巖石聲發射Kaiser效應研究現狀及展望

趙 奎 項威斌 曾 鵬 楊道學 伍文凱 龔 囪 楊賢達

（1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，江西贛州341000）

1 研究背景

材料或結構在外部載荷作用過程中發生變形或失穩破壞時，其局部能量源被快速釋放產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射（Acoustic Emission，AE）現象。利用儀器監測、記錄、分析聲發射信號，利用聲發射信號對材料或結構進行動態無損檢測等相關的技術稱為聲發射技術［1］。較早時期，人們對不同材料所產生的聲發射現象就有了初步的認識，并將這種現象稱之為“錫鳴”、“地音”等。德國學者Kaiser于1950年第一次對金屬拉伸試驗過程中的聲發射特征進行了系統性研究，研究結果表明，當載荷應力未超過材料先前所受最大應力時，沒有明顯的聲發射現象；當載荷應力超過材料先前所受最大應力時，聲發射活動顯著增加。上述研究表明：金屬材料在拉伸載荷作用過程中產生的聲發射活動具有應力記憶特性，通過聲發射活動的顯著性可測出材料以往所受應力，這種現象稱為聲發射Kaiser效應。Kaiser效應反映了巖石聲發射現象的可逆性，但在相對較高應力水平階段巖石聲發射現象是不可逆的，此時可利用Felicity效應描述聲發射不可逆性現象。Felicity效應是指當施加應力小于前期所受過的最高應力水平時聲發射開始顯著增多的現象。普遍認為聲發射Kaiser效應的發現是現代聲發射技術研究及應用的開始［2］。隨后，美國學者SCHOFIELD等對金屬材料塑性變形破壞過程的聲發射現象進行了相關研究，“聲發射”這個名詞也被正式使用［3］。1962年，日本學者茂木清夫（MOGI K）開展了巖石變形破壞過程中聲發射與地震關系的研究［4］。1963年，GOODMAN通過試驗證實了巖石材料在變形破壞過程中也具有明顯的Kaiser效應［5］，即巖石材料也具有記憶先前應力的能力，由此拉開了巖石聲發射Kaiser效應研究的序幕。由于多數巖石均具有顯著的聲發射Kaiser效應，使得巖石聲發射Kaiser效應成為測量原巖應力的一種常用方法［6］。巖石聲發射Kaiser效應的研究不僅是聲發射技術在巖石力學與工程領域內的一個主要研究方向，也是聲發射技術在巖石力學與工程中應用的主要起始點。

近數十年來，國內外學者對巖石的聲發射Kaiser效應進行了大量研究。文獻［7］對不同類型巖石的聲發射Kaiser效應特征進行了研究。研究結果表明：玄武巖對高應力條件下的先前應力水平具有較好的記憶能力；花崗巖與石英砂巖的應力記憶能力對外部載荷條件要求相對較低，在高、低應力條件下的先前應力都具有相對較好的記憶能力；泥巖無論在低應力還是在相對高應力條件下，對先前應力的記憶能力都比較差，幾乎觀察不到較為明顯的Kaiser效應。文獻［8］對不同類型沉積巖（礫巖、砂巖、泥巖）試樣的聲發射Kaiser效應進行了試驗。試驗結果表明：與砂巖以及泥巖相比，礫巖對先前應力具有更強的記憶能力。文獻［9］對花崗閃長巖、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行了增量循環加卸載的聲發射試驗。試驗表明：隨著循環次數的增加，矽卡巖、鉛鋅礦及花崗巖的Kaiser效應點所對應的應力與先前應力比值（FR值）在逐漸減小，鎢鉬礦的FR值維持在1左右。文獻［6］通過室內試驗探討了Kaiser效應與巖石類型之間的關系。試驗結果表明：大部分測試巖石均表現出顯著的Kaiser效應，如大理巖、Zinkgruvan鋅礦、Bolmen片麻巖、Bohus和Stripa花崗巖、Kiruna斑巖等；部分測試巖石表現出相對明顯的Kaiser效應，如Malmberget片麻巖、Kallax輝長巖、Viscaria綠泥巖、黃銅礦和Luossavaara斑巖等；也有部分測試巖石觀察不到Kaiser效應，如Malmberget鐵礦石、Luossavaara鐵礦石、Viscaria綠泥石、Kallax輝長巖等。文獻［10］對Kaiser效應與巖石、土等材料類型之間的關系進行了統計分析。統計結果表明：在花崗巖、花崗閃長巖、石英巖、安山巖、玄武巖、大理石、片巖、片麻巖、凝灰巖、砂巖、石灰巖、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射Kaiser效應；也有部分巖石中不存在聲發射Kaiser效應，這是由于巖石成巖的地質環境及其自身物理化學性質的差異性，導致利用巖石聲發射Kaiser效應測量原巖應力時也存在著較大的差異性。因此，文獻［11］認為巖石聲發射Kaiser效應只能用于對原巖應力的估算。上述研究表明，大多數巖石都存在較為顯著的Kaiser效應現象，也有一部分巖石Kaiser效應現象不明顯。

