含瓦斯型煤破坏临界慢化前兆特征研究

针对煤岩破坏前兆信号的有效性,开展了等效围压下的含瓦斯型煤加载试验,采集了加载破坏过程中的声发射信号,基于临界慢化原理计算了声发射计数-时间序列的方差和自相关系数,分析了煤样破坏的前兆信号.结果表明:等效围压下,含瓦斯煤在压缩破裂过程中,声发射累计计数随时间的响应经历了初始活跃期、稳定增长期、加速增长期和峰后衰减期;不同围压-孔隙压力下煤样压缩破裂声发射特征均存在临界慢化现象,声发射计数序列的方差和自相关系数在煤样破坏前均出现了增大并持续增加的趋势,可以作为煤样破坏的前兆信号.相比声发射累计计数所表征的前兆信号,缩短了前兆信号与破坏点之间的时间差,前兆信号对应的载荷也更接近试样所能承受的最大载荷,更加表明试样确实进入危险破裂阶段.     

软煤应变强度硬化冲击灾变

煤与瓦斯突出软煤层不具冲击倾向性,但在深部开采中却发生了软煤层冲击灾变动力现象.为探索软煤冲击灾变的成因,通过文献研究和工程案例实证分析,证明了软煤层冲击灾变现象的客观存在;通过煤样无侧限单轴压缩试验和冲击倾向性测定,得知试验煤样无冲击倾向性,极限载荷后单调应变强度软化;模拟工程背景现场与掘进工作面和采煤工作面中部相同的边界约束和加载条件,开展单自由度边界承压试验,考察灾变全程应力、应变、声发射特征,研究软煤冲击灾变机理.结果表明:单自由度边界条件下加载,3个煤样均出现应变强度软化-硬化-灾变过程,甚至反复软化-硬化;经应变强度硬化,灾变前煤样抗压强度均超过冲击倾向性的阈值条件;定义了应变强度软化、应变强度硬化系数,灾变前应变强度硬化系数分别为1. 26,1. 53,2. 25,应变强度硬化程度比较显著;软煤在单自由度约束条件下承压,应变硬化达到煤样冲击破坏强度条件时,可发生类似硬煤的冲击灾变,合理解释了现场软煤层冲击灾变的成因.深部高应力条件下,煤与瓦斯突出软煤掘进和开采,要对应变强度硬化导致煤层冲击灾变引起重视;工程上,这种冲击灾变的强度一般不高,但其可诱导煤与瓦斯突出或瓦斯异常涌出,危害性很高.     

不同开挖洞径深埋隧洞岩爆模型试验研究

为研究开挖洞径对深埋隧洞围岩岩爆破坏的影响,开展3种不同洞径的类岩石材料大尺寸试件真三轴岩爆模型试验,利用智能摄像机和声发射监测系统对试件加载破坏进行全过程监测,对比分析不同洞径对试件岩爆的影响规律。结果表明：不同开挖洞径试件在加载过程中皆经历了初始损伤(Ⅰ)、损伤发展(Ⅱ)与损伤破坏(Ⅲ)3个阶段。洞径增大,试件隧洞破坏荷载减小,岩爆破坏范围与碎屑质量增大,大块碎屑质量占比增加。加载过程声发射事件能量最大值随洞径增大呈递减趋势,而累计能量呈递增趋势,反映小洞径试件破坏时能量释放更集中,破裂剧烈程度更高,洞径越大,试件内部产生裂纹的总体规模越大。加载过程声发射b值在进入损伤发展(Ⅱ)和损伤破坏(Ⅲ)阶段时皆有显著减小,反映在此阶段大裂纹事件的产生增多;声发射总体b值随着洞径的增大而减小,反映试件随洞径的增大,破碎程度降低及大尺度破裂增多。在损伤破坏(Ⅲ)阶段,低、中频高幅值声发射事件比例随着洞径的增大递增,反映试件随洞径增大在此阶段围岩大尺度破裂增多。声发射各阶段时频特征参数反映的试件各阶段的损伤破裂尺度与试件宏观破坏现象一致。     

