变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究

通过变粒岩单轴压缩下声发射试验, 采集了应力-应变曲线与声发射数据。联合应力曲线, 总结了声发射积累计数和积累能量的演化特征。利用Welch谱估计法与小波能谱系数法分别对试件声发射信号功率谱密度及能量分布特征进行了分析。研究表明, 声发射积累能量比振铃积累计数能更好地预测岩石破坏; 在试件破坏前或产生较大裂纹时, 声发射信号峰值频率会有所下降, 其能量集中频段也在扩大; 在[78 kHz, 156 kHz]频段能谱系数持续增大且其值超过50%的声发射信号出现频繁的现象, 可作为试件破坏失稳的前兆信息。结合岩石声发射信号时频特性, 可为预测岩体破坏提供一种新思路。     

塑性煤与脆性煤破坏过程的声发射演化特征试验研究

在单轴压缩条件下,进行了塑性煤与脆性煤试件破坏过程声发射监测试验,研究两类煤破坏过程的声发射演化特征。试验结果表明:煤体破坏失稳过程中的声发射与煤体中的裂纹萌生、扩展、贯通等活动相对应,煤体的声发射演化特征与其破坏特征密切相关。塑性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值—下降"的演化规律;声发射事件率出现急速增大之后的稳步下降是煤体主破裂面即将贯通、煤体破坏失稳的前兆。脆性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值"的演化规律,声发射"下降"段不明显。研究结果可为煤体稳定性监测的声发射参数演化的解译、灾变判识准则的建立提供理论基础。     

单轴压缩下变粒岩及石灰岩声发射信号的EMD能量熵研究

为了探寻岩石脆性受载破裂声发射特征参数前兆规律,以变粒岩和石灰岩为研究对象,进行了单轴加载下两种试样脆性破坏声发射试验。引入EMD的方法剖析原始信号数据,把复杂的波形信号解析成若干个瞬时性频率及带有一定涵义且幅度或频率受调制的本征模态分量(IMF),得出两种试样脆性损坏声发射信号的能量分布情况。研究发现:随着单轴压缩荷载进行,变粒岩、石灰岩破裂过程的声发射信号EMD能量熵总体上呈现出"平稳波动→异常下降→持续下降(回升)"的特征。而在接近脆性破坏时,石灰岩、变粒岩声发射信号EMD能量熵表现出相同的特性:熵值下降异常或上升异常。此种异常现象可作为类似岩石破坏的前兆信息。     

白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究

对从青川县东河口滑坡区采集的白云岩进行了单轴压缩试验,测得了白云岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数,并在单轴压缩试验的全过程运用了声发射测试技术,研究了岩石损伤破坏过程中的声发射参数(振铃计数、能量)演化规律及其与岩石的应力响应之间的相关性,并尝试对岩石损伤破坏前兆的声发射特征点进行了分析。研究结果体现了白云岩的初始缺陷对其力学特性及声发射特性会产生较大的影响。分析表明:1)白云岩的变形破坏过程大致可分为五个阶段,且不同阶段出现了与之相对应的声发射信号特征;2)白云岩的声发射振铃计数和能量在反映岩石损伤演化过程方面有较高的一致性。明显的声发射活动主要出现在岩石加载的中后期,在岩石进入裂纹非稳定扩展阶段后出现振铃计数和能量激增的现象,在临近破坏阶段,个别岩样进入声发射活动的相对平静期;3)对比声发射特征点和应力屈服点出现的时刻,两者的差值与岩样的初始缺陷密切相关。但无论是累计振铃计数还是累计能量,基于两者识别出的特征点时间都是超前于或接近应力屈服点出现的时刻。基于本次研究结果,如果作为岩石破坏前兆信息识别,选用累计能量参数会使得安全储备更充足。     