巖石聲發射Kaiser效應自提出以來，目前雖然尚未取得公認的原巖應力測量方法和Kaiser點識別標準，但由于其在巖石力學與工程研究領域內具有重要的理論和應用價值，一直是巖石力學與工程領域研究的前沿熱點問題。很重要的原因是原巖應力狀態的準確測定，對于采礦、水利水電、土木建筑等各種地下和露天開挖工程設計、施工以及穩定性分析具有重要意義。由于原巖應力分布信息不可能通過數學計算或模型分析方法獲得，因此要準確地了解一個地區原巖應力分布信息就必須進行大量的原巖應力測量工作［4］。大量實驗表明：原巖應力分布信息隨著空間和時間的不同而在不斷發生變化；即使在相同標高且水平距離只有數十米至百米條件下原巖應力分布信息也可能會存在較大差異，這是由于水平地質構造運動對原巖應力分布產生了巨大的影響。就地下礦山而言，只有在地下礦區布置較多原巖應力測量點才能比較準確地了解該礦區原巖應力的基本分布規律。而現場原位原巖應力測量，如套孔應力解除、水壓致裂等方法費時費力，實際巖石工程迫切需要更為簡便及低成本的原巖應力測量方法。我國大部分中小型地下礦山沒有進行過原巖應力測量，開采設計和圍巖穩定性分析所需的原巖應力資料主要是通過經驗定性分析或粗略估算得到。但是隨著開采規模的擴大和不斷向深部發展，根據經驗估算的方法對開采設計、施工過程中原巖應力進行估算往往會造成各種地下、露天工程失穩、坍塌或破壞等災害的發生，甚至嚴重時也可能會導致重大安全事故發生，影響巖石工程的正常進行。因此，研究和發展成本相對低廉、簡便實用，且具有較高測量精度和可靠性的原巖應力測量方法具有非常重大的現實意義。目前，原巖應力測量方法有數十種之多，其中，利用巖石聲發射Kaiser效應測量原巖應力是能夠在實驗室進行原巖應力測量的方法之一，與其它類型的原巖應力現場測量方法相比，聲發射法可以直接利用測點處巖石試塊或施工時留下的巖芯進行室內試驗測試。因此，聲發射法具有測量費用低，測量方法簡便、快捷，不受現場施工環境限制等突出優點，特別適用于礦山采礦工程優化設計，地下建筑物選址，大壩、穿山隧道等工程的原巖應力測量工作。盡管巖石聲發射Kaiser效應測量原巖應力還存在著不少問題，但國內外學者一直在堅持探究其主要原因。

對于深部資源開采而言，由于原位測量，如套孔應力解除法、水壓致裂法，只適合測量個別關鍵點的原巖應力信息，大范圍原巖應力信息獲取的簡便測量方法成為重要的研究課題，需要進一步發展類似于超聲波等大范圍的測定方法［12］，深部巖石聲發射Kaiser效應測量原巖應力，也是大范圍獲取原巖應力分布信息的重要方法之一，其具有可以在相對較大范圍內發現原巖應力異常區（如高應力區）等優勢［13］。由于深部巖體力學條件的復雜性，目前仍需進一步研究并完善巖石聲發射Kaiser效應測量地應力的方法。

隨著現代科技飛速發展，聲發射儀器不斷更新換代，為聲發射檢測技術的廣泛應用創造了條件。20世紀70年代DUNEGAN等研發了帶寬為102～106kHz的聲發射檢測設備。20世紀90年代美國物理聲學公司（PAC）和德國Vallen公司引入數字處理技術，陸續開發了數字化多通道聲發射檢測分析系統，聲發射儀器經過近數十年的更新換代，現代數字化全波形多通道聲發射儀及不同規格的高性能聲發射傳感器被廣泛應用［14］，為進一步深入研究巖石聲發射Kaiser效應提供了更為有效的硬件支撐。同時，巖石力學相關理論和學科的飛速發展，為不斷完善巖石聲發射理論體系提供了更有效的技術手段。

就巖石聲發射Kaiser效應研究而言，隨著現代電子通信技術的不斷更新發展，聲發射檢測設備的功能得到不斷完善，關于巖石聲發射Kaiser效應方面的研究進展日趨顯著。Kaiser效應分析方法由最初的單參數分析到多參數分析，到復雜的頻譜分析、小波分析等。目前，巖石聲發射技術的理論研究尚未完全成熟，這是由于巖石聲發射技術的理論研究普遍落后于工程實際應用，主要體現在對巖石變形破壞過程中聲發射信號的產生和傳播機制認識不足，對Kaiser效應的研究基本停留在定性、唯象層面上［15］。本研究在總結國內外研究成果的基礎上，系統梳理了巖石聲發射Kaiser效應研究現狀及其存在的問題，從巖石聲發射Kaiser效應產生機制、Kaiser效應點的識別方法及Kaiser效應的影響因素等方面進行了系統性討論，最后提出了巖石聲發射Kaiser效應今后的研究內容和主要方向。

2 研究現狀評述

2.1 Kaiser效應產生機理

Kaiser效應測量原巖應力的前提假設條件是，通過對不同方向的巖芯樣品進行單軸加載試驗，當加載應力超過先前應力時，聲發射事件顯著增加［11］。在非常理想的情況下，巖石在未達到加載方向的先前應力之前不會產生明顯的聲發射活動現象；當載荷應力超過最大先前應力時，由于巖石內部原生裂紋的擴展以及次生裂紋的孕育，聲發射活動會明顯增加［1］，這意味著巖石聲發射Kaiser效應與先前應力狀態下巖石微裂紋的擴展密切相關。當巖石加載超過先前應力時，非彈性應變引起的微裂紋擴展導致聲發射活動出現，這是對巖石聲發射Kaiser效應產生原因的一般性理解，即加載應力小于先前應力時，巖石內部不會產生新的裂紋或先前存在的裂紋不會擴展，聲發射的產生是由于先前裂紋擴展或新微裂紋等活動引起的［16-17］。

