岩石声发射Kaiser效应研究现状及展望

赵 奎 项威斌 曾 鹏 杨道学 伍文凯 龚 囱 杨贤达

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西赣州341000）

1 研究背景

材料或结构在外部载荷作用过程中发生变形或失稳破坏时，其局部能量源被快速释放产生瞬态弹性波的现象称为声发射（Acoustic Emission，AE）现象。利用仪器监测、记录、分析声发射信号，利用声发射信号对材料或结构进行动态无损检测等相关的技术称为声发射技术［1］。较早时期，人们对不同材料所产生的声发射现象就有了初步的认识，并将这种现象称之为“锡鸣”、“地音”等。德国学者Kaiser于1950年第一次对金属拉伸试验过程中的声发射特征进行了系统性研究，研究结果表明，当载荷应力未超过材料先前所受最大应力时，没有明显的声发射现象；当载荷应力超过材料先前所受最大应力时，声发射活动显著增加。上述研究表明：金属材料在拉伸载荷作用过程中产生的声发射活动具有应力记忆特性，通过声发射活动的显著性可测出材料以往所受应力，这种现象称为声发射Kaiser效应。Kaiser效应反映了岩石声发射现象的可逆性，但在相对较高应力水平阶段岩石声发射现象是不可逆的，此时可利用Felicity效应描述声发射不可逆性现象。Felicity效应是指当施加应力小于前期所受过的最高应力水平时声发射开始显著增多的现象。普遍认为声发射Kaiser效应的发现是现代声发射技术研究及应用的开始［2］。随后，美国学者SCHOFIELD等对金属材料塑性变形破坏过程的声发射现象进行了相关研究，“声发射”这个名词也被正式使用［3］。1962年，日本学者茂木清夫（MOGI K）开展了岩石变形破坏过程中声发射与地震关系的研究［4］。1963年，GOODMAN通过试验证实了岩石材料在变形破坏过程中也具有明显的Kaiser效应［5］，即岩石材料也具有记忆先前应力的能力，由此拉开了岩石声发射Kaiser效应研究的序幕。由于多数岩石均具有显著的声发射Kaiser效应，使得岩石声发射Kaiser效应成为测量原岩应力的一种常用方法［6］。岩石声发射Kaiser效应的研究不仅是声发射技术在岩石力学与工程领域内的一个主要研究方向，也是声发射技术在岩石力学与工程中应用的主要起始点。

近数十年来，国内外学者对岩石的声发射Kaiser效应进行了大量研究。文献［7］对不同类型岩石的声发射Kaiser效应特征进行了研究。研究结果表明：玄武岩对高应力条件下的先前应力水平具有较好的记忆能力；花岗岩与石英砂岩的应力记忆能力对外部载荷条件要求相对较低，在高、低应力条件下的先前应力都具有相对较好的记忆能力；泥岩无论在低应力还是在相对高应力条件下，对先前应力的记忆能力都比较差，几乎观察不到较为明显的Kaiser效应。文献［8］对不同类型沉积岩（砾岩、砂岩、泥岩）试样的声发射Kaiser效应进行了试验。试验结果表明：与砂岩以及泥岩相比，砾岩对先前应力具有更强的记忆能力。文献［9］对花岗闪长岩、角岩、矽卡岩、铜矿、钨钼矿和铅锌矿等6种不同类型的岩石进行了增量循环加卸载的声发射试验。试验表明：随着循环次数的增加，矽卡岩、铅锌矿及花岗岩的Kaiser效应点所对应的应力与先前应力比值（FR值）在逐渐减小，钨钼矿的FR值维持在1左右。文献［6］通过室内试验探讨了Kaiser效应与岩石类型之间的关系。试验结果表明：大部分测试岩石均表现出显著的Kaiser效应，如大理岩、Zinkgruvan锌矿、Bolmen片麻岩、Bohus和Stripa花岗岩、Kiruna斑岩等；部分测试岩石表现出相对明显的Kaiser效应，如Malmberget片麻岩、Kallax辉长岩、Viscaria绿泥岩、黄铜矿和Luossavaara斑岩等；也有部分测试岩石观察不到Kaiser效应，如Malmberget铁矿石、Luossavaara铁矿石、Viscaria绿泥石、Kallax辉长岩等。文献［10］对Kaiser效应与岩石、土等材料类型之间的关系进行了统计分析。统计结果表明：在花岗岩、花岗闪长岩、石英岩、安山岩、玄武岩、大理石、片岩、片麻岩、凝灰岩、砂岩、石灰岩、白云岩、粉砂岩、页岩、岩盐、钾盐岩、黏性颗粒土、煤等材料中均存在声发射Kaiser效应；也有部分岩石中不存在声发射Kaiser效应，这是由于岩石成岩的地质环境及其自身物理化学性质的差异性，导致利用岩石声发射Kaiser效应测量原岩应力时也存在着较大的差异性。因此，文献［11］认为岩石声发射Kaiser效应只能用于对原岩应力的估算。上述研究表明，大多数岩石都存在较为显著的Kaiser效应现象，也有一部分岩石Kaiser效应现象不明显。

