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)具有顯著影響，也有部分巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)不受加載速率的影響，加載速率與巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)演化機(jī)制之間的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類型的巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的時(shí)間依賴性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但主要集中在對(duì)試驗(yàn)過程中Kaiser效應(yīng)時(shí)間依賴性的定性描述和分析，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制的研究涉及較少，且尚未形成成熟的理論和試驗(yàn)手段對(duì)Kaiser效應(yīng)時(shí)間依賴性進(jìn)行定量分析，亟需加強(qiáng)相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。關(guān)于圍壓對(duì)巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)演化規(guī)律的影響研究尚處于探索階段，隨著相關(guān)學(xué)科和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，可從微觀尺度上，利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)對(duì)不同圍壓條件下巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)進(jìn)行研究，使唯象的定性分析不斷向微觀定量化分析發(fā)展。利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域的地應(yīng)力還需深入研究，探明聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)與先前應(yīng)力多期性之間的關(guān)系。

（3）巖石Kaiser效應(yīng)與微裂紋分布狀況之間關(guān)系研究。從母巖鉆取巖芯的過程實(shí)質(zhì)就是巖芯應(yīng)力卸載過程，導(dǎo)致巖芯產(chǎn)生不同程度的損傷。損傷的發(fā)展實(shí)質(zhì)就是巖石內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展的宏觀表現(xiàn)，微裂紋與主應(yīng)力所成夾角對(duì)Kaiser效應(yīng)具有顯著性影響，這也是在同樣的試驗(yàn)環(huán)境條件下，部分巖樣聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)方法可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量原巖應(yīng)力，而部分巖樣聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)方法卻無法測(cè)量原巖應(yīng)力的原因。這些情況都說明了巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)可能與微裂紋分布狀況存在著某種聯(lián)系。為了進(jìn)一步提高Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力的精度和可靠性，需要進(jìn)一步加強(qiáng)Kaiser效應(yīng)與微裂紋分布狀況之間關(guān)系的研究。

（4）巖石Kaiser效應(yīng)的有效應(yīng)力區(qū)間研究。巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的有效應(yīng)力區(qū)間，是利用Kaiser效應(yīng)測(cè)量原巖應(yīng)力的前提條件。目前關(guān)于巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的有效應(yīng)力區(qū)間研究，還沒有一個(gè)較為明確的結(jié)論。因此，可以結(jié)合裂紋體積應(yīng)變法得到不同特征應(yīng)力，對(duì)Kaiser效應(yīng)的有效應(yīng)力區(qū)間進(jìn)行較為系統(tǒng)性的研究。

（5）Kaiser效應(yīng)在原巖應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用研究。隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)、油氣田開采、地?zé)豳Y源開發(fā)、地下工程、地下核廢料等地下空間距地表的深度不斷增加，原巖應(yīng)力成為了這些地下巖石工程開發(fā)與利用中不可或缺的重要基礎(chǔ)參數(shù)，由于巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制尚不清晰，直接利用Kaiser效應(yīng)法測(cè)量原巖應(yīng)力可能會(huì)存在著一定的問題。而在深部資源開采及地下空間開發(fā)建設(shè)過程中，原巖應(yīng)力又是一個(gè)較為重要的力學(xué)參數(shù)。因此，結(jié)合深部巖石工程實(shí)際，可以嘗試?yán)迷粶y(cè)量（水壓致裂、套孔應(yīng)力解除法）方式對(duì)比較重要位置進(jìn)行測(cè)量，其次利用插值計(jì)算的方式，對(duì)地下所測(cè)區(qū)域原巖應(yīng)力進(jìn)行粗略估算；然后利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法，對(duì)所測(cè)區(qū)域的原巖應(yīng)力異常點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；最后利用原位測(cè)量方式對(duì)原巖應(yīng)力異常位置進(jìn)行測(cè)量。