由于巖石試件內部不可避免地分布著大量非均勻的微裂紋，第一次加載通常會產生與裂紋閉合或壓實相關的“噪聲”信號，有可能會掩蓋巖石聲發射Kaiser效應。因此，SETO等［18］利用多次循環加卸載的試驗方法，對巖石聲發射Kaiser效應進行了研究。經過第一次循環加卸載試驗后，在第二次加載低于Kaiser效應點所對應的應力水平時，能夠較好地抑制“噪聲”產生，從而使得與Kaiser效應相關的聲發射活動表現得更加顯著。文獻［8］對此進行了較為深入地研究，試驗過程中作者將原生裂紋閉合以及顆粒間摩擦引起的聲發射活動定義為摩擦型聲發射，次生裂紋孕育引起的聲發射活動定義為破裂型聲發射。由于破裂型聲發射能夠更好地反映聲發射對應力的記憶效果，為了突顯Kaiser效應點，壓制摩擦型聲發射，建議在原巖應力測試過程中采用多次循環加載方式消除摩擦型聲發射的影響，預壓應力水平應超過預先估計的原巖應力。這種消除“噪聲”試驗的困難在于先前應力（原巖應力）不明確，第二次加載應力值很難確定。如果第一次加載應力值未達到先前應力值，則不能有效抑制“噪聲”。如果第一次加載應力值超過先前應力值較多時，將會產生明顯的非彈性體積應變，卸載后巖石內部的損傷將影響第二次加載過程中的聲發射行為，即有可能會導致Kaiser效應轉變為Felicity效應。

文獻［19］利用巖石破裂過程分析軟件（RFPA）對3種不同應力路徑下巖石試樣的聲發射特征進行了數值模擬。模擬結果表明：巖石聲發射Kaiser效應記憶的不是先前應力，而是巖石內部的損傷程度。實際上，先前應力與卸載后的巖石損傷密切相關。文獻［20-21］研究結果表明：如果巖石先前所承受的最高應力水平超過了其損傷應力時，再次加載時尚未達到先期應力水平時，也會有顯著的聲發射活動產生，即產生Felicity效應。文獻［10，22-23］通過總結前人對巖石變形破壞過程中聲發射Kaiser效應產生機制的研究，認為巖石Kaiser效應的理論模型主要有4種，即裂隙滑移模型、可逆Griffith裂隙模型、硬幣狀裂紋擴展模型及翼狀裂紋模型。

文獻［24］研究表明，花崗巖聲發射Kaiser效應存在明顯的應力上限，其上限值為峰值應力的65%左右。文獻［10］研究表明：先前應力與峰值應力的比值為0.3～0.8時，才可能有較明顯的Kaiser效應。文獻［16，21］研究表明：如果先前應力超過體積膨脹點，即擴容點、損傷應力點，卸載后重新加載未達到先前應力時，就會產生大量微裂紋，出現顯著的聲發射現象，而這種情況不能通過Kaiser效應測定先前應力，也就是說超過損傷應力后，巖石不會出現較為顯著的聲發射Kaiser效應現象。由于載荷應力超過損傷應力后，巖石內部微裂紋進入不穩定擴展階段，卸載后巖石將產生不可恢復的損傷，這也是Kaiser效應失效的最根本原因。

綜上所述：當先前應力小于損傷應力時，先前應力引起的損傷不足以造成微結構破壞、強度降低，即損傷（可用孔隙率表征）比較小時，Kaiser效應才存在；對于高孔隙率的巖石，即損傷嚴重的條件下，無論先前應力多大，都不會出現顯著的Kaiser效應。Kaiser效應的有效性，取決于先前應力及原生裂紋綜合作用引起的巖石損傷狀態。文獻［25-26］進一步研究表明：對于高孔隙率（n＞10%）巖石，其損傷應力與峰值應力的比值小于該類巖石平均值；而低孔隙率（n＜10%）巖石，其損傷應力與峰值應力的比值高于該類巖石的平均值。對于在先前應力作用后卸載的情況下引起的孔隙率（損傷量）達到較高值時，如孔隙率n＞10%，造成巖石自身強度降低，這種損傷致使Kaiser效應失效，出現Felicity效應。

以上研究分析表明，巖石聲發射Kaiser效應上限應力小于損傷應力，而對于Kaiser效應的下限應力與起裂應力之間的關系尚未有明確的結論。

2.2 Kaiser效應點識別

由Kaiser效應的產生機制和定義可知：當加載應力小于加載方向的先前應力時，聲發射事件數相對較少，非常理想的情況下是沒有聲發射活動產生；超過先前應力則有顯著的聲發射活動產生。因此，將聲發射參數累計曲線上升點作為Kaiser效應點成為普遍采用的識別方法，如圖1所示［10］。這種情況在實際試驗中很少出現，是因為巖樣內部不僅存在原生微裂紋，同時在取樣過程中巖樣經歷了卸載作用，巖樣在卸載過程中產生微裂紋，加載開始時巖樣內部微裂紋的閉合也會產生低頻低能的摩擦型聲發射信號。

如何將“聲發射數量少”、“聲發射顯著產生”這些定性表述進行科學量化表示，是進行Kaiser效應點識別的前提。TADASHI等［27］早期在運用巖石聲發射Kaiser效應測量原巖應力時，假設定向試樣在單軸加載過程中所確定的Kaiser效應點為試樣在地殼中加載方向上所對應的法向應力分量，并建議對6個不同方向的巖芯進行試驗，獲得取樣點處的原巖應力。該課題組提出的Kaiser效應點具體識別方法為：首先繪制聲發射累計數與加載應力關系圖，當加載應力未達到先前應力時，由聲發射累計數與加載應力之間散點回歸得到的直線斜率相對較??；當加載應力超過先前應力時，由聲發射累計數與加載應力之間散點回歸得到的直線斜率較大，由此識別Kaiser效應點，進而得到加載方向上原巖應力值，如圖2所示。這種通過聲發射累計數與加載應力之間線性回歸，將2個回歸直線的交點作為Kaiser效應點，成為一種通過巖石聲發射試驗識別Kaiser效應點的一般性方法［10，28］。

