“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。地球作为岩石行星，其地壳及上地幔顶部均由岩石构成，因此，探明岩体性质是攻克地球深部战略科技难关的基础，而岩体声学特性为其提供了关键的突破口。迄今为止，地球上的诸多自然现象和人类活动中，均会释放出大量与岩体声学相关的信息，其中所蕴含着的岩体声学特征与规律对人与自然安全和谐发展至关重要。

具体来讲，通过研究自然灾害及诱发的工程地质灾害的发生过程和机理，我们可以发现当岩石材料受到外界拉、压、剪、扭等应力扰动时，首先会在表面产生微小形变，随着外界应力的增大，应力向岩石内部传导，由于岩石组成结构的不均匀性，在岩石内部各个部分的不均匀变形中，会剪切或拉伸相邻区域，某些薄弱结构自身变形过大超过阈值则会使岩体内部产生微小裂纹。随着外界应力的进一步增大，不均匀变形和裂纹会衍生扩展，进一步导致岩石内部的开裂区域积小成大逐渐形成宏观裂纹。这些微破裂在岩石内部的薄弱结构和应力集中区域展开，过程中会伴随着弹性波或应力波的产生，将这种局部源应变能迅速释放产生的应力波称为岩石声波，将这种现象称为声发射，微破裂产生的位置称为岩体声源或声发射震源。撞击、坍塌和树木折断等发出的声音应该是早期人类听到最早的声发射信号。随着研究的逐渐深入，人们根据信号频率以及尺度等不同还提出了微震的概念，因其研究方法、技术和理论都基本相同，国内外的研究者也习惯将它们并称为声发射/微震，本书将其统一定义为岩体声学。利用声学设备对岩石材料内部破裂信号进行监测与分析，对岩石材料内部的动态破坏行为进行无损检测的技术，称为岩体声发射/微震监测，统称为岩体声学监测技术。由于岩体声发射/微震信号中蕴含着岩体内部损伤演化过程的大量信息，因此岩体声学监测技术已被广泛应用于矿产及地热开发、隧道及桥梁工程、公路及水利工程、土木基建工程、油气藏水力压裂勘探等领域。

▲ 岩体声学测试的基本原理

岩体声学监测作为一种无损检测手段，通过利用声学设备对资源和能源开发过程中岩体内部的声学信号进行监测，可以有效利用资源与能源开采和地热能开发过程中的岩体震动和破裂所激发出的声发射/微震信号研究岩体损伤破裂过程，确定声发射/微震震源的空间位置及发生时间，分析震源处岩体的受力状态，进而获取岩石材料特性，判断岩石内部裂纹演化规律及结构失效情况，探究岩体失稳的有效前兆特征，为岩石的损伤破坏、岩爆和垮塌等地质灾害的预测提供指导。

▋ 岩体声学技术的实验室尺度研究

自1963年Goodman 在岩石材料中发现了声发射Kaiser效应后，对岩石受压破坏过程产生的声发射现象已开展大量室内试验研究。随着实验室设备与方法的普及，大量学者结合声发射监测设备与常规加载设备、应力应变监测、数字散斑等技术开展了大量卓有成效的研究。

从丰富的室内试验研究可以看出，声发射监测结果很好地反映了岩石试样破坏各阶段的损伤特征及破裂前兆，对工程现场具有一定的参考价值。然而，室内试验中通常只考虑了单一岩性，实际岩体工程中为复杂的岩石组合体，且实际工程中地质条件复杂多变，岩体破裂类型复杂，影响岩体损伤破裂各阶段参数的因素多种多样。因此，开展工程尺度的声学研究对于岩体破裂失稳灾害的预测与防控至关重要。

▲ 岩石破裂尺度与对应矩震级及拐角频率的关系示意图

▋ 岩体声学技术的工程尺度研究

在工程尺度常用的声学监测技术为微震监测。微震监测技术是目前能实现大范围持续性监测和分析深部岩体稳定性的最有效手段之一，已经在全球各类深部矿山中展现出不俗的能力。通过微震监测系统的实时监测，利用微震事件的位置、震级和能量等参数可为岩体的应力状态提供丰富的信息，对于认识岩体的变形破裂过程、分析岩体失稳和岩爆及评估深部矿山潜在危险区具有重要的作用。工程尺度通常涉及的范围较广，研究方向主要包括微震震源定位、微震信号类型辨识、微震震源机制反演和潜在失稳灾害预警等。