不同加载速率下砂岩巴西劈裂声发射试验研究

利用RMT-150C电液伺服刚性试验系统和PAC声发射信号采集系统,对典型砂岩在巴西劈裂条件下变形破坏全过程的声发射特征以及不同加载速率对其的影响进行研究.试验结果表明:声发射特征与各变形阶段其内部结构损伤信息的变化是相对应的,声发射参数可表征岩石拉伸破坏微观结构损伤和演化;随着加载速率的增大,AE振铃率和AE能量率都随之增大,峰值处释放的AE能量最大值呈递增趋势,而AE累积能量呈递减趋势,这可能与加载时间有关;砂岩的抗拉强度随加载速率的增大而增大,同步监测AE能量峰值亦随加载速率的提高呈上升趋势,不同加载速率下AE能量峰值的变化能够反映岩石的抗拉能力.     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

基于尺寸效应的岩石声发射时空特性数值模拟

为研究不同大小尺寸岩石破坏过程中的声发射时空分布和演化规律及其对岩石破坏过程声发射的影响,以某矿山岩石力学参数为依据,利用数值软件对相同高径比、不同大小尺寸的6组岩样进行试验研究。试验表明当岩样尺寸小时,大的声发射事件主要出现在岩样大破裂贯通前后,声发射在岩样中从当初的随机性分布,到过峰值载荷之后大量集聚在岩样中部。试样尺寸较大时,未达到峰值应力前声发射较少出现,且分布弥散,大的声发射事件仅在峰值载荷后出现1次,其能量和数量均是声发射历史上最显著的,在试样中两处聚集成核,这与不同尺寸岩样内部包含不同缺陷强度离散性有密切关系。     

不同尺寸冲击倾向性煤样声发射b值特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,借助地震学中的G-R关系探讨了其变形破坏过程中的声发射振幅随时间的动态演化规律。试验结果表明:采用累计频次和微分频次所计算的b值均能得到相似的规律,对于数据量小时可优先采用累计频次,数据量较大时可优先采用微分频次;声发射b值可以表征煤岩体失稳破坏过程,可分为3个阶段:初始波动下降、非稳定过渡、直线下降,可归结为"递减-波动-下降"模式,3个阶段分别与应力应变曲线的各阶段相对应;不同尺寸煤岩声发射变化趋势不同,随着试件尺寸的增大,b值前期变化趋于不稳定,进入塑性阶段后表现出较高的一致性,失稳破坏前兆特征的尺寸效应并不明显;声发射b值在煤岩失稳破坏前均降至最低点,b值下降的突变点位于0.80～0.85倍峰值应力范围内,因此可以把塑性阶段b值的持续下降阶段作为煤岩失稳破坏的一个前兆特征。     

煤岩受热及损伤过程的声发射特性研究

物质燃烧产生的声波特性可进行煤自燃监测预警,利用声发射仪和煤岩受载破坏系统对煤在接收频率为1 kHz和2 kHz时的声发射信号演化规律和能量分析,发现煤在受热升温的过程中会产生声信号,且随着接收频率的增大,频率高的声发射信号与温度的相关性更弱一些。对岩石在不同温度下的应力-应变特性进行分析,结果表明,随着温度的升高,岩样的峰值强度逐渐降低,且施加相同的应力发生的应变程度增大。煤岩升温过程中的声发射特性及变化规律,为利用声信号预警预报矿井火灾提供研究方向。     