除了上述提及方法外，也可以將時間（或應力）作為橫坐標，巖石加載過程中聲發射某個參數（或某個參數的累計）作為縱坐標，然后根據該參數（或參數累計）隨時間（或應力）變化的急劇程度，將急劇變化的起始點（激增點）作為Kaiser效應點，所對應的應力即為該試件在加載方向上的先前應力。通常情況下會采用聲發射事件率、聲發射累計事件與時間、應力的關系圖確定Kaiser效應點［18］，如圖3所示。為了更好地識別聲發射激增點，文獻［29-30］在聲發射參數或累計參數與時間或應力關系曲線的基礎上，利用切線法對巖石聲發射Kaiser效應點進行了識別，如圖4所示。

為了能夠較為準確地對巖石聲發射Kaiser效應點進行識別，國內外學者進行了大量研究。文獻［31-32］提出了通過兩次循環加卸載的方式，對巖石聲發射Kaiser效應點進行判別。第一次循環加卸載過程中為摩擦型聲發射信號，為了消除第一次循環加卸載過程中摩擦型聲發射信號對Kaiser效應點識別產生的影響，將兩次加載過程中聲發射參數進行相減，通過相應的差值曲線可以更加方便地確定巖石聲發射Kaiser效應點。文獻［8，33］也利用上述兩次循環加卸載過程中聲發射累計參數相減方法，對巖石聲發射Kaiser效應點進行了有效地識別。文獻［34］根據聲發射累計事件數與加載應力的關系曲線，利用聲發射激增點法研究了不同加載速率對花崗巖、砂巖、灰巖和泥巖Kaiser效應的影響。文獻［35］根據含層理巖石的聲發射特征，提出了采用聲發射振鈴計數時差和時間—振鈴累計計數曲線傾角對Kaiser效應點進行綜合判斷的方法。文獻［36］通過研究頁巖在循環加卸載試驗過程中的Kaiser效應，認為利用切線法識別的Kaiser效應點，并不是真實的Kaiser效應點，需要將偽Kaiser點應力與地應力理論值進行對比，根據漂移應力比值計算電壓閾值、壓力曲線逆向尋點、重新獲取Kaiser點等步驟對試驗中的偽Kaiser點進行能量修正，找到真實的Kaiser效應點。

上述Kaiser效應點的識別研究，均是利用聲發射參數分析法。近十幾年來，國內外學者不斷嘗試引入分形、小波分析等理論，開展了聲發射波形分析法用以識別巖石聲發射Kaiser效應點的研究。文獻［30］在利用上述切線法對Kaiser效應點進行初次識別的基礎上，采用G-P分形算法得到Kaiser點及其附近點聲發射能量參數的分形維數特征。研究結果表明：可將聲發射能量參數的關聯維數最小值對應的點作為Kaiser效應點。文獻［37-38］從聲發射波形特征提取入手，利用分形及頻帶能量分析方法對巖石聲發射Kaiser效應點附近的聲發射波形進行分析，得到了較為系統性的巖石聲發射Kaiser效應點半定量識別方法。文獻［39］利用混沌時空序列分析方法，對巖石聲發射Kaiser效應點進行了識別，并通過快速傅里葉變換及小波分析方法，對巖石聲發射Kaiser效應點附近的聲發射信號能譜特征進行了分析，最后運用關聯積分、虛假鄰近點法及互信息法，對聲發射信號的混沌動力信息進行了研究。文獻［40］通過小波包變換對巖石聲發射信號進行濾波處理，再對濾波后的Kaiser效應點附近的聲發射信號進行頻譜分析，根據其頻譜特征對巖石聲發射Kaiser效應點進行判別。

上述研究表明：目前聲發射參數分析法仍是巖石聲發射Kaiser效應點識別的重要方法。其不足之處在于，難以定量化識別，研究人員正在嘗試對聲發射波形信號的頻譜、時空序列分布特征進行分析，以實現對巖石聲發射Kaiser效應點的半定量識別。

2.3 Kaiser效應的主要影響因素

2.3.1 加載速率對Kaiser效應的影響

在漫長的地質構造過程中，巖石在不同的地質時期，可能會經歷不同速率的水平構造運動。因此，為了研究不同速率的水平構造運動對巖石聲發射Kaiser效應的影響，通過不同加載速率的預加載試驗，模擬巖石在經歷不同速率水平構造運動過程中形成的先前應力。在巖石聲發射Kaiser效應測量試驗過程中，通常采用巖石力學試驗可以接受的加載速率進行加載試驗。但由于Kaiser效應產生機制尚不清晰，加載速率是否會對巖石聲發射Kaiser效應產生影響，是一個值得深入研究的課題。