岩石声发射Kaiser效应自提出以来，目前虽然尚未取得公认的原岩应力测量方法和Kaiser点识别标准，但由于其在岩石力学与工程研究领域内具有重要的理论和应用价值，一直是岩石力学与工程领域研究的前沿热点问题。很重要的原因是原岩应力状态的准确测定，对于采矿、水利水电、土木建筑等各种地下和露天开挖工程设计、施工以及稳定性分析具有重要意义。由于原岩应力分布信息不可能通过数学计算或模型分析方法获得，因此要准确地了解一个地区原岩应力分布信息就必须进行大量的原岩应力测量工作［4］。大量实验表明：原岩应力分布信息随着空间和时间的不同而在不断发生变化；即使在相同标高且水平距离只有数十米至百米条件下原岩应力分布信息也可能会存在较大差异，这是由于水平地质构造运动对原岩应力分布产生了巨大的影响。就地下矿山而言，只有在地下矿区布置较多原岩应力测量点才能比较准确地了解该矿区原岩应力的基本分布规律。而现场原位原岩应力测量，如套孔应力解除、水压致裂等方法费时费力，实际岩石工程迫切需要更为简便及低成本的原岩应力测量方法。我国大部分中小型地下矿山没有进行过原岩应力测量，开采设计和围岩稳定性分析所需的原岩应力资料主要是通过经验定性分析或粗略估算得到。但是随着开采规模的扩大和不断向深部发展，根据经验估算的方法对开采设计、施工过程中原岩应力进行估算往往会造成各种地下、露天工程失稳、坍塌或破坏等灾害的发生，甚至严重时也可能会导致重大安全事故发生，影响岩石工程的正常进行。因此，研究和发展成本相对低廉、简便实用，且具有较高测量精度和可靠性的原岩应力测量方法具有非常重大的现实意义。目前，原岩应力测量方法有数十种之多，其中，利用岩石声发射Kaiser效应测量原岩应力是能够在实验室进行原岩应力测量的方法之一，与其它类型的原岩应力现场测量方法相比，声发射法可以直接利用测点处岩石试块或施工时留下的岩芯进行室内试验测试。因此，声发射法具有测量费用低，测量方法简便、快捷，不受现场施工环境限制等突出优点，特别适用于矿山采矿工程优化设计，地下建筑物选址，大坝、穿山隧道等工程的原岩应力测量工作。尽管岩石声发射Kaiser效应测量原岩应力还存在着不少问题，但国内外学者一直在坚持探究其主要原因。

对于深部资源开采而言，由于原位测量，如套孔应力解除法、水压致裂法，只适合测量个别关键点的原岩应力信息，大范围原岩应力信息获取的简便测量方法成为重要的研究课题，需要进一步发展类似于超声波等大范围的测定方法［12］，深部岩石声发射Kaiser效应测量原岩应力，也是大范围获取原岩应力分布信息的重要方法之一，其具有可以在相对较大范围内发现原岩应力异常区（如高应力区）等优势［13］。由于深部岩体力学条件的复杂性，目前仍需进一步研究并完善岩石声发射Kaiser效应测量地应力的方法。

随着现代科技飞速发展，声发射仪器不断更新换代，为声发射检测技术的广泛应用创造了条件。20世纪70年代DUNEGAN等研发了带宽为102～106kHz的声发射检测设备。20世纪90年代美国物理声学公司（PAC）和德国Vallen公司引入数字处理技术，陆续开发了数字化多通道声发射检测分析系统，声发射仪器经过近数十年的更新换代，现代数字化全波形多通道声发射仪及不同规格的高性能声发射传感器被广泛应用［14］，为进一步深入研究岩石声发射Kaiser效应提供了更为有效的硬件支撑。同时，岩石力学相关理论和学科的飞速发展，为不断完善岩石声发射理论体系提供了更有效的技术手段。

就岩石声发射Kaiser效应研究而言，随着现代电子通信技术的不断更新发展，声发射检测设备的功能得到不断完善，关于岩石声发射Kaiser效应方面的研究进展日趋显著。Kaiser效应分析方法由最初的单参数分析到多参数分析，到复杂的频谱分析、小波分析等。目前，岩石声发射技术的理论研究尚未完全成熟，这是由于岩石声发射技术的理论研究普遍落后于工程实际应用，主要体现在对岩石变形破坏过程中声发射信号的产生和传播机制认识不足，对Kaiser效应的研究基本停留在定性、唯象层面上［15］。本研究在总结国内外研究成果的基础上，系统梳理了岩石声发射Kaiser效应研究现状及其存在的问题，从岩石声发射Kaiser效应产生机制、Kaiser效应点的识别方法及Kaiser效应的影响因素等方面进行了系统性讨论，最后提出了岩石声发射Kaiser效应今后的研究内容和主要方向。

2 研究现状评述

2.1 Kaiser效应产生机理

Kaiser效应测量原岩应力的前提假设条件是，通过对不同方向的岩芯样品进行单轴加载试验，当加载应力超过先前应力时，声发射事件显著增加［11］。在非常理想的情况下，岩石在未达到加载方向的先前应力之前不会产生明显的声发射活动现象；当载荷应力超过最大先前应力时，由于岩石内部原生裂纹的扩展以及次生裂纹的孕育，声发射活动会明显增加［1］，这意味着岩石声发射Kaiser效应与先前应力状态下岩石微裂纹的扩展密切相关。当岩石加载超过先前应力时，非弹性应变引起的微裂纹扩展导致声发射活动出现，这是对岩石声发射Kaiser效应产生原因的一般性理解，即加载应力小于先前应力时，岩石内部不会产生新的裂纹或先前存在的裂纹不会扩展，声发射的产生是由于先前裂纹扩展或新微裂纹等活动引起的［16-17］。