平行双缝倾角变化混凝土圆盘的三维动态研究

为研究动荷载下平行双缝倾角变化对混凝土圆盘的影响,基于有限元方法,建立平台巴西圆盘的三维动态数值模型.采用Weibull统计学理论,考虑混凝土材料的非均匀分布,研究应力波作用下平行双缝倾角变化对裂纹扩展模式的影响,得到裂纹萌生、扩展直至贯通的破坏全过程图与声发射图.结果表明,试件的破坏是劈裂性的,新生裂纹扩展的方向与动荷载加载方向一致;声发射活动随预制裂纹倾角增大而减少;双缝预制裂纹倾角越大,峰值荷载越大,声发射累积能量越小,试件越不容易发生破坏.     

基于声发射事件b值变化规律的岩石破坏前兆识别及其局限性

利用多道声发射采集系统记录了不同岩性的岩石试件变形破坏过程中的AE全波形,由扫描算法求得试件变形全过程的声发射b值动态曲线.声发射b值在岩石加载前期和中期阶段b值总体呈上升趋势,上升过程中有不同程度和次数的起伏,到岩石接近破坏时,b值迅速降低.但是,声发射b值的下降并不一定代表岩石即将失稳破坏,仅依靠声发射频率和强度参数并不能完整准确地反演岩石内部结构,也不能实现对岩石失稳破坏的预测预报.岩体的动力失稳破坏的机理异常复杂,要实现准确的预测预报,应对声发射信号所包含的信息进一步挖掘,并对比分析其它岩石状态参数的变化规律.     

会泽铅锌矿深部岩体岩爆倾向性实验研究

应用TAW-2000D岩石三轴试验机和SDAES型数字声发射仪,以会泽铅锌矿深部矿岩为研究对象,通过单轴压缩、巴西劈裂试验,分析岩体的变形破坏特征和声发射规律;以冲击能指数WCF和岩石脆性指数B和应变能密度SED作为判别准则,对岩爆的倾向性进行研究.研究结果表明:岩爆倾向性强的岩体,声发射活动出现相对平静期,岩爆倾向性弱的岩体则没有;岩体的声发射特性与岩体的破坏模式直接相关,根据其声发射规律可预测岩爆倾向性;会泽铅锌矿深部矿岩存在中等至强烈岩爆的倾向.     

混凝土劈裂抗拉声发射特性性能研究

研究混凝土劈裂抗拉声发射特性,结果表明试件的劈裂抗拉破坏过程基本符合混凝土轴心受拉破坏的特征,可近似认为试件是轴心受拉破坏。在应变很小时,声发射信号非常微弱;随着应变的增大,声发射信号逐渐增强,混凝土损伤不断发展;随损伤发展到一定程度,声发射能率迅速增大到峰值,之后进入衰减期。表明利用声发射技术研究混凝土劈裂抗拉行为的可能性。     

泥岩实时细观破坏过程及其声发射事件产生机制研究

利用自制的与CT系统和声发射系统配套的加载装置,研究了泥岩在破坏过程中裂纹、孔隙等变化规律及与声发射事件之间的关系.研究表明:从CT图像可以观测到不同加载阶段试件中微裂纹闭合、扩展、分叉等细观损伤活动,声发射事件的空间分布规律很好地反映了内部微破裂、微裂纹的演化过程,定位结果与裂纹发育区域较一致.破坏模式不同反映了破坏过程和破坏机理的不同,破坏从规模较大的原生微裂纹处起裂,起裂载荷约为峰值载荷的80%,无原生裂纹区域和含坚硬夹层区域发生突发性脆性破坏,坚硬夹层对破坏模式起控制作用.声发射事件主要来源于加载初期新生裂纹的形成、原生裂纹的压密及裂纹的稳定扩展,此时声发射信号为突发型.裂纹的起裂和非稳定扩展过程不能形成声发射事件,此时声发射信号为连续型.能量累积陡增是裂纹起裂、分叉及宏观破坏的标志.     