（1）單軸壓縮過程加載速率對Kaiser效應的影響。文獻［34］對不同加載速率條件下的砂巖、泥巖及灰巖Kaiser效應進行了探討。試驗結果表明：不同的加載速率（0.01、0.02、0.04、0.05 MPa/s）對灰巖等脆性巖石的Kaiser效應幾乎無影響；而對砂巖和泥巖的Kaiser效應影響相對顯著，且隨著加載速率逐漸增大，Kaiser效應點所對應的應力值也在逐漸增大。文獻［20，41］研究了砂巖、鹽巖及灰巖在不同加載速率下的Kaiser效應，研究結果表明：加載速率（0.01、0.1、1 MPa/s）對砂巖及灰巖Kaiser效應的影響結果與文獻［34］研究結果基本一致；而加載速率對鹽巖Kaiser效應影響較為顯著，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）分級循環加卸載過程加載速率對Kaiser效應的影響。LAVROV［22］利用分級循環加卸載的加載方式，對不同加載速率條件下的石灰巖Kaiser效應進行了研究，研究結果表明：石灰巖在第3級循環加卸載條件下，FR值主要分布在0.86～0.90區間內。文獻［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）對紅砂巖進行了分級循環加卸載試驗。試驗結果表明：在同級循環條件下，加載速率及卸載速率對紅砂巖的FR值幾乎無影響；而隨著加載峰值應力的增大，紅砂巖的FR值逐漸減小，但其FR值主要分布在0.8～1.4區間內。文獻［23］對細砂巖進行了不同加載速率（0.01、0.05、0.25 kN/s）條件下的分級循環加卸載試驗。試驗結果表明：在第1級循環時，細砂巖的FR值分別為0.992、0.976、0.978；在第2級循環時，細砂巖的FR值分別為0.883、0.844、0.920。上述試驗結果表明，加載速率對細砂巖的Kaiser效應幾乎無影響。

綜上，加載速率對灰巖、紅砂巖、細砂巖等脆性巖石的聲發射Kaiser效應幾乎無影響。加載速率對砂巖、鹽巖、泥巖等巖石的聲發射Kaiser效應具有顯著影響。因此，在利用Kaiser效應測量鹽巖、砂巖及泥巖等巖石的原巖應力時，應先校正加載速率，以便提高測量精度?，F有研究表明：巖性、結構及成巖礦物成分的不同，導致加載速率對巖石Kaiser效應的影響也存在一定的差異性，目前關于加載速率對巖石聲發射Kaiser效應影響機制的研究涉及較少。因此，仍需要對加載速率與巖石聲發射Kaiser效應演化機制之間的關系進行更為深入地研究。

2.3.2 時間對Kaiser效應的影響

由巖石聲發射Kaiser效應的測量原理可知，在巖芯脫離母體后，需要經過一段時間的加工后才能進行Kaiser效應測量，巖芯從脫離母體到測量Kaiser效應的這段時間間隔對測量結果是否具有影響，直接關系到原巖應力的測量精度。因此，開展巖石聲發射Kaiser效應的時間依賴性研究具有重要意義。

（1）沉積巖。文獻［44］對泥巖、石灰巖、碳酸鹽巖、砂巖的聲發射Kaiser效應的時間依賴性進行了研究。結果表明：當兩次加載時間間隔小于10 h時，巖石Kaiser效應較為顯著；當兩次加載時間間隔大于1 000 h時，巖石Kaiser效應基本消失。對鹽巖聲發射Kaiser效應與時間依賴性之間關系的研究發現：當兩次加載時間間隔超過14 d時，其Kaiser效應依然較為顯著［45］。文獻［46］通過室內試驗對單軸壓縮、三點彎曲和巴西圓盤劈裂3種加載條件下，砂巖的Kaiser效應時間延遲性變化規律進行了研究。試驗結果表明：單軸壓縮條件下，砂巖Kaiser效應的兩次加載間隔在7 d以內時，Kaiser效應點所對應的應力與先前應力基本相等；當兩次加載間隔為7～12 d時，雖然再次加載過程中聲發射累計參數存在著明顯的拐點，但拐點在不斷向更高應力的方向移動；當兩次加載間隔大于12 d時，聲發射Kaiser效應現象變得模糊不清。三點彎曲條件下，砂巖Kaiser效應的兩次加載間隔在60 d以內時，都存在著較為顯著的Kaiser效應。巴西圓盤劈裂條件下，砂巖Kaiser效應的兩次加載間隔在60 d以內時，無法通過砂巖變形破壞過程中聲發射累計參數特征清晰地判別Kaiser效應點位置。上述試驗結果表明：單軸壓縮條件下，砂巖Kaiser效應具有較為顯著的時間依賴性；三點彎曲條件下，砂巖Kaiser效應對時間基本無依賴性，進而證實了砂巖聲發射Kaiser效應現象不僅與延遲時間相關，還與其加載方式存在較為顯著的相關性。

（2）巖漿巖。文獻［16］通過單軸壓縮加載方式對花崗巖聲發射Kaiser效應的時間依賴性進行了研究。研究結果表明：即使巖芯放置30 d后再進行加載試驗，其Kaiser效應點所對應的加載應力與先前應力幾乎完全相等。上述試驗結果說明時間因素對花崗巖聲發射Kaiser效應影響甚微。文獻［47］也對花崗巖聲發射Kaiser效應與時間依賴性的關系進行了研究，利用室內單軸加載方式預設先前應力，當兩次加載隔間為60 d時，花崗巖Kaiser效應依然較為顯著。文獻［16，47］研究結果均表明：時間延遲對花崗巖聲發射Kaiser效應幾乎無影響。文獻［48］對云南大紅山銅礦凝灰巖的聲發射Kaiser效應與時間的依賴性關系進行了探討。首先，通過單軸循環加卸載方式對凝灰巖進行首次預加載試驗；其次，對放置2、7、15、30、45 d后的巖樣進行再次加載，采集試驗過程中的聲發射信息。試驗結果表明：凝灰巖在首次加載與二次加載之間無時間間隔時，巖樣聲發射Kaiser效應特征較為顯著；先前應力水平越接近巖樣強度，則巖樣聲發射Kaiser效應的消退速率越快；先前應力介于巖石強度40%～80%范圍內時，巖石記憶先前應力的能力最強；隨著首次加載與再次加載時間間隔的增長，巖樣聲發射Kaiser效應也在逐漸消退；巖樣在首次加載與再次加載之間間隔為30 d時，巖樣聲發射Kaiser效應還能觀察到，但當兩次加載的時間間隔為45 d時，巖樣聲發射Kaiser效應基本完全消失，無法再觀察到。文獻［49］對劈裂條件下的粗晶花崗巖聲發射Kaiser效應與時間延遲性的關系進行了探討。研究結果表明：先前應力越接近巖樣強度，巖石聲發射的Felicity效應現象越顯著；隨著兩次加載時間間隔的增大，巖石聲發射Kaiser效應的顯著性逐漸降低。其中，兩次加載時間間隔為15 d時，花崗巖聲發射Kaiser效應現象仍然較為顯著；當兩次加載時間間隔為45 d時，花崗巖聲發射Kaiser效應現象基本消失。上述研究結果表明：花崗巖聲發射Kaiser效應的時間依賴性與先前應力所在的特征應力區間、加載方式及粒徑大小都存在一定的相關性。