由于岩石试件内部不可避免地分布着大量非均匀的微裂纹，第一次加载通常会产生与裂纹闭合或压实相关的“噪声”信号，有可能会掩盖岩石声发射Kaiser效应。因此，SETO等［18］利用多次循环加卸载的试验方法，对岩石声发射Kaiser效应进行了研究。经过第一次循环加卸载试验后，在第二次加载低于Kaiser效应点所对应的应力水平时，能够较好地抑制“噪声”产生，从而使得与Kaiser效应相关的声发射活动表现得更加显著。文献［8］对此进行了较为深入地研究，试验过程中作者将原生裂纹闭合以及颗粒间摩擦引起的声发射活动定义为摩擦型声发射，次生裂纹孕育引起的声发射活动定义为破裂型声发射。由于破裂型声发射能够更好地反映声发射对应力的记忆效果，为了突显Kaiser效应点，压制摩擦型声发射，建议在原岩应力测试过程中采用多次循环加载方式消除摩擦型声发射的影响，预压应力水平应超过预先估计的原岩应力。这种消除“噪声”试验的困难在于先前应力（原岩应力）不明确，第二次加载应力值很难确定。如果第一次加载应力值未达到先前应力值，则不能有效抑制“噪声”。如果第一次加载应力值超过先前应力值较多时，将会产生明显的非弹性体积应变，卸载后岩石内部的损伤将影响第二次加载过程中的声发射行为，即有可能会导致Kaiser效应转变为Felicity效应。

文献［19］利用岩石破裂过程分析软件（RFPA）对3种不同应力路径下岩石试样的声发射特征进行了数值模拟。模拟结果表明：岩石声发射Kaiser效应记忆的不是先前应力，而是岩石内部的损伤程度。实际上，先前应力与卸载后的岩石损伤密切相关。文献［20-21］研究结果表明：如果岩石先前所承受的最高应力水平超过了其损伤应力时，再次加载时尚未达到先期应力水平时，也会有显著的声发射活动产生，即产生Felicity效应。文献［10，22-23］通过总结前人对岩石变形破坏过程中声发射Kaiser效应产生机制的研究，认为岩石Kaiser效应的理论模型主要有4种，即裂隙滑移模型、可逆Griffith裂隙模型、硬币状裂纹扩展模型及翼状裂纹模型。

文献［24］研究表明，花岗岩声发射Kaiser效应存在明显的应力上限，其上限值为峰值应力的65%左右。文献［10］研究表明：先前应力与峰值应力的比值为0.3～0.8时，才可能有较明显的Kaiser效应。文献［16，21］研究表明：如果先前应力超过体积膨胀点，即扩容点、损伤应力点，卸载后重新加载未达到先前应力时，就会产生大量微裂纹，出现显著的声发射现象，而这种情况不能通过Kaiser效应测定先前应力，也就是说超过损伤应力后，岩石不会出现较为显著的声发射Kaiser效应现象。由于载荷应力超过损伤应力后，岩石内部微裂纹进入不稳定扩展阶段，卸载后岩石将产生不可恢复的损伤，这也是Kaiser效应失效的最根本原因。

综上所述：当先前应力小于损伤应力时，先前应力引起的损伤不足以造成微结构破坏、强度降低，即损伤（可用孔隙率表征）比较小时，Kaiser效应才存在；对于高孔隙率的岩石，即损伤严重的条件下，无论先前应力多大，都不会出现显著的Kaiser效应。Kaiser效应的有效性，取决于先前应力及原生裂纹综合作用引起的岩石损伤状态。文献［25-26］进一步研究表明：对于高孔隙率（n＞10%）岩石，其损伤应力与峰值应力的比值小于该类岩石平均值；而低孔隙率（n＜10%）岩石，其损伤应力与峰值应力的比值高于该类岩石的平均值。对于在先前应力作用后卸载的情况下引起的孔隙率（损伤量）达到较高值时，如孔隙率n＞10%，造成岩石自身强度降低，这种损伤致使Kaiser效应失效，出现Felicity效应。

以上研究分析表明，岩石声发射Kaiser效应上限应力小于损伤应力，而对于Kaiser效应的下限应力与起裂应力之间的关系尚未有明确的结论。

2.2 Kaiser效应点识别

由Kaiser效应的产生机制和定义可知：当加载应力小于加载方向的先前应力时，声发射事件数相对较少，非常理想的情况下是没有声发射活动产生；超过先前应力则有显著的声发射活动产生。因此，将声发射参数累计曲线上升点作为Kaiser效应点成为普遍采用的识别方法，如图1所示［10］。这种情况在实际试验中很少出现，是因为岩样内部不仅存在原生微裂纹，同时在取样过程中岩样经历了卸载作用，岩样在卸载过程中产生微裂纹，加载开始时岩样内部微裂纹的闭合也会产生低频低能的摩擦型声发射信号。

如何将“声发射数量少”、“声发射显著产生”这些定性表述进行科学量化表示，是进行Kaiser效应点识别的前提。TADASHI等［27］早期在运用岩石声发射Kaiser效应测量原岩应力时，假设定向试样在单轴加载过程中所确定的Kaiser效应点为试样在地壳中加载方向上所对应的法向应力分量，并建议对6个不同方向的岩芯进行试验，获得取样点处的原岩应力。该课题组提出的Kaiser效应点具体识别方法为：首先绘制声发射累计数与加载应力关系图，当加载应力未达到先前应力时，由声发射累计数与加载应力之间散点回归得到的直线斜率相对较小；当加载应力超过先前应力时，由声发射累计数与加载应力之间散点回归得到的直线斜率较大，由此识别Kaiser效应点，进而得到加载方向上原岩应力值，如图2所示。这种通过声发射累计数与加载应力之间线性回归，将2个回归直线的交点作为Kaiser效应点，成为一种通过岩石声发射试验识别Kaiser效应点的一般性方法［10，28］。