工程尺度的声学研究通常受到地质条件、工程结构等诸多因素的影响，因此，其适用性通常受到局限，导致震源定位精度、震源类型辨识效率和失稳灾害预警时效性受到影响。为此，岩体声学在工程尺度的研究仍需要不断深入，提高其适用范围，为工程失稳、灾害预测和防控提供技术支撑。

随着技术水平的提高和研究的深入，声学监测技术的优越性逐渐得到人们的认识，当前，我们使用声发射技术监测各种材料破裂已经是常规的操作，如利用声发射检测压容器、桥梁、混凝土结构的声发射分布，判断其结构完整性；利用不同材料声发射信号的波速、频率等特征参数差异检测各种材料的缺陷；利用微震监测对矿山和隧道等开挖过程中的潜在失稳灾害进行预警等都已经是无损检测的重要内容。

矿山开采深度不断增大，诱发灾害发生的风险也在逐渐升高。为了加强矿山地压防治工作，我国应急管理部先后出台了一系列规章和制度，以保障矿山安全开采。其中，《金属非金属地下矿山监测监控系统建设规范：AQ 2031—2011》中指出，存在大面积采空区、工程地质复杂、有严重地压活动的地下矿山应进行地压监测；《非煤矿山企业安全生产十条规定》中也强调必须加强顶板管理和采空区监测、治理；《国家安全监管总局关于在非煤矿山推广使用安全生产先进适用技术和装备的指导意见》中指出要利用微震、声发射、光纤传感等技术实现地压实时监测监控；《防治煤矿冲击地压细则》中指出区域监测可采用微震监测法等。可以看出，随着未来矿山、隧道等岩石领域各行业建设进程的不断加快，岩体声学监测技术将具有非常可观的发展前景。

然而，我国采用的灾害防控监测设备有很大一部分仍依赖国外，我国在该领域的研究起步较晚，自主研发的岩体声学监测设备在功能性和可靠性方面与德国等先进装备还存在一定差距。为此，如何通过利用新材料、新技术和新工艺，将我国资源优势转化为技术优势，采用新型功能材料开发智能感知传感器和灾害防控监测采集处理设备，提高采集设备的精度和灵敏度，扩展新型功能材料的应用领域，实现功能材料和监测元器件的智能化、一体化、集成化和超微型化，达到灾害防控监测设备从单功能化向多功能化发展的目的，将是岩体声学监测领域的重点发展方向。

▲ 作者自主研发的地声监测系统三维显示界面示意图

此外，岩体声学长期监测中采集了大量的岩体破裂、爆破、机械作业等声学信号，但人们在应用时，通常将爆破和机械作业等声学信号作为噪声筛除，这样尽管充分地分析了岩体破裂信号，但是舍去了数据量更加庞大、信息量更为丰富的爆破、机械作业等声源(80%以上)。目前，受计算能力和数据处理效率等影响，企业和科研单位仅对该数据库中非常有限的数据进行了分析，深层信息尚未完全被挖掘出来。随着计算机技术的飞速发展，大数据挖掘和人工智能技术被广泛应用于各种生产活动中，对未来可能发生的事情进行预测。因此，利用大数据挖掘和人工智能技术对岩体声学监测数据进行深入分析，获取其内部所蕴含的深层信息，为潜在发生的诱发岩体灾害进行精细化预警将大有可为。另外，目前人们对于地球内部构造及波速结构等的反演分析多是采用地震监测数据进行的。随着计算能力和数据处理效率的不断提高，利用工程岩体声学监测数据对地球内部区域构造和波速结构进行分析和反演，将是对地球构造及波速结构的有益补充与完善。