（3）變質巖。文獻［44］對片麻巖、片巖聲發射Kaiser效應的時間依賴性進行了研究。研究發現：當兩次加載時間間隔小于10 h時，巖石聲發射Kaiser效應較為顯著；當兩次加載時間間隔大于1 000 h時，巖石聲發射Kaiser效應基本完全消失。文獻［48］對片巖Kaiser效應與時間的依賴性進行探討時，得到了與文獻［44］基本相同的試驗結果。在兩次加載時間間隔為30 d時，仍然可以觀察到片巖的聲發射Kaiser效應；當兩次加載時間間隔為45 d時，片巖的聲發射Kaiser效應現象基本消失。綜合分析文獻［44，48］可以發現：片巖的聲發射Kaiser效應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，表明片巖的聲發射Kaiser效應對時間具有一定的依賴性。文獻［50］對大理巖的Kaiser效應時間依賴性進行了探究，通過對大理巖巖樣進行單軸循環加卸載試驗，記錄下加載—卸載過程中的應力、應變值，兩個月后對大理巖巖樣進行了再次加載試驗。試驗結果表明：大理巖巖樣依然存在較為顯著的Kaiser效應現象，只是先前應力和應變值與Kaiser效應點所對應的應力與應變值相差較大。上述試驗結果表明：隨著兩次加載時間間隔的增大，大理巖巖樣Kaiser效應記憶先前應力的能力逐漸衰減。

上述研究表明：沉積巖（泥巖、石灰巖、碳酸鹽巖、砂巖及鹽巖）Kaiser效應具有顯著的時間依賴性。巖漿巖中典型的花崗巖，在單軸壓縮條件下Kaiser效應的時間依賴性不顯著，在劈裂條件下的聲發射Kaiser效應則具有顯著的時間依賴性。凝灰巖在單軸壓縮條件下，Kaiser效應也具有顯著的時間依賴性。變質巖（片巖、麻巖）的Kaiser效應具有顯著的時間依賴性?？梢?，巖石的聲發射Kaiser效應一般都具有顯著的時間依賴性，尤其是沉積巖與變質巖；由于巖漿巖的結晶方式、礦物成分及結構有別于沉積巖及變質巖，使得兩者Kaiser效應的時間依賴性具有顯著的差異性。

目前，國內外學者對不同類型的巖石聲發射Kaiser效應的時間依賴性進行了較為系統的研究，但主要集中在對試驗過程中Kaiser效應時間依賴性的定性描述和分析，對其產生機制的研究涉及較少，且尚未形成成熟的理論和試驗手段，亟需加強相關的理論和試驗研究。

2.3.3 圍壓對Kaiser效應的影響

原巖應力一般處于三軸應力狀態［10］，Kaiser效應試驗所用的巖芯經歷了三軸卸載過程，試驗中加載方向與主應力方向的不同，以及將三軸應力狀態簡化為單軸應力狀態，對真實Kaiser效應點識別的影響程度尚不明確。

（1）先前差異應力對Kaiser效應的影響。文獻［10］認為在三軸預加載過程中，巖石的損傷面會發生擴展，當單軸再次加載過程中損傷只有達到預加載的損傷面時，才會產生Kaiser效應。單軸加載過程中Kaiser效應點所對應的應力，通常會小于三軸預加載的先前差異應力（即最大主應力與最小主應力的差值）。為探討Kaiser效應點所對應的應力水平與先前應力之間的關系，文獻［51］采用三軸預加載方式為巖樣設計先前應力，再以單軸加載方式，對巖石聲發射Kaiser效應進行研究，并通過格里菲斯理論，對巖石的Kaiser效應產生機制進行了探討。結果表明：單軸加載條件下得到的Kaiser效應點所對應應力，既不等于先前應力也不等于先前差異應力。文獻［52］利用三軸循環加卸載的加載方式，對煤巖的聲發射Kaiser效應進行了研究。結果表明：當先前差異應力較小時，煤巖聲發射Kaiser效應無法觀察到；當先前差異應力較大時，煤巖聲發射Kaiser效應效果較為顯著。文獻［53］指出在先前差異應力相對較低的情況下，大理巖Kaiser效應具有方向獨立性；在先前差異應力相對較高的情況下，大理巖Kaiser效應點所對應的應力與先前差異應力相等。文獻［54］以花崗巖試件為研究對象，設定了不同的先前差異應力，進行圍壓分別為 5、10、15、20、25、30 MPa，軸向應力分別為10、15、25、40 MPa的試驗。通過將圍壓及軸向應力卸載至0后，再通過單軸加載方式對Kaiser效應進行了研究。研究表明：圍壓對Kaiser效應現象具有顯著影響。圍壓越大，Kaiser效應點所對應的應力與先前差異應力比值越小，Kaiser效應不明顯。通過上述文獻分析可知，先前差異應力對巖石聲發射Kaiser效應具有一定的影響，但具體的影響規律不明確。一般認為，圍壓越小，先前差異應力對Kaiser效應的影響越不明顯，其根本原因在于圍壓卸載后引起損傷的復雜性。