除了上述提及方法外，也可以将时间（或应力）作为横坐标，岩石加载过程中声发射某个参数（或某个参数的累计）作为纵坐标，然后根据该参数（或参数累计）随时间（或应力）变化的急剧程度，将急剧变化的起始点（激增点）作为Kaiser效应点，所对应的应力即为该试件在加载方向上的先前应力。通常情况下会采用声发射事件率、声发射累计事件与时间、应力的关系图确定Kaiser效应点［18］，如图3所示。为了更好地识别声发射激增点，文献［29-30］在声发射参数或累计参数与时间或应力关系曲线的基础上，利用切线法对岩石声发射Kaiser效应点进行了识别，如图4所示。

为了能够较为准确地对岩石声发射Kaiser效应点进行识别，国内外学者进行了大量研究。文献［31-32］提出了通过两次循环加卸载的方式，对岩石声发射Kaiser效应点进行判别。第一次循环加卸载过程中为摩擦型声发射信号，为了消除第一次循环加卸载过程中摩擦型声发射信号对Kaiser效应点识别产生的影响，将两次加载过程中声发射参数进行相减，通过相应的差值曲线可以更加方便地确定岩石声发射Kaiser效应点。文献［8，33］也利用上述两次循环加卸载过程中声发射累计参数相减方法，对岩石声发射Kaiser效应点进行了有效地识别。文献［34］根据声发射累计事件数与加载应力的关系曲线，利用声发射激增点法研究了不同加载速率对花岗岩、砂岩、灰岩和泥岩Kaiser效应的影响。文献［35］根据含层理岩石的声发射特征，提出了采用声发射振铃计数时差和时间—振铃累计计数曲线倾角对Kaiser效应点进行综合判断的方法。文献［36］通过研究页岩在循环加卸载试验过程中的Kaiser效应，认为利用切线法识别的Kaiser效应点，并不是真实的Kaiser效应点，需要将伪Kaiser点应力与地应力理论值进行对比，根据漂移应力比值计算电压阈值、压力曲线逆向寻点、重新获取Kaiser点等步骤对试验中的伪Kaiser点进行能量修正，找到真实的Kaiser效应点。

上述Kaiser效应点的识别研究，均是利用声发射参数分析法。近十几年来，国内外学者不断尝试引入分形、小波分析等理论，开展了声发射波形分析法用以识别岩石声发射Kaiser效应点的研究。文献［30］在利用上述切线法对Kaiser效应点进行初次识别的基础上，采用G-P分形算法得到Kaiser点及其附近点声发射能量参数的分形维数特征。研究结果表明：可将声发射能量参数的关联维数最小值对应的点作为Kaiser效应点。文献［37-38］从声发射波形特征提取入手，利用分形及频带能量分析方法对岩石声发射Kaiser效应点附近的声发射波形进行分析，得到了较为系统性的岩石声发射Kaiser效应点半定量识别方法。文献［39］利用混沌时空序列分析方法，对岩石声发射Kaiser效应点进行了识别，并通过快速傅里叶变换及小波分析方法，对岩石声发射Kaiser效应点附近的声发射信号能谱特征进行了分析，最后运用关联积分、虚假邻近点法及互信息法，对声发射信号的混沌动力信息进行了研究。文献［40］通过小波包变换对岩石声发射信号进行滤波处理，再对滤波后的Kaiser效应点附近的声发射信号进行频谱分析，根据其频谱特征对岩石声发射Kaiser效应点进行判别。

上述研究表明：目前声发射参数分析法仍是岩石声发射Kaiser效应点识别的重要方法。其不足之处在于，难以定量化识别，研究人员正在尝试对声发射波形信号的频谱、时空序列分布特征进行分析，以实现对岩石声发射Kaiser效应点的半定量识别。

2.3 Kaiser效应的主要影响因素

2.3.1 加载速率对Kaiser效应的影响

在漫长的地质构造过程中，岩石在不同的地质时期，可能会经历不同速率的水平构造运动。因此，为了研究不同速率的水平构造运动对岩石声发射Kaiser效应的影响，通过不同加载速率的预加载试验，模拟岩石在经历不同速率水平构造运动过程中形成的先前应力。在岩石声发射Kaiser效应测量试验过程中，通常采用岩石力学试验可以接受的加载速率进行加载试验。但由于Kaiser效应产生机制尚不清晰，加载速率是否会对岩石声发射Kaiser效应产生影响，是一个值得深入研究的课题。

（1）单轴压缩过程加载速率对Kaiser效应的影响。文献［34］对不同加载速率条件下的砂岩、泥岩及灰岩Kaiser效应进行了探讨。试验结果表明：不同的加载速率（0.01、0.02、0.04、0.05 MPa/s）对灰岩等脆性岩石的Kaiser效应几乎无影响；而对砂岩和泥岩的Kaiser效应影响相对显著，且随着加载速率逐渐增大，Kaiser效应点所对应的应力值也在逐渐增大。文献［20，41］研究了砂岩、盐岩及灰岩在不同加载速率下的Kaiser效应，研究结果表明：加载速率（0.01、0.1、1 MPa/s）对砂岩及灰岩Kaiser效应的影响结果与文献［34］研究结果基本一致；而加载速率对盐岩Kaiser效应影响较为显著，在0.01 MPa/s加载速率条件下，盐岩的FR值约为0.426，在0.1 MPa/s加载速率条件下盐岩的FR值约为0.727，而1 MPa/s加载速率条件下岩盐的FR值约为0.912。

