基于声发射数据点云的岩石破裂角和扩容定量评价

应力波能否产生声音？声波和应力波在固体介质中传播的根本机理是什么？这些问题尚得到根本性解决。传统理论认为固体声子是原子晶胞或分子晶胞，声波通过声子振动引起波动进而引起传播。这种认识极其片面与狭隘，其模型与应力波传播模型无本质差别，导致许多室内试验和工程现象认识不清楚。在岩石力学专业中，室内测试多从应力的角度进行解读；而在工程实践中，则多以声波等各种测试方法为主。这就涉及到一个核心问题，连续介质力学的基本概念与声学的基本概念之间是否有天然的联系，若是从应用的角度出发，传统理论认为的声子尺度与应力波模型建立的单元尺度虽有差异，但无本质差异，这一点是相通的，但在具体实践中声发射信号云团和应力或者应力波关系的建立鲜有研究，导致室内和现场2种测试方法并存且无法统一，互相验证。若从理论角度出发，本质原因是声子和力学单元在尺度上存在着突变，无法用振动或波动模型解决，波动模型也是架构在连续介质模型中，忽略了真空场介质中的光子作用。

底层模型的正确假设和建立是根本性统一室内和工程现象的前提，岩石破裂产生的声音信号传输并被定位用于解释岩爆、煤爆、冲击地压等动力灾害，但同时应力场的演化也是解读动力灾害的基础，声学和力学在同样的现象前，能否建立关联模型用于揭示动力等灾害的本质，关键在于建立合理的测度体系。理论上，力学单元可以无限小；声子单元也可以达到波长尺度，但缺乏实际操作性，试验和理论工作均难以开展，且对于工程研究缺乏必要性。基于此，本文从临界力学角度出发，构建了一种团簇测度用来度量裂隙网络的拓扑连通性，搭建可以同时度量声发射云团和应力场的桥梁，在统一的测度体系下构建声波变量和力学变量间的关系。

针对三轴压缩条件下扩容行为与裂隙网络拓扑连通的相关性，分析了声发射信号云团内的空间相关性。利用3个花岗岩样品在5 MPa、20 MPa和30 MPa围压下进行三轴压缩试验，采集声发射信号。主要结论如下：

1. 提出了一种描述随机分布声发射信号空间相关性的立方体聚类方法。在此基础上，对扩容行为与声发射信号云的相关性进行了分析。不可见裂隙网络的描述是通过演化立方体团簇间接实现的。为了进行定量分析，引入了2个描述变量，包括立方体团簇的三轴长度总和与孔隙分数，这2个描述变量对剪胀行为都表现出很强的线性依赖性。验证了所建立的立方体团簇对剪胀行为的敏感性。
2. 立方体团簇模型为计算三轴压缩下的演化损伤提供了一种新的工具。基于立方体团簇的扩容性和孔隙率的增加，对2种损伤计算进行了比较。二者表明，最终损伤与体积应变增量的增加呈线性关系。然而，2种方法存在偏差，说明了精确计算进化损伤的复杂性。
3. 基于立方体聚类方法，通过模拟演化声发射信号云的空间相关性，预测断裂角是可行的。对于不同围压下的3个花岗岩样品，2个破裂角均显示出与体积应变增量的强线性关系。4种经典经验模型预测的裂缝角度存在明显偏差，这给用唯一的参数描述空间曲面裂缝带来了巨大困难。基于团簇计算的破裂角度与实际测量角度的微小差异验证了使用立方体团簇模型计算断裂角度的有效性。薛东杰，副教授(博导)，本硕博均攻读工程力学专业，担任国家双一流工程力学本科专业力学系副主任，首批全国党建工作样板支部力学党支部纪委委员，国家重点研发计划项目课题执行课题长。长期致力于深地能源开采中矿山非线性岩体力学、非线性渗流力学研究，基于力学几何化思想，引入分形理论、逾渗理论、重正化理论、拓扑理论，创立了非连续采动力学、临界力学和团簇力学，构建了从工程应用到基础力学原理服务于智能采矿的三重理论力学链条。以本为本，以研哺本，近年来主讲理论力学、材料力学、矢量分析与场论、非常规渗流力学、智能岩石力学等课程，面向国际化搭建了团队交流平台www.xuedongjie.cn，受邀在北京科技大学等能源类院校作了“岩石破裂团簇力学行为”、“岩石力学与声学测试的桥梁：逾渗团簇建模”、“用力学人的视角审视高水平国际期刊审稿和录用标准”、“西部浅埋煤层开采几何化力学模型”、“非常规开采诱发的渗流临界力学现象及表征”、“临界力学现象及表征”及“非连续采动力学原理”等学术报告。笔者秉持冷板凳精神，坚守“把论文写在祖国的大地上”的时代使命，发表在《岩石力学与工程学报》、《J Rock Mech Geotech Eng》、《Int J Min Sci Tech》、《Int J Rock Mech Min Sci》、《Rock Mech Rock Eng》等国内外高层次期刊上近70篇，SCI/EI收录60余篇(近3年发表在《Int J Rock Mech Min Sci》等顶级期刊近29篇，SCI/EI收录24篇，第一作者18篇)，获教育部科学技术进步一等奖2项，其他科研教学奖20余项，目前担任《Int J Coal Sci Tech》副主编、《中国矿业大学学报》(中英文版)青年编委，是国家级一流课程“材料力学”中国大学MOOC的主讲人之一，作为骨干成员入选国家级“工程力学A2”课程思政教学名师和教学团队，指导学生获得国际工程力学竞赛、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛等国际、国内赛事省部级奖近10余项。
   
   Schematic illustration of (a) two descriptive methods based on spatial distribution and correlationof AE signal cloud and (b) the original thinking of spatial correlation model.