不同速率下单双钎头破岩声发射数值分析

选用脆性花岗岩为研究对象,利用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,分别对其进行单、双钎头在不同加载速率下的数值模拟试验,得到RFPA2D应力图及相对应同一加载步下的声发射图。结果表明:较单钎头相比,岩石在双钎头协同作用下将会形成应力叠加,且钎头下面的裂纹会对相邻裂纹产生影响,裂纹尖端会产生应力集中,试件破坏释放出的声发射能量和声发射计数更大;随着加载速率的增大,试件释放的声发射总能量增大,且所得竖向载荷增大。     

单轴加载下煤样失稳破坏的多参量前兆特征

建立了多参量监测系统,包括声发射、介电常数、应变场和表面温度场等监测手段,来研究在单轴压缩条件下,变形局部化演化过程中煤样失稳破坏的多参量前兆特征.研究发现:在煤样劈裂破坏过程中,变形局部化带的演化经历了3个阶段:在第Ⅰ阶段中,变形局部化相对滑动分量占据主导;第Ⅱ阶段中,相对拉伸分量快速增加;第Ⅲ阶段中,相对拉伸分量和相对滑动分量均急剧增大.样品表面温度场前兆特征发生在第Ⅱ阶段,介电常数前兆特征发生在第Ⅲ阶段,声发射前兆特征发生在第Ⅰ和第Ⅱ阶段.     

单轴压缩下不同层理方向对片麻岩声发射特征影响的试验研究

为探究不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征,选用具有明显层理构造的片麻岩试样开展单轴压缩条件下的声发射试验,分析轴向平行和垂直层理片麻岩试样失稳破裂、声发射时序参数和声发射空间定位演化特征。结果表明:不同层理方向对岩石破裂影响显著,轴向平行层理片麻岩试样峰值载荷稍高于轴向垂直层理的,裂纹起裂应力水平较高,声发射定位点由加载初期离散无序分布转为向沿层理聚集,破裂时主裂隙沿层理面贯通上下端或沿层理扩展形成垮落区,最终表现为典型的张拉破坏,岩石达到峰值载荷后瞬间失稳,呈突发式破坏特征;轴向垂直层理试样起裂应力水平较低,进入声发射剧烈期参数波动更为显著,事件点在试样中部聚集产生倾斜带状剪切裂纹密集区,破裂时出现多种破裂模式,主要以剪切滑移破坏为主。岩石达到峰值载荷后应力发生多次跌落,呈渐进式破坏特征。     

均质度对层理页岩破坏过程声发射影响的数值模拟

采用真实破裂过程分析软件RFPA~(2D)(realistic failure process analysis),结合所取江西页岩岩芯的室内强度、泊松比、弹性模量等实验结果,对不同均质度的不同方向层理面页岩在单轴压缩破坏下的过程及其声发射特性进行了数值模拟。研究表明:页岩层理面方向和均质度对其抗压强度、破坏模式和声发射特性有显著影响。垂直于层理面加载时的抗压强度大于平行于层理面加载时的抗压强度,而其声发射累计数小于平行于层理面加载的声发射累计数。加载方向与层理面垂直时,层理弱面发生剪切破坏,而基质体发生劈裂破坏。加载方向与层理面平行时,主要发生沿层理弱面的竖向劈裂。随着均质度增大,模型峰值应力增大,声发射计数减少,声发射信号出现时间延迟,持续时间变短。声发射的集中带与基元破坏形成的宏观裂纹的位置一致。     