（2）分级循环加卸载过程加载速率对Kaiser效应的影响。LAVROV［22］利用分级循环加卸载的加载方式，对不同加载速率条件下的石灰岩Kaiser效应进行了研究，研究结果表明：石灰岩在第3级循环加卸载条件下，FR值主要分布在0.86～0.90区间内。文献［42-43］采用不同加载速率及卸载速率（0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 kN/s）对红砂岩进行了分级循环加卸载试验。试验结果表明：在同级循环条件下，加载速率及卸载速率对红砂岩的FR值几乎无影响；而随着加载峰值应力的增大，红砂岩的FR值逐渐减小，但其FR值主要分布在0.8～1.4区间内。文献［23］对细砂岩进行了不同加载速率（0.01、0.05、0.25 kN/s）条件下的分级循环加卸载试验。试验结果表明：在第1级循环时，细砂岩的FR值分别为0.992、0.976、0.978；在第2级循环时，细砂岩的FR值分别为0.883、0.844、0.920。上述试验结果表明，加载速率对细砂岩的Kaiser效应几乎无影响。

综上，加载速率对灰岩、红砂岩、细砂岩等脆性岩石的声发射Kaiser效应几乎无影响。加载速率对砂岩、盐岩、泥岩等岩石的声发射Kaiser效应具有显著影响。因此，在利用Kaiser效应测量盐岩、砂岩及泥岩等岩石的原岩应力时，应先校正加载速率，以便提高测量精度。现有研究表明：岩性、结构及成岩矿物成分的不同，导致加载速率对岩石Kaiser效应的影响也存在一定的差异性，目前关于加载速率对岩石声发射Kaiser效应影响机制的研究涉及较少。因此，仍需要对加载速率与岩石声发射Kaiser效应演化机制之间的关系进行更为深入地研究。

2.3.2 时间对Kaiser效应的影响

由岩石声发射Kaiser效应的测量原理可知，在岩芯脱离母体后，需要经过一段时间的加工后才能进行Kaiser效应测量，岩芯从脱离母体到测量Kaiser效应的这段时间间隔对测量结果是否具有影响，直接关系到原岩应力的测量精度。因此，开展岩石声发射Kaiser效应的时间依赖性研究具有重要意义。

（1）沉积岩。文献［44］对泥岩、石灰岩、碳酸盐岩、砂岩的声发射Kaiser效应的时间依赖性进行了研究。结果表明：当两次加载时间间隔小于10 h时，岩石Kaiser效应较为显著；当两次加载时间间隔大于1 000 h时，岩石Kaiser效应基本消失。对盐岩声发射Kaiser效应与时间依赖性之间关系的研究发现：当两次加载时间间隔超过14 d时，其Kaiser效应依然较为显著［45］。文献［46］通过室内试验对单轴压缩、三点弯曲和巴西圆盘劈裂3种加载条件下，砂岩的Kaiser效应时间延迟性变化规律进行了研究。试验结果表明：单轴压缩条件下，砂岩Kaiser效应的两次加载间隔在7 d以内时，Kaiser效应点所对应的应力与先前应力基本相等；当两次加载间隔为7～12 d时，虽然再次加载过程中声发射累计参数存在着明显的拐点，但拐点在不断向更高应力的方向移动；当两次加载间隔大于12 d时，声发射Kaiser效应现象变得模糊不清。三点弯曲条件下，砂岩Kaiser效应的两次加载间隔在60 d以内时，都存在着较为显著的Kaiser效应。巴西圆盘劈裂条件下，砂岩Kaiser效应的两次加载间隔在60 d以内时，无法通过砂岩变形破坏过程中声发射累计参数特征清晰地判别Kaiser效应点位置。上述试验结果表明：单轴压缩条件下，砂岩Kaiser效应具有较为显著的时间依赖性；三点弯曲条件下，砂岩Kaiser效应对时间基本无依赖性，进而证实了砂岩声发射Kaiser效应现象不仅与延迟时间相关，还与其加载方式存在较为显著的相关性。

（2）岩浆岩。文献［16］通过单轴压缩加载方式对花岗岩声发射Kaiser效应的时间依赖性进行了研究。研究结果表明：即使岩芯放置30 d后再进行加载试验，其Kaiser效应点所对应的加载应力与先前应力几乎完全相等。上述试验结果说明时间因素对花岗岩声发射Kaiser效应影响甚微。文献［47］也对花岗岩声发射Kaiser效应与时间依赖性的关系进行了研究，利用室内单轴加载方式预设先前应力，当两次加载隔间为60 d时，花岗岩Kaiser效应依然较为显著。文献［16，47］研究结果均表明：时间延迟对花岗岩声发射Kaiser效应几乎无影响。文献［48］对云南大红山铜矿凝灰岩的声发射Kaiser效应与时间的依赖性关系进行了探讨。首先，通过单轴循环加卸载方式对凝灰岩进行首次预加载试验；其次，对放置2、7、15、30、45 d后的岩样进行再次加载，采集试验过程中的声发射信息。试验结果表明：凝灰岩在首次加载与二次加载之间无时间间隔时，岩样声发射Kaiser效应特征较为显著；先前应力水平越接近岩样强度，则岩样声发射Kaiser效应的消退速率越快；先前应力介于岩石强度40%～80%范围内时，岩石记忆先前应力的能力最强；随着首次加载与再次加载时间间隔的增长，岩样声发射Kaiser效应也在逐渐消退；岩样在首次加载与再次加载之间间隔为30 d时，岩样声发射Kaiser效应还能观察到，但当两次加载的时间间隔为45 d时，岩样声发射Kaiser效应基本完全消失，无法再观察到。文献［49］对劈裂条件下的粗晶花岗岩声发射Kaiser效应与时间延迟性的关系进行了探讨。研究结果表明：先前应力越接近岩样强度，岩石声发射的Felicity效应现象越显著；随着两次加载时间间隔的增大，岩石声发射Kaiser效应的显著性逐渐降低。其中，两次加载时间间隔为15 d时，花岗岩声发射Kaiser效应现象仍然较为显著；当两次加载时间间隔为45 d时，花岗岩声发射Kaiser效应现象基本消失。上述研究结果表明：花岗岩声发射Kaiser效应的时间依赖性与先前应力所在的特征应力区间、加载方式及粒径大小都存在一定的相关性。

