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。     

水对花岗岩受力灾变声发射主频特性的影响

通过对干燥、自然、饱和3种状态下的花岗岩进行单轴压缩试验,并对加载过程中的声发射信号进行同步监测,分析了3种不同含水状态下岩石受力灾变的声发射信号主频变化特征,结果表明:不同含水条件下花岗岩加载至破裂全过程的声发射信号主频区间为0~110kHz,绝大部分信号的主频值集中在35~65kHz及15~25kHz频带区间;花岗岩加载过程的声发射主频演化可分为3个阶段,水会对各个阶段的声发射信号主频特性产生不同的影响;岩石失稳破裂前,声发射主频值由密集分布转向稀疏分布,35~65kHz的主频数量骤减,超低频值及高频值开始大量出现,可以认为是岩石受力灾变的前兆信息。     

花岗岩岩爆的声发射试验研究

通过对不同含水深部巷道花岗岩进行双轴加载声发射试验,利用声发射检测技术监测岩爆孕育、发生与发展的整个过程,对比分析水对岩爆的影响,并通过分析声发射事件率和声发射绝对能率研究岩爆发生的规律,为岩爆监测提供研究基础和技术支持。模拟试验结果表明:干燥饱水花岗岩都有明显的岩爆现象发生,饱水花岗岩岩爆发生时间有所滞后,岩爆发生爆裂程度有所降低;干燥花岗岩弹性能大,饱水花岗岩弹性能略小;干燥和饱水花岗岩声发射事件率和绝对能率在主破裂前都有一小段平静期,饱水花岗岩绝对能率有双峰性。     

岩石应变岩爆实验声发射频谱特征

岩石破坏模式不同时,声发射频谱特征也会有一定区别,根据声发射波的传播与衰减理论,传播距离不同时,相同幅度变化率所对应的频率与距离成反比减小。分别以花岗岩、砂岩及石灰岩等3种岩石试件,进行了应变岩爆实验。结果表明,相同测试条件下,不同岩石在各应力水平作用下,发生张、剪破坏形式及破坏尺度不同,其频率相对集中的范围有一定差异。高强度花岗岩主频在180 kHz左右相对集中;砂岩显示2个主频,分别为180和90 kHz;石灰岩主频为80kHz;高应力快速卸载及岩爆阶段产生大量破裂及大尺度破坏事件,一般对应较高幅值,低频高幅值比例增加,且频率范围增大。根据岩石不同阶段破坏所表现出的声发射频谱特征,可以研究分析工程岩体破坏声发射前兆,提供工程预警服务。     

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。     

花岗岩破裂过程声发射主频多元前兆信息识别

通过开展自然花岗岩单轴压缩声发射实验,获取岩石变形破裂全过程声发射波形信号,基于频谱分析理论,分析花岗岩破裂过程声发射主频演化规律,研究花岗岩变形破裂的主频多元前兆特征。研究结果表明:最高频、最低频、敏感主频出现率和主频变异系数4个参数能够从不同角度反映岩石破裂过程,适合作为岩石失稳预测的主要参数;岩石破裂前,最高频密集出现接近110 k Hz的主频值,最低频由接近0.4 k Hz低频值密集出现的活跃期转入极少接近0.4 k Hz低频值出现的稳定期;35~45 k Hz频段的主频值对此类花岗岩内部裂纹积聚最为敏感,加载后期此频段主频出现率突现大幅度下降并转入平静;主频变异系数在岩石破裂前密集出现较大幅度上升点。经统计分析,4个参数对岩石破裂前兆的响应时间从早到晚依次为最高频、最低频、敏感主频出现率和主频变异系数。不同参数能够从不同角度反映岩石内部裂纹演化过程,鉴于岩石变形破坏的复杂性,建议对各参数进行联合分析,为岩石破裂灾变提供更可靠的预警信息。     

饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究

为了探讨水对岩石岩爆性能的影响,采用双轴微机控制伺服压力系统及PCI-2声发射监测系统对干燥及饱水花岗岩进行了室内岩爆模拟声发射试验。研究结果表明:水对花岗岩的强度、变形特征有较大影响。饱水使花岗岩峰值强度下降了12.69%,变形模量下降了8.24%;水在一定程度上抑制了花岗岩内部原生裂纹的孕育进度,降低了岩爆过程中声发射的活跃程度。水平卸荷后,干燥花岗岩累积振铃计数近似直线增长,饱水花岗岩则呈"台阶"状上升;干燥花岗岩岩爆过程中b值历经孕育区、发展区、下降区;饱水花岗岩b值第三阶段则为群聚区,意味着水可以软化岩样,降低岩爆烈度;水改变了花岗岩岩爆过程中内部裂纹的破坏机制,饱水花岗岩水平卸荷后的Ra值呈束状分布,内部裂纹以拉—剪—拉共存的形式破坏,而干燥花岗岩则呈张拉破裂为主,剪切为辅的破坏形式。     

煤岩三轴卸围压破坏声发射本征频谱特征试验研究

对煤、砂岩在不同围压及不同卸围压速率下的三轴卸围压声发射试验中所采集到的波形信号进行小波包分析及FFT变换,探讨波形信号的能量、频谱特征及岩样卸荷破坏前兆。结果表明:煤、砂岩波形信号在0～625 kHz这一频带中的能量占总能量的比例分别为93.04%,90.07%,频率大于625 kHz的高频部分所占能量很少,表明煤、砂岩的声发射信号能量虽然在频域上分布范围较大,但主要集中在较低的频段区间;不同岩样声发射波形信号的最大主频值波动性较大,而最小主频值变化不大,说明岩样在试验过程中,其内部小裂纹的形成具有随机特点,而大尺度的破裂则具有一定的共性;在卸围压破裂前兆方面,声发射波形信号主频值在岩样宏观破裂之前会产生突变,出现极高(煤岩120 kHz、砂岩160 kHz)及极低(0 kHz)的频率值,主频出现突变,这一现象可作为岩样宏观破裂产生的前兆特征。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的“两高两低”特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的“三高一低”特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的“四低”特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的“三高一低”特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。     

不同含水状态下花岗岩岩爆模拟声发射实验研究

采用双轴伺服控制系统开展自然和饱和状态下的花岗岩岩爆模拟实验,同时采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射系统监测并采集声发射数据,研究了水对巷道岩爆的影响。研究结果表明：含水的区别对应着不同的花岗岩岩爆实验中的声发射特性;饱和花岗岩比自然状态花岗岩颗粒弹射时间滞后;自然和饱和花岗岩均在轴向载荷达到峰值荷载的65%～80%时声发射事件进入平静期,自然状态下花岗岩的声发射事件率平静期比饱和状态下平静期稍长;饱和花岗岩岩样的声发射平均事件率要比自然状态下高,而且高声发射事件率持续时间较长,自然状态花岗岩较大声发射能率出现时间滞后于饱和花岗岩;花岗岩岩爆过程中声发射事件率与能率变化规律呈现此消彼长的特点;自然状态花岗岩出现初始损伤的时间滞后于饱和花岗岩。     

花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究

通过声发射仪、红外热像仪观测有水压条件下的花岗岩试样单轴加载实验,研究加载过程中试样的声发射与红外辐射特征以及花岗岩破裂与渗水的红外及声发射异常前兆。研究结果显示：随着应力的逐步增加,试样的红外辐射表现为早期均匀上升、中期局部高温异常、后期渗水区低温异常;在破裂及渗水过程中,红外辐射表现为高温辐射场包围低温辐射场;花岗岩破裂-渗水的红外异常前兆为渗水点出现明显的“先升后降”红外辐射现象; 32～128 kHz频段是花岗岩破裂渗水时声发射信号的特征频带,且在渗水前夕该频带能量呈百分比下降趋势,并在渗水发生时降至最低点。上述实验结果对巷道开挖过程中透水事故的遥感监测预警具有重要的意义。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。     

岩爆断口扫描电镜分析及声发射特性

文中用花岗岩、闪长岩和大理岩通过双向加载系统模拟了地下巷道岩爆的发生,用扫描电镜对试件断口进行分析,研究了岩爆的发生机制;并用声发射检测系统记录了岩爆发生过程中的声发射特性,提出了岩爆的预测方法。     

