Prefailure Behaviour of Rock at Rockburst Hazard Areas – Laboratory Investigations on Microacoustic Emissions

Kimme, Nadine

Rockbursts are mainly induced by mining activity and result in the emission of seismic signals transmitted through the rock. Up to now, the monitoring of mining regions to detect stress changes and stress accumulations in rock uses incidences of occurrence and intensities of seismic events that occur due to mining activity. Within this research work, the occurring frequencies of microacoustic events are determined and analysed to find indicators for the approaching macroscopic failure of rock. The first part of this work treats extensively the basics of rockbursts, fracture mechanisms and acoustic emissions. It becomes obvious that measuring techniques can already give information about stress changes and stress accumulations in rock with the help of incidences of occurrence and intensities of microacoustic events. A prediction of the time of approaching rockbursts is yet not possible. The main focus of this research work is, therefore, the complement investigations of the frequency behaviour of microacoustic events of rock. To investigate the stress changes inside the material, uniaxial compression tests are carried out and the microacoustic events that are generated by the load application are especially analysed in the phase of prefailure in which already existing microcracks inside the specimen grow, interact and coalesce until the specimen fails macroscopically. The carried out laboratory tests are mainly investigated by analysing the frequency behaviour of the microacoustic events. It is presented that the frequencies change during load application. Hence, recorded signals and their spectra can be assigned to their state of fracture and their state of loading by investigating the frequencies of signal spectra of the microacoustic events. With these first investigations of their kind, specific indicators are found to identify the present state of fracture and loading.

Gebirgsschläge sind durch den Berg- oder Tunnelbau induzierte seismische Ereignisse, die Bruchereignisse im Untergrund darstellen. Mithilfe messtechnischer Überwachung in Bergbaugebieten können Aussagen über Häufigkeiten und Intensitäten auftretender mikroakustischer Ereignisse gemacht werden. Allerdings ist eine Vorhersage zum Zeitpunkt des Versagens nicht möglich. In der vorliegenden Arbeit werden im Speziellen die auftretenden Frequenzen der emittierenden Wellen bestimmt und analysiert, um Indikatoren für die Vorhersage des makroskopischen Bruchs zu ermitteln. Der erste Teil der Arbeit befasst sich umfassend mit den Grundlagen von Gebirgsschlägen, Bruchmechanismen im Gestein und mikroakustischen Emissionen. Vorhersagen über bevorstehende Gebirgsschläge sind noch nicht möglich, da sich die Untersuchung der mikroakustischen Ereignisse auf deren Häufigkeiten und Intensitäten beschränkt. Die ergänzende Bestimmung und Auswertung der auftretenden Frequenzen mikroakustischer Ereignisse wird daher als Kernpunkt dieser Arbeit hergeleitet. Im zweiten Teil der Arbeit werden die durchgeführten Laborversuche ausführlich beschrieben und dargestellt. Es werden einaxiale Druckversuche durchgeführt, die mit mikroakustischer Überwachung speziell das Vorbruch-verhalten eines Kalksandsteines analysieren. Die durchgeführten Laborversuche werden auf Häufigkeiten, Intensitäten und im Besonderen auf die auftretenden Frequenzen der mikroakustischen Ereignisse untersucht und analysiert. Es wird gezeigt, dass sich die Frequenzen der mikroakustischen Ereignisse während des Versuchsverlaufes ändern. Daher ist eine Zuordnung der mikroakustischen Ereignisse anhand ihrer Frequenzgehalte zur jeweiligen Belastungsphase bzw. zum Bruchzustand möglich. Diese Arbeit liefert die ersten Erkenntnisse dieser Art zum Frequenzverhalten mikroakustischer Ereignisse aufgrund einer einaxialen Belastung im Gestein.

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Kimme, Nadine: Prefailure Behaviour of Rock at Rockburst Hazard Areas – Laboratory Investigations on Microacoustic Emissions. 2009.

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