不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

煤系岩石单轴压缩损伤破坏演化规律与表征北大核心

为了研究煤系岩石单轴压缩损伤破坏演化规律及其表征方法,以煤系岩层中普遍存在的3种不同岩性岩石为研究对象,重点讨论不同矿物组成以及不同微观结构等对其自身岩石力学性质的贡献关系,对比分析了声发射多维度特征参数的特殊表征意义,借助于计数与能量参数表征破坏尺度大小的关系,以及借助于声发射高灵敏定位效果来表征破坏位置的演化,通过两者的结合可进一步表征出承载体损伤演化全过程的可行性,基于理论分析,推导了响应的本构方程。结果表明:不同岩性煤系岩石微观形貌特征及矿物组成成分的差异直接影响其物理力学性质与受载损伤破坏特征;声发射特征振铃计数及声发射能量能有效表示岩石受载过程中损伤演化过程,声发射空间定位点分形维数D能在一定程度上反映岩石的损伤破坏过程,但受岩石孔隙率及致密程度的影响较大。基于岩石孔隙率特征及受载过程中的声发射累计振铃计数,建立了考虑初始损伤和累计损伤的本构模型,并分析了孔隙率对损伤张量Dn的影响规律。     

不同加载路径下岩石次声信号特征研究

为了研究岩石破坏过程中次声信号特征,进行了单轴压缩试验、斜剪试验、巴西劈裂试验3种室内试验,同时采集次声信号,并对采集的次声信号进行小波分解与重构,获得频率为0~16Hz的次声时域信号。通过试验结果分析,发现岩石在剪切破坏形式下能产生突出次声波信号,次声信号强度在应力峰值点附近达到最大;岩石在加载破坏过程中产生的次声信号主要频带能量分布在1~4 Hz,在应力初始阶段1~4Hz频带能量占比达50%左右,随着加载应力的不断增大,这一频带能量占比越来越大,峰值点附近可达85%以上。分析结果表明,次声信号频带能量百分比与岩石所处应力水平有很大关联性,这一频带能量特征可以作为判断岩石受力状态的判据。     

岩石剪切破裂过程中裂纹扩展的声发射特征研究

声发射技术可以用来实时监测岩石内部的裂纹扩展活动。裂纹扩展过程中所产生的应力波被声发射探头捕捉到之后,会产生具有不同特征的声发射信号。研究了直角剪切试验过程中不同种类岩石的声发射信号特征,得到结论:岩石破裂过程中声发射信号的累计能量与岩石破裂所需能量呈正相关性,可以用声发射累计能量来衡量岩石的破裂能量大小;可以用声发射信号的频率和持续时间来划分声发射信号,不同类型的声发射信号对应不同级别的裂纹扩展活动。     

岩石高径比效应对其声发射影响的数值模拟研究

对6种不同高径比岩石试样进行数值模拟研究,讨论了不同高径比值下声发射之间的关系,得出了声发射的时间序列特征和空间分布的规律:H/D1时,达到应力峰值前,声发射频度及能量极少,且弥散、随机的过程较长;当达到峰值时,声发射频度和能量达到历史最大,主要分布在试样中部。H/D≤1时,在初期声发射已有出现,达峰值应力前有声发射突跃,且能量也较大,出现声发射带;达到峰值应力和在峰值过后仍有几次频度较高的声发射。这些特征为用压力机做实验时,控制一定高径比尽量避免岩石试样破裂过程受垫板干扰提供了参考依据,对预测岩石破裂来临及位置具有一定的参考意义。     

三轴循环加卸载下花岗岩损伤的声发射特征及能量机制演化

利用TYP-500型三轴试验机进行三轴常规及循环加卸载试验,借助PCI-2声发射系统记录花岗岩破坏过程的声发射信号。试验结果表明:循环加卸载试验使花岗岩的弹性模量变大,较常规三轴压缩强度,循环加卸载强度大致提高了3.5%;随着循环加卸载次数的上升,花岗岩不可恢复的变形量变大,为最大变形的5%左右,表明花岗岩具备明显的"记忆性"功能;花岗岩声发射振铃计数突变点大致在峰值应力的90%处,可将此作为判断花岗岩破坏的前兆;围压越大,弹性能所占比越大,说明围压影响岩石内部能量的分配;在峰值强度的0.3~0.4处,弹性能所占比达到0.9左右,说明在荷载达到试件峰值强度之前,岩样内部的能量演化已经发生转变,并保持在一定水平。     