岩爆孕育发生过程中的微震活动规律研究

为提高采用微震监测技术预报岩爆的准确率,基于最小耗能原理,通过理论分析,花岗岩室内试验和数值分析等方法,揭示了岩爆的孕育发生机理,提出了岩爆发生的准则,建立了岩爆的孕育发生过程的本构方程,探讨了由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线之间的关系,揭示了应力、能量积累转移与微震活动空间分布规律之间的内在联系.研究结果表明:岩爆的孕育过程是以损伤耗散为主的储能过程,发生过程是以塑性耗散和弹性能释放为主的能量释放过程;同时满足裂纹扩展完成准则和极限储能准则时发生岩爆;由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线有很好的一致性;通过监测微震活动空间分布规律可揭示岩爆孕育发生过程中应力和能量分布情况,为建立岩爆预报模型提供依据.     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。     

不同岩石破坏全程声发射Welch参数演化规律探究

通过变粒岩、花岗岩和石灰岩单轴压缩声发射试验,采集了岩石力学及声发射相关数据。运用Welch谱估计法对岩石破裂过程声发射信号的功率谱特征进行分析,并研究了峰值频率、能量占比的演化规律与岩石破坏的关联。结果表明,3类岩石受压破裂声发射信号的峰值频率均维持在(100±20)kHz,且在峰值频率正向较大波动点与能量占比高于25%信号点的波形特征多属突发型;能量占比的演化规律分两类,一类是先上升后下降,另一类是一直上升;在试件破坏期间,出现了峰值频率的较大波动与较高能量占比信号群增多的现象。应力、峰值频率以及能量占比值的联立分析,为更准确地预测岩体破坏失稳提供新思路和理论依据。     

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。     

水对花岗岩巷道岩爆声发射特征影响实验研究

采用双轴伺服控制试验机对干燥和饱水花岗岩进行巷道岩爆模拟实验,同时采用声发射系统监测并采集数据,研究了水对花岗岩岩爆过程中声发射特征的影响。结果表明:岩爆过程中饱水岩样事件率呈上升趋势,峰值载荷前没有事件率平静期,而干燥花岗岩事件率呈下降趋势,峰值载荷前有明显的事件率平静期;自水平方向卸荷开始,岩样振铃计数率、能率突增,饱水岩样事件率高于干燥岩样,但振铃计数率、能率均低于干燥岩样,且有几段振铃计数率平静期,表明水的存在丰富了声发射活动,但降低了声发射信号强度,降低了微观破裂的活动性;干燥花岗岩振铃计数率峰值发生在峰值载荷附近,而饱水岩样振铃计数率峰值出现时距离峰值载荷较远;主破裂前声发射非均匀性指标Cv值的快速上升,表明岩样内部出现大破裂或裂缝贯通,声发射事件局部集中程度加强,造成其声发射事件分布的非均匀性增强,可作为岩爆发生的前兆特征。     

基于HHT的粉砂岩破裂声发射信号频率特性研究

通过对粉砂岩进行单轴加载声发射实验,基于HHT分析方法,研究岩石破裂过程的声发射信号频率特性。研究结果表明:HHT是一种基于主成分分析的信号时频分析方法,可以确定信号的主次成分,用瞬时频率来精确描述信号的时频特性;粉砂岩破裂过程中声发射信号的时频分布有3个阶段,即初始区、波动区、沉寂区;粉砂岩破裂过程中声发射信号的主频与所处的应力水平有关,在岩石破裂前,随着应力水平的提高,主频逐渐降低;粉砂岩破裂过程中,从裂纹稳定扩展到不稳定扩展,直到岩石破裂,高能量声发射信号由高频率向低频率转移,且持续的时间增加;粉砂岩破裂过程中声发射信号适宜监测频段为20~120 k Hz。     

不同水温下花岗岩声发射信号的小波分形盒维数研究

为探讨不同水温下花岗岩劣化过程声发射特征,通过RLW-3000型测试系统和PCI-2型声发射系统,对自然干燥,50℃含水,100℃含水3类条件下花岗岩位移加载下声发射信号的小波分形盒维数进行试验研究。研究表明,加载过程峰值频率的变化规律能很好地反映水温对花岗岩声发射特征的影响,50℃与100℃水温条件下声发射信号的峰值频率高于自然干燥的峰值频率,前两者的峰值频率区别不大;主频范围的分形盒维数能定量反映不同水温下花岗岩声发射信号的差异,可为深入研究不同水温花岗岩声发射信号特征提供依据。