侧限约束冲击载荷下煤样能量耗散与损伤特征

冲击载荷作用下煤岩能量转化与损伤控制是煤岩冲击动力学领域关注的重点问题.利用分离式霍普金森压杆和自制侧限约束装置,对煤样进行不同速度等级、不同约束状态冲击压缩试验,研究其能量耗散规律和破坏失效模式,并结合超声波测试、CT扫描分析侧限约束条件下煤样损伤特征.结果表明：冲击压缩过程中煤样能量转化分布具有同步异幅特征,受煤低波阻抗特性影响显著.单轴冲击条件煤样呈脆性失稳破坏,从低速冲击的劈裂破坏向高速冲击下压碎破坏模式转变,耗散能与冲击速度呈二次函数正相关关系.受能量相同的入射波作用,侧限约束下煤样微裂隙扩展贯通困难,耗散能明显低于单轴冲击,煤样外观保持整体性较好,发生塑性变形破坏.随着冲击速度的提高,冲击载荷对煤样损伤程度的影响占主导因素,三维重构模型显示煤样内部损伤裂隙体积增幅明显,超声波高频信号降低、低频信号上升、频谱由单主峰向多峰转变.依据纵波波速变化特征,建立了侧限约束煤样损伤程度与冲击速度的关系表达式,可为相关工程设计施工提供参考.     

石灰岩三轴压缩全应力应变过程的声发射特性

本采用徐州九里山石灰岩试件，在美国ＭＴＳ公司生产的ＭＴＳ ８１５．０２Ｓ伺服试验机上进行连续加载、循环加载及应力松驰试验，测试了石灰岩在不同围压及不同加载方式下的声发射特性。得出：（１）石灰岩在低围压下呈脆性劈裂破坏，主破裂前声发射很少，ＡＥ突发信号发生在主破裂瞬间；随围压增高，试件呈剪切破裂形式，主破裂前有众多声发射。（２）连续加载及循环加载方式下石灰岩呈现不尽相同的声发射特性，前大量ＡＥ信     

岩煤结构静动组合加载试验系统研制及应用

为明确煤层应力集中、顶板断裂和断层滑移等诱冲条件下岩煤组合结构体破坏失稳机制，自主研制了岩煤结构静动组合加载多参量试验系统，实现了多尺度岩煤组合结构两向静-动组合荷载的独立施加，动载施加间隔可达0～2 000 ms,实现了深部矿山多种动力扰动条件的模拟.同时该系统可搭载数字散斑监测系统、声发射-电荷信号监测系统，实现了岩煤结构失稳过程表面应变场、位移场和破坏失稳前兆信息监测，最后应用该系统开展了静载、侧向动载和两向动载条件下含弱面岩煤结构体滑移失稳试验.试验结果表明：静载条件下岩煤组合结构破坏表现出明显的分区破坏形式，破坏失稳时间为0.28 s,侧向动载条件下岩煤组合结构表现为整体倾出的失稳模式，破坏失稳时间缩短至0.001 s,两向动载冲击后岩煤组合结构先保持了5 s的稳定阶段，随后煤层整体倾出.荷载条件是影响岩煤结构体力学行为的重要力源因素，试验结果验证了系统的可靠性.     

煤体剪切破坏过程电磁辐射与声发射研究

用剪切实验台和电磁辐射、声发射接收系统对煤体剪切破坏的电磁辐射、声发射特征进行了研究 .结果表明 ,煤体剪切破坏过程中电磁辐射和声发射有两种类型 :一种是在加载初期出现较高的强度 ,加载中间阶段有较为平静的区域 ,主破坏发生前又逐渐增强 ,破坏时出现较高的强度 ,破坏后逐渐减弱 ;另一种是随应力增大电磁辐射和声发射持续增强直至破坏 ,破坏后减小 .试验结果与预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等动力灾害的现场测试结果吻合 .     

不同含水率混凝土断裂过程声发射试验研究

为研究不同含水率混凝土断裂过程的差异性,将干燥试件浸泡不同时间,使其达到不同含水率,基于声发射技术,对三点弯曲梁的破坏过程进行监测。通过比较声发射信号撞击计数、能量计数和振铃计数等不同发射信号来反映不同含水率对混凝土断裂过程力学性能的影响规律,并结合撞击计数、振铃计数和能量计数捕捉起裂荷载,进一步分析水分对起裂韧度和失稳韧度的影响。试验结果表明,相比于P-CMOD曲线,声发射参数变化能更加直观地分析水分对混凝土断裂过程的影响。随着含水率的增加,起裂前,撞击计数累计值呈现增大趋势,起裂后,声发射参数值、峰值以及累计值均呈现减小趋势;损伤演化起始门槛值随含水率的增大而降低,饱和试件较干燥试件最大下降64%;饱和试件断裂过程区宽度较干燥试件最大增大20.8%;     