岩石劈裂演化过程中声发射相位谱研究

通过岩石劈裂破坏实验,采用全相位FFT分析算法,重点讨论了不同通道、不同阶段声发射信号的相位谱特征,根据相位属性,划分为线性以及非线性相位。研究结果表明:线性相位广泛存在于劈裂演化阶段。且与岩石破裂中各阶段能量释放的大小呈正相关,在每一个能量较大值点对应的都是线性相位。比较不同通道同一阶段的能量数据得到,破裂越剧烈对应线性相位的比例越大。这一结论为岩石破裂的阶段分析提供了重要思路。     

花岗岩脆性破裂过程的声发射前兆特性及RFPA模拟研究

以花岗岩为研究对象,进行单轴压缩下岩石脆性破坏声发射试验,并利用RFPA模拟岩石破裂声发射演化特征,得出如下结论:在岩石屈服点或峰值应力附近,声发射振铃累计计数会突然增加,声发射能量出现激增;模拟的声发射活动在显裂纹出现之前,有异常汇聚现象;位移矢量在模型破裂位置出现条带异常混乱现象,而应力矢量形成的条带网络与裂纹扩展趋势保持一致。结果表明模拟声发射累计计数曲线出现异常抬头的时间点晚于模拟荷载曲线出现异常下降的时间点,可作为模型破坏前兆信息。     

原煤劈裂和单轴压缩破坏声发射特性实验研究

对劈裂和单轴压缩条件下原煤损伤破坏全过程的声发射特征规律进行了对比研究。研究表明,单轴压缩破坏时,加载初期声发射信号较少;在弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射信号呈剧烈增加趋势;声发射能量和声发射脉冲数在破坏阶段达到最大值。劈裂试验时,在裂纹的加速非线性弹性变形阶段开始产生声发射信号;声发射能量和脉冲数在破坏阶段达到最大值;但是与单轴压缩相比,劈裂试验下声发射信号出现较晚,声发射能量较低,脉冲数较大;未观察到与单轴压缩实验类似的"裂隙压密"阶段声发射脉冲数较高的现象。     

不同通道岩石破裂过程的相位谱分析

岩石受载破裂过程中释放的声发射信号携带大量声发射源的信息,岩石的宏观破裂表现在大破裂的产生,大破裂往往伴随着大能量的产生,对大能量信号的研究是探究岩石破裂信息的关键。通过岩石劈裂破坏实验,采用全相位FFT分析和小波包分解与重构的方法,重点分析不同通道声发射信号的相位谱特征,根据相位属性,划分为线性以及非线性相位。研究结果表明:线性相位广泛存在于劈裂演化阶段。根据应力与能量时间图将花岗岩破裂分为三个阶段:Ⅰ阶段劈裂成板,Ⅱ阶段剪切成块,Ⅲ阶段颗粒衍射。经小波分解去噪与重构后的声发射信号其相位的线性特征更加明显,绝对相位的提出能快速准确的识别相位的类别。不同通道的大能量声发射信号其绝对相位都是线性相位,这一结论为岩石破裂的阶段分析提供了重要思路。     

不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析

对直径相同、高径比不同的4组红砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验, 获得了各试样的力学基本参数及试验全过程所释放的全部声发射原始波形信号, 在对每个声发射信号逐一去噪的基础上, 通过快速傅里叶变换提取其主频, 联合时频域共同分析尺寸效应对岩石力学性质及声发射信号主频特征的影响。结果表明, 随着高径比增大, 试样的脆性破坏程度明显, 破裂时的延性减弱;红砂岩声发射信号主频分布范围为10~175 kHz, 明显成频段分布;尺寸效应对声发射信号主频的影响主要体现在频段分布的差异上, 30~60 kHz、140~155 kHz和160~175 kHz为各尺寸试样所共有的频段, 其中30~60 kHz频段占比最大, 对应着岩石损伤演化的最主要破坏模式;岩石变形破坏过程中, 主频分布特征朝复杂离散方向持续转化。