（2）不同的先前應力水平對Kaiser效應的影響。文獻［55］開展了紅砂巖三軸循環加卸載試驗，通過設計預加載軸向應力分別為抗壓強度的11%、30%、42%、61%、76%，圍壓分別為0、5、10、15、20 MPa，分析了Kaiser效應變化規律，研究得到圍壓對Kaiser效應具有顯著影響。低圍壓及高圍壓均會降低試件在不同先前軸向應力水平的記憶能力；圍壓為0、20 MPa時且先前軸向應力在巖石抗壓強度的30%～42%范圍內時，Kaiser效應現象顯著；圍壓為10 MPa時且先前軸向應力在巖石抗壓強度的11%～76%范圍內時，Kaiser效應現象顯著。文獻［56］研究了不同圍壓（10、20、30、35 MPa）條件下的二長花崗巖聲發射Kaiser效應演化特征規律。當先前軸向應力水平較高時，Kaiser效應會變得模糊不清，隨著圍壓水平升高，Kaiser效應模糊不清的現象得到改善；較低圍壓（10～20 MPa）下，隨著先前軸向應力水平升高，Kaiser效應現象也逐漸變得模糊不清，Felicity效應現象顯著。文獻［56］認為高圍壓使巖石內部微裂紋、孔隙等缺陷微結構被壓密，微裂紋的滑移面閉鎖及強度增加，高圍壓作用下，花崗巖Kaiser效應現象較為顯著。

綜上分析可知：目前關于圍壓對巖石聲發射Kaiser效應的影響已進行了大量試驗研究，但關于圍壓對巖石聲發射Kaiser效應演化規律的影響研究尚處于探索階段，隨著相關學科和現代測試技術的發展，可以嘗試利用現代測試技術，如CT、SEM等技術手段，從宏觀尺度向微觀尺度方向發展，同時可以借鑒其它學科的新方法和新技術，實現對巖石聲發射Kaiser效應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展。

2.3.4 多期性對Kaiser效應的影響

巖石在經歷漫長的地質歷史演化過程中，往往會經歷不同時期、不同強度及不同方向的地質構造作用，巖石應力記憶能力對研究該區域的地質構造演化歷史及原巖應力具有重要意義。但是，巖石聲發射Kaiser效應能否反映這種多期性的地質構造作用，與巖石對早期地質構造活動過程中原巖應力的記憶能力具有緊密聯系。因此，巖石記憶能力的衰退特性，以及如何判定Kaiser效應點所對應的應力與多期原巖應力之間的關系，是當今巖石聲發射Kaiser效應測量原巖應力過程中亟需解決的理論與現實問題。

對此有3種不同的觀點［7］：①巖石僅記憶其地質歷史演化過程中的最大原巖應力；②巖石對記憶所有地質構造演化歷史中原巖應力的能力都會發生衰減，而僅記憶現今原巖應力；③巖石對多期性原巖應力都具有記憶能力。巖石在多期地質構造作用過程中，是僅記憶了最大原巖應力值，還是多期原巖應力值都被記憶，對于這個問題，丁原辰等［57］曾提出“視凱澤效應”的概念，認為室內巖石AE試驗可獲得2個Kaiser效應點，一個對應于引起巖石飽和殘余應變的應力，它與現今應力場相一致，因此稱為視Kaiser點。在視Kaiser點之后，還可獲得另一個真正的Kaiser效應點，它對應于歷史上最大原巖應力，并據此提出了Kaiser效應可以反映材料對先前經歷過的損傷記憶能力的觀點。文獻［7］對8個鉆孔的52塊第三紀沙河街組三段巖石樣品進行了聲發射Kaiser效應多期性室內試驗。結果表明：巖石（砂巖及礫巖）確實存在著多期Kaiser效應，且巖石記憶的多期原巖應力，往往少于該巖石所經歷的地質構造作用期次，說明巖石記憶地質構造演化歷史中原巖應力能力存在著衰減現象。文獻［58］對取自某一電站壩址區海西期花崗巖樣品的聲發射Kaiser效應進行了研究，試驗中花崗巖試件在地質構造演化歷史中均經歷了多期地質構造作用，無論是采取循環加卸載的加載方式還是單軸壓縮的加載方式，均有數個巖石試件分別在30 MPa和55 MPa（巖石強度約為90 MPa）左右兩個應力值處產生大量聲發射事件。試驗結果表明：花崗巖試件記憶了兩期地質構造作用過程中的原巖應力，而實際上海西期花崗巖經歷了兩期以上的地質構造作用，進而再次證明巖石記憶地質構造演化歷史中原巖應力的能力確實存在著衰減現象。文獻［59］對石英砂巖多期Kaiser效應開展了相關試驗研究，提出了利用巖芯試件多期Kaiser效應提取研究區域古原巖應力的思路及初步方案。試驗結果表明：通過地質調查手段得知該研究區域地層在地質構造演化歷史上至少經歷過4期較為強烈的地質構造運動，并獲得了各期古原巖應力的相關參數，由于該研究區域的地質構造運動復雜，試驗過程中巖樣多期Kaiser效應的效果相對較差，利用巖樣多期Kaiser效應提取古原巖應力的方法還有待進一步研究。