（3）变质岩。文献［44］对片麻岩、片岩声发射Kaiser效应的时间依赖性进行了研究。研究发现：当两次加载时间间隔小于10 h时，岩石声发射Kaiser效应较为显著；当两次加载时间间隔大于1 000 h时，岩石声发射Kaiser效应基本完全消失。文献［48］对片岩Kaiser效应与时间的依赖性进行探讨时，得到了与文献［44］基本相同的试验结果。在两次加载时间间隔为30 d时，仍然可以观察到片岩的声发射Kaiser效应；当两次加载时间间隔为45 d时，片岩的声发射Kaiser效应现象基本消失。综合分析文献［44，48］可以发现：片岩的声发射Kaiser效应基本消失在两次加载间隔介于30 d至1 000 h（约41.7 d）的范围内，表明片岩的声发射Kaiser效应对时间具有一定的依赖性。文献［50］对大理岩的Kaiser效应时间依赖性进行了探究，通过对大理岩岩样进行单轴循环加卸载试验，记录下加载—卸载过程中的应力、应变值，两个月后对大理岩岩样进行了再次加载试验。试验结果表明：大理岩岩样依然存在较为显著的Kaiser效应现象，只是先前应力和应变值与Kaiser效应点所对应的应力与应变值相差较大。上述试验结果表明：随着两次加载时间间隔的增大，大理岩岩样Kaiser效应记忆先前应力的能力逐渐衰减。

上述研究表明：沉积岩（泥岩、石灰岩、碳酸盐岩、砂岩及盐岩）Kaiser效应具有显著的时间依赖性。岩浆岩中典型的花岗岩，在单轴压缩条件下Kaiser效应的时间依赖性不显著，在劈裂条件下的声发射Kaiser效应则具有显著的时间依赖性。凝灰岩在单轴压缩条件下，Kaiser效应也具有显著的时间依赖性。变质岩（片岩、麻岩）的Kaiser效应具有显著的时间依赖性。可见，岩石的声发射Kaiser效应一般都具有显著的时间依赖性，尤其是沉积岩与变质岩；由于岩浆岩的结晶方式、矿物成分及结构有别于沉积岩及变质岩，使得两者Kaiser效应的时间依赖性具有显著的差异性。

目前，国内外学者对不同类型的岩石声发射Kaiser效应的时间依赖性进行了较为系统的研究，但主要集中在对试验过程中Kaiser效应时间依赖性的定性描述和分析，对其产生机制的研究涉及较少，且尚未形成成熟的理论和试验手段，亟需加强相关的理论和试验研究。

2.3.3 围压对Kaiser效应的影响

原岩应力一般处于三轴应力状态［10］，Kaiser效应试验所用的岩芯经历了三轴卸载过程，试验中加载方向与主应力方向的不同，以及将三轴应力状态简化为单轴应力状态，对真实Kaiser效应点识别的影响程度尚不明确。

（1）先前差异应力对Kaiser效应的影响。文献［10］认为在三轴预加载过程中，岩石的损伤面会发生扩展，当单轴再次加载过程中损伤只有达到预加载的损伤面时，才会产生Kaiser效应。单轴加载过程中Kaiser效应点所对应的应力，通常会小于三轴预加载的先前差异应力（即最大主应力与最小主应力的差值）。为探讨Kaiser效应点所对应的应力水平与先前应力之间的关系，文献［51］采用三轴预加载方式为岩样设计先前应力，再以单轴加载方式，对岩石声发射Kaiser效应进行研究，并通过格里菲斯理论，对岩石的Kaiser效应产生机制进行了探讨。结果表明：单轴加载条件下得到的Kaiser效应点所对应应力，既不等于先前应力也不等于先前差异应力。文献［52］利用三轴循环加卸载的加载方式，对煤岩的声发射Kaiser效应进行了研究。结果表明：当先前差异应力较小时，煤岩声发射Kaiser效应无法观察到；当先前差异应力较大时，煤岩声发射Kaiser效应效果较为显著。文献［53］指出在先前差异应力相对较低的情况下，大理岩Kaiser效应具有方向独立性；在先前差异应力相对较高的情况下，大理岩Kaiser效应点所对应的应力与先前差异应力相等。文献［54］以花岗岩试件为研究对象，设定了不同的先前差异应力，进行围压分别为 5、10、15、20、25、30 MPa，轴向应力分别为10、15、25、40 MPa的试验。通过将围压及轴向应力卸载至0后，再通过单轴加载方式对Kaiser效应进行了研究。研究表明：围压对Kaiser效应现象具有显著影响。围压越大，Kaiser效应点所对应的应力与先前差异应力比值越小，Kaiser效应不明显。通过上述文献分析可知，先前差异应力对岩石声发射Kaiser效应具有一定的影响，但具体的影响规律不明确。一般认为，围压越小，先前差异应力对Kaiser效应的影响越不明显，其根本原因在于围压卸载后引起损伤的复杂性。