作者（《岩体多源声学及应用》，董陇军著. 北京：科学出版社，2023.1）自2010年开始研究岩石声发射和矿山微震学，有幸得到恩师李夕兵教授的大力支持，开展了大量的岩体声发射试验，发明了无需预先测波速的震源定位方法。后来和唐礼忠教授去冬瓜山矿开展现场调研和监测系统改造，结合现场微震数据开展了深入分析，验证和优化了发明的震源定位方法。2012年赴西澳大学开始博士联合培养阶段的学习，在国家留学基金管理委员会、澳大利亚ACG“Mine Seismicity and Rockburst Risk Management Project”等项目的支持下继续深入研究微震震源，提出了自动辨识微震震源的方法，提升了震源辨识精度，完成了题为“矿山微震震源的高精度定位与实时辨识方法及应用”的博士论文，其震源定位主要研究成果与在此基础上进一步完善的方法汇编成册，和导师合著Velocity-free Localization Methodology for Acoustic and Microseismic Sources (Longjun Dong, Xibing Li) 一书在Springer Nature 出版社出版。

《岩体多源声学及应用》是作者近十年研究成果的汇聚，主要源自作者在2015年开始承担研究生采矿地球物理学教学工作以及指导研究生时产生的一些思考和想法，也是对博士阶段研究工作的接力延续，凝结了师生的共同智慧。作者2017年破格晋升教授后，2017年与2018年先后获得了湖南省杰出青年基金和国家自然科学基金优秀青年基金等项目的资助，不仅使得以前许多大胆的理论构思都可以通过购置实验设备和材料得以开展，而且带领工程师和研究生们自主研发了地声传感器及采集设备，独立开发了岩体声学数据处理软件。记得有次为了验证断层滑移的声学特征，和研究生孙道元、张义涵、唐正等在浏阳厂房里开展试验。为了准确有效地监测试验中的声学数据，有项试验在经历了试样切割打磨等复杂准备工作后，总是在凌晨夜深人静时开始，尽可能做到不遗漏试验中每一个关键细节，我们两班倒24 小时全天候守在现场做着记录，这种通宵达旦的工作持续了整整一个月。正所谓，付出甘之如饴，所得归于欢喜。

书中内容涉及复杂含空区结构下无需预先测波速的震源定位方法，不同应力环境下岩体失稳破坏过程中声学特征的时空演化和前兆特征，复杂岩石结构的波速场层析成像反演，基于机器学习的岩体破裂阶段辨识及失稳预测，结合矩张量反演和声学特征参数的声发射震源类型辨识，采矿工程和地震学领域的岩体声学技术应用等方面的研究内容，这些内容的核心原理与技术都离不开岩体声学的支撑，从设备到方法、从方法到技术、从技术到应用，形成了全新完整的理论体系。

与已有成果不同，本书关于岩体声学的研究更多关注多个震源信号、多类震源事件，特别是将岩体环境中的“噪声”信号也利用起来，变“噪”为“用”，比如已有的微震等监测技术通常要把爆破、凿岩等信号筛除，但本书中将其作为重要的震源在通过作者提出的定位方法定位后加以利用，在工程岩体波速成像时会大幅度提高成像精度，为采区潜在危险区域的辨识和灾害超前预警提供了重要信息和支撑，为此，本书书名为《岩体多源声学及应用》，旨在总结作者在岩体声学领域的最新研究成果，与同行一道共同深入研讨和交流，推动岩体声学理论与技术繁荣发展，加强学科理论和岩体工程建设融合共进，服务深地领域国家科技战略。

本文摘编自《岩体多源声学及应用》（董陇军著. 北京：科学出版社，2023.1）一书“第1 章 绪论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-074181-3

责任编辑：李 雪 李亚佩

本书是一本专门介绍与研究岩体声学的专著，是作者近年来在岩体声学领域的研究成果的系统总结。书中内容教学与科研并重，理论与实践并存，突出全面性、前沿性、理论性、实用性，涵盖了岩体声波的产生机理、传播特性、波速测量、多声源定位、多声源辨识、多声源成像、岩体失稳声学前兆特征、摩擦特性等科学内容，还附有大量试验数据和工程现场应用实例。本书可供矿业、地球物理、水利、隧道、建筑、国防、化工、石油、地热、工程地震等领域的科研、工程技术和教学人员参考，也可供高等院校相关专业的本科生及研究生教学参考。