加载速率对煤岩损伤及声发射特征影响的数值模拟研究

为研究加载速率对煤岩损伤及声发射特征的影响,利用RFPA2D数值模拟软件,以加载速率0.001,0.003,0.005 mm/步对煤岩试样进行数值模拟试验。结果表明,加载速率对煤岩的损伤特征和声发射特征都具有一定的影响。随着加载速率的增加,宏观损伤出现的时间逐渐减小,呈现负相关性;不同加载速率下煤样破裂过程中的声发射峰值计数和峰值能量随着加载速率的增加逐渐增大,呈现正相关关系;不同加载速率下煤样破裂过程中的声发射累计计数和累计能量随着加载速率的增加逐渐减小,呈现出负相关关系。     

液氮循环冷冲击作用下煤体受拉破坏特征

为了研究液氮循环冷冲击作用后煤体受拉破坏特征,分别针对0,2,4,6,8,10次液氮冷冲击煤样开展超声测试与巴西劈裂试验,对煤样的纵波波速、抗拉强度、破坏形态、裂隙密度、分形维数等相关物理参数进行分析,同时研究了液氮冷冲击次数对煤样受拉破坏应力场和声发射时域参数特征的影响.研究结果表明：随着冷冲击次数的增加,煤样的纵波波速及抗拉强度逐渐降低,经10次冷冲击后分别降为初始值的37%和30.72%;冷冲击后煤样出现分次破坏且呈现出较明显的屈服阶段.随着冷冲击次数的增加,煤样表面最大应变值逐渐增大,破坏形态从“直线型”逐渐向“网络型”演化,裂隙密度从32.11 m^-1逐渐增大至经10次冷冲击后的113.75 m^-1,同时分形维数从1.15增大至1.49.液氮冷冲击后煤样缓增期内振铃计数出现突变点,且突变点数量随冷冲击次数的增加先升高后降低,第6次冷冲击时达到最大值,之后振铃计数峰值逐渐降低.冷冲击后煤样累计能量曲线呈现阶跃式增长,累计能量峰值随冷冲击次数的增加先升高后降低.弱结构区的存在可能是煤样产生分次破坏、破坏形态向网络型演化以及振铃计数出现突...     

不同pH值水溶液浸润煤样强度-分形模型与抗拉试验解析

不同pH值水溶液浸润煤体受应力集中扰动后强度、变形与裂隙发展复杂.文中分析了不同pH值水溶液浸润煤样裂隙扩展特征,建立了基于破坏应力比浸润煤样分形维数求解模型与分形维数-抗拉强度回归方程,分析了不同pH值水溶液浸润煤样循环加载不同应力比下应力-应变特征与梯度加载破裂失稳机制,对比了分形维数-抗拉强度理论模型、线性回归与二值处理吻合性,预测了浸润煤样破坏瞬间分形维数.结果表明：分形维数可以刻画浸润煤样力学行为,建立了基于尺度比、应力比的抗拉煤(岩)样表面分形维数求解方程,推导出了分形维数-抗拉强度回归模型;无浸润煤样循环加载均值抗拉强度、峰值应变相比单轴无循环分别提升了1.13与1.36倍,不同pH值水溶液浸润煤样加载循环次数(抗拉强度)由多(高)到少(低)表现为pH=7>pH=11>pH=3;应力水平梯度越多,同级应力水平梯级应变增量越小,无浸润煤样抗拉强度是pH=7、pH=11与pH=3水溶液浸润煤样的1.26,1.32与1.85倍,抗拉强度与峰值应变特征均表现为无浸润、中性、碱性、酸性依次减小;煤样破坏形态表现为单一主控面拉伸劈裂失稳、多面无序拉剪失稳与近“X”型(或单...