（2）不同的先前应力水平对Kaiser效应的影响。文献［55］开展了红砂岩三轴循环加卸载试验，通过设计预加载轴向应力分别为抗压强度的11%、30%、42%、61%、76%，围压分别为0、5、10、15、20 MPa，分析了Kaiser效应变化规律，研究得到围压对Kaiser效应具有显著影响。低围压及高围压均会降低试件在不同先前轴向应力水平的记忆能力；围压为0、20 MPa时且先前轴向应力在岩石抗压强度的30%～42%范围内时，Kaiser效应现象显著；围压为10 MPa时且先前轴向应力在岩石抗压强度的11%～76%范围内时，Kaiser效应现象显著。文献［56］研究了不同围压（10、20、30、35 MPa）条件下的二长花岗岩声发射Kaiser效应演化特征规律。当先前轴向应力水平较高时，Kaiser效应会变得模糊不清，随着围压水平升高，Kaiser效应模糊不清的现象得到改善；较低围压（10～20 MPa）下，随着先前轴向应力水平升高，Kaiser效应现象也逐渐变得模糊不清，Felicity效应现象显著。文献［56］认为高围压使岩石内部微裂纹、孔隙等缺陷微结构被压密，微裂纹的滑移面闭锁及强度增加，高围压作用下，花岗岩Kaiser效应现象较为显著。

综上分析可知：目前关于围压对岩石声发射Kaiser效应的影响已进行了大量试验研究，但关于围压对岩石声发射Kaiser效应演化规律的影响研究尚处于探索阶段，随着相关学科和现代测试技术的发展，可以尝试利用现代测试技术，如CT、SEM等技术手段，从宏观尺度向微观尺度方向发展，同时可以借鉴其它学科的新方法和新技术，实现对岩石声发射Kaiser效应在微观尺度上的分析，使唯象的定性分析不断向微观定量化分析发展。

2.3.4 多期性对Kaiser效应的影响

岩石在经历漫长的地质历史演化过程中，往往会经历不同时期、不同强度及不同方向的地质构造作用，岩石应力记忆能力对研究该区域的地质构造演化历史及原岩应力具有重要意义。但是，岩石声发射Kaiser效应能否反映这种多期性的地质构造作用，与岩石对早期地质构造活动过程中原岩应力的记忆能力具有紧密联系。因此，岩石记忆能力的衰退特性，以及如何判定Kaiser效应点所对应的应力与多期原岩应力之间的关系，是当今岩石声发射Kaiser效应测量原岩应力过程中亟需解决的理论与现实问题。

对此有3种不同的观点［7］：①岩石仅记忆其地质历史演化过程中的最大原岩应力；②岩石对记忆所有地质构造演化历史中原岩应力的能力都会发生衰减，而仅记忆现今原岩应力；③岩石对多期性原岩应力都具有记忆能力。岩石在多期地质构造作用过程中，是仅记忆了最大原岩应力值，还是多期原岩应力值都被记忆，对于这个问题，丁原辰等［57］曾提出“视凯泽效应”的概念，认为室内岩石AE试验可获得2个Kaiser效应点，一个对应于引起岩石饱和残余应变的应力，它与现今应力场相一致，因此称为视Kaiser点。在视Kaiser点之后，还可获得另一个真正的Kaiser效应点，它对应于历史上最大原岩应力，并据此提出了Kaiser效应可以反映材料对先前经历过的损伤记忆能力的观点。文献［7］对8个钻孔的52块第三纪沙河街组三段岩石样品进行了声发射Kaiser效应多期性室内试验。结果表明：岩石（砂岩及砾岩）确实存在着多期Kaiser效应，且岩石记忆的多期原岩应力，往往少于该岩石所经历的地质构造作用期次，说明岩石记忆地质构造演化历史中原岩应力能力存在着衰减现象。文献［58］对取自某一电站坝址区海西期花岗岩样品的声发射Kaiser效应进行了研究，试验中花岗岩试件在地质构造演化历史中均经历了多期地质构造作用，无论是采取循环加卸载的加载方式还是单轴压缩的加载方式，均有数个岩石试件分别在30 MPa和55 MPa（岩石强度约为90 MPa）左右两个应力值处产生大量声发射事件。试验结果表明：花岗岩试件记忆了两期地质构造作用过程中的原岩应力，而实际上海西期花岗岩经历了两期以上的地质构造作用，进而再次证明岩石记忆地质构造演化历史中原岩应力的能力确实存在着衰减现象。文献［59］对石英砂岩多期Kaiser效应开展了相关试验研究，提出了利用岩芯试件多期Kaiser效应提取研究区域古原岩应力的思路及初步方案。试验结果表明：通过地质调查手段得知该研究区域地层在地质构造演化历史上至少经历过4期较为强烈的地质构造运动，并获得了各期古原岩应力的相关参数，由于该研究区域的地质构造运动复杂，试验过程中岩样多期Kaiser效应的效果相对较差，利用岩样多期Kaiser效应提取古原岩应力的方法还有待进一步研究。