綜上分析可知：Kaiser效應多期性在測量地質構造演化歷史中古地應力領域扮演著重要角色；同時，Kaiser效應多期性在測量原巖應力方面也具有一定的影響，若是研究區域地質構造演化歷史較為復雜，那么將會給巖石聲發射Kaiser效應測量原巖應力帶來困難。因此，巖石聲發射Kaiser效應測量地應力方法適用于地質構造演化歷史過程中未經歷太多次構造運動的區域。利用巖石聲發射Kaiser效應測量地質構造復雜區域的地應力還需進一步研究，建立更加全面的理論基礎。

3 總結與展望

本研究總結分析了國內外關于巖石聲發射Kaiser效應產生機制、識別方法及影響因素等方面的研究成果，討論了巖石聲發射Kaiser效應在測量原巖應力方面的難點、重點問題。巖聲發射Kaiser效應測量原巖應力今后的主要研究方向和內容為以下幾個方面。

（1）巖石聲發射Kaiser效應產生機制研究。國內外關于巖石聲發射Kaiser效應宏觀表征及其聲發射信號特征進行了大量的研究，但對巖石聲發射Kaiser效應產生機制的微細觀性研究還處于探索階段。巖石聲發射Kaiser效應是一個十分復雜的物理力學現象，它與巖石礦物成分、結構、微裂紋分布狀況、初始損傷及試驗環境都存在著緊密的聯系，很難通過簡單地控制室內試驗中幾個變量因素，來精確還原巖石在地質構造演化過程中經歷的構造運動情況。甚至同種巖石在同樣的試驗條件下Kaiser效應相差甚遠，因此，可以通過現代測試技術，如SEM、CT等技術對巖石結構、礦物成分、微裂紋分布狀況等因素的差異性進行定性及定量分析，對巖石聲發射Kaiser效應產生機制進行更為深入地研究。嘗試從損傷力學、統計學及斷裂力學角度建立巖石聲發射Kaiser效應的理論模型，實現從理論角度上對巖石聲發射Kaiser效應的產生機制進行解釋。同時，巖石聲發射Kaiser效應不僅是測量原巖應力的一種常用方法，通過對巖石Kaiser效應的研究，也可以進一步促進聲發射技術在巖石力學與工程領域中的應用，為巖石內部微裂紋演化機制的研究提供可靠的技術手段。

（2）巖石聲發射Kaiser效應與影響因素之間關系研究。加載速率對部分巖石聲發射Kaiser效應具有顯著影響，也有部分巖石聲發射Kaiser效應不受加載速率的影響，加載速率與巖石聲發射Kaiser效應演化機制之間的關系需要進一步研究。國內外學者對不同類型的巖石聲發射Kaiser效應的時間依賴性進行了較為系統的研究，但主要集中在對試驗過程中Kaiser效應時間依賴性的定性描述和分析，對其產生機制的研究涉及較少，且尚未形成成熟的理論和試驗手段對Kaiser效應時間依賴性進行定量分析，亟需加強相關的理論和試驗研究。關于圍壓對巖石聲發射Kaiser效應演化規律的影響研究尚處于探索階段，隨著相關學科和現代測試技術的發展，可從微觀尺度上，利用現代測試技術對不同圍壓條件下巖石聲發射Kaiser效應進行研究，使唯象的定性分析不斷向微觀定量化分析發展。利用巖石聲發射Kaiser效應測量地質構造復雜區域的地應力還需深入研究，探明聲發射Kaiser效應與先前應力多期性之間的關系。

（3）巖石Kaiser效應與微裂紋分布狀況之間關系研究。從母巖鉆取巖芯的過程實質就是巖芯應力卸載過程，導致巖芯產生不同程度的損傷。損傷的發展實質就是巖石內部微裂紋擴展的宏觀表現，微裂紋與主應力所成夾角對Kaiser效應具有顯著性影響，這也是在同樣的試驗環境條件下，部分巖樣聲發射Kaiser效應方法可以較為準確地測量原巖應力，而部分巖樣聲發射Kaiser效應方法卻無法測量原巖應力的原因。這些情況都說明了巖石聲發射Kaiser效應可能與微裂紋分布狀況存在著某種聯系。為了進一步提高Kaiser效應測量原巖應力的精度和可靠性，需要進一步加強Kaiser效應與微裂紋分布狀況之間關系的研究。

（4）巖石Kaiser效應的有效應力區間研究。巖石聲發射Kaiser效應的有效應力區間，是利用Kaiser效應測量原巖應力的前提條件。目前關于巖石聲發射Kaiser效應的有效應力區間研究，還沒有一個較為明確的結論。因此，可以結合裂紋體積應變法得到不同特征應力，對Kaiser效應的有效應力區間進行較為系統性的研究。

（5）Kaiser效應在原巖應力測量領域的應用研究。隨著礦產資源開發、油氣田開采、地熱資源開發、地下工程、地下核廢料等地下空間距地表的深度不斷增加，原巖應力成為了這些地下巖石工程開發與利用中不可或缺的重要基礎參數，由于巖石聲發射Kaiser效應產生機制尚不清晰，直接利用Kaiser效應法測量原巖應力可能會存在著一定的問題。而在深部資源開采及地下空間開發建設過程中，原巖應力又是一個較為重要的力學參數。因此，結合深部巖石工程實際，可以嘗試利用原位測量（水壓致裂、套孔應力解除法）方式對比較重要位置進行測量，其次利用插值計算的方式，對地下所測區域原巖應力進行粗略估算；然后利用巖石聲發射Kaiser效應法，對所測區域的原巖應力異常點進行識別；最后利用原位測量方式對原巖應力異常位置進行測量。