综上分析可知：Kaiser效应多期性在测量地质构造演化历史中古地应力领域扮演着重要角色；同时，Kaiser效应多期性在测量原岩应力方面也具有一定的影响，若是研究区域地质构造演化历史较为复杂，那么将会给岩石声发射Kaiser效应测量原岩应力带来困难。因此，岩石声发射Kaiser效应测量地应力方法适用于地质构造演化历史过程中未经历太多次构造运动的区域。利用岩石声发射Kaiser效应测量地质构造复杂区域的地应力还需进一步研究，建立更加全面的理论基础。

3 总结与展望

本研究总结分析了国内外关于岩石声发射Kaiser效应产生机制、识别方法及影响因素等方面的研究成果，讨论了岩石声发射Kaiser效应在测量原岩应力方面的难点、重点问题。岩声发射Kaiser效应测量原岩应力今后的主要研究方向和内容为以下几个方面。

（1）岩石声发射Kaiser效应产生机制研究。国内外关于岩石声发射Kaiser效应宏观表征及其声发射信号特征进行了大量的研究，但对岩石声发射Kaiser效应产生机制的微细观性研究还处于探索阶段。岩石声发射Kaiser效应是一个十分复杂的物理力学现象，它与岩石矿物成分、结构、微裂纹分布状况、初始损伤及试验环境都存在着紧密的联系，很难通过简单地控制室内试验中几个变量因素，来精确还原岩石在地质构造演化过程中经历的构造运动情况。甚至同种岩石在同样的试验条件下Kaiser效应相差甚远，因此，可以通过现代测试技术，如SEM、CT等技术对岩石结构、矿物成分、微裂纹分布状况等因素的差异性进行定性及定量分析，对岩石声发射Kaiser效应产生机制进行更为深入地研究。尝试从损伤力学、统计学及断裂力学角度建立岩石声发射Kaiser效应的理论模型，实现从理论角度上对岩石声发射Kaiser效应的产生机制进行解释。同时，岩石声发射Kaiser效应不仅是测量原岩应力的一种常用方法，通过对岩石Kaiser效应的研究，也可以进一步促进声发射技术在岩石力学与工程领域中的应用，为岩石内部微裂纹演化机制的研究提供可靠的技术手段。

（2）岩石声发射Kaiser效应与影响因素之间关系研究。加载速率对部分岩石声发射Kaiser效应具有显著影响，也有部分岩石声发射Kaiser效应不受加载速率的影响，加载速率与岩石声发射Kaiser效应演化机制之间的关系需要进一步研究。国内外学者对不同类型的岩石声发射Kaiser效应的时间依赖性进行了较为系统的研究，但主要集中在对试验过程中Kaiser效应时间依赖性的定性描述和分析，对其产生机制的研究涉及较少，且尚未形成成熟的理论和试验手段对Kaiser效应时间依赖性进行定量分析，亟需加强相关的理论和试验研究。关于围压对岩石声发射Kaiser效应演化规律的影响研究尚处于探索阶段，随着相关学科和现代测试技术的发展，可从微观尺度上，利用现代测试技术对不同围压条件下岩石声发射Kaiser效应进行研究，使唯象的定性分析不断向微观定量化分析发展。利用岩石声发射Kaiser效应测量地质构造复杂区域的地应力还需深入研究，探明声发射Kaiser效应与先前应力多期性之间的关系。

（3）岩石Kaiser效应与微裂纹分布状况之间关系研究。从母岩钻取岩芯的过程实质就是岩芯应力卸载过程，导致岩芯产生不同程度的损伤。损伤的发展实质就是岩石内部微裂纹扩展的宏观表现，微裂纹与主应力所成夹角对Kaiser效应具有显著性影响，这也是在同样的试验环境条件下，部分岩样声发射Kaiser效应方法可以较为准确地测量原岩应力，而部分岩样声发射Kaiser效应方法却无法测量原岩应力的原因。这些情况都说明了岩石声发射Kaiser效应可能与微裂纹分布状况存在着某种联系。为了进一步提高Kaiser效应测量原岩应力的精度和可靠性，需要进一步加强Kaiser效应与微裂纹分布状况之间关系的研究。

（4）岩石Kaiser效应的有效应力区间研究。岩石声发射Kaiser效应的有效应力区间，是利用Kaiser效应测量原岩应力的前提条件。目前关于岩石声发射Kaiser效应的有效应力区间研究，还没有一个较为明确的结论。因此，可以结合裂纹体积应变法得到不同特征应力，对Kaiser效应的有效应力区间进行较为系统性的研究。

（5）Kaiser效应在原岩应力测量领域的应用研究。随着矿产资源开发、油气田开采、地热资源开发、地下工程、地下核废料等地下空间距地表的深度不断增加，原岩应力成为了这些地下岩石工程开发与利用中不可或缺的重要基础参数，由于岩石声发射Kaiser效应产生机制尚不清晰，直接利用Kaiser效应法测量原岩应力可能会存在着一定的问题。而在深部资源开采及地下空间开发建设过程中，原岩应力又是一个较为重要的力学参数。因此，结合深部岩石工程实际，可以尝试利用原位测量（水压致裂、套孔应力解除法）方式对比较重要位置进行测量，其次利用插值计算的方式，对地下所测区域原岩应力进行粗略估算；然后利用岩石声发射Kaiser效应法，对所测区域的原岩应力异常点进行识别；最后利用原位测量方式对原岩应力异常位置进行测量。