岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究

选取内蒙古哈不沁铁矿花岗岩为试验对象,进行了岩石单轴压缩声发射试验,研究采用声发射参量预测岩石破坏裂纹尺度增长的可行性。花岗岩的全应力-应变曲线和声发射各参量曲线分析结果表明,应变的逐渐增加加快了岩石内部聚集的弹性变形能的释放,随着弹性变形能的释放,声发射的幅度、振铃计数、能量等越来越频繁地跳跃,当进入岩石破坏阶段时,声发射参量呈现突发性增长。对比分析了在声发射参量下预测裂纹尺度与实测裂纹尺度的相关性,结果表明,径向破坏裂纹尺度是轴向位移的2倍,且预测值与实测值非常吻合,预测的裂纹尺度能够反映岩石的损伤破裂过程,也能够描述岩石应变的发展过程。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

岩石压裂过程中的声发射信号研究

当岩石受力变形和断裂时,会产生声发射现象（弹性波）,对其声发射事件的分析,可用来研究岩石裂纹形成机制和断裂过程。本文利用MEMS传感器对花岗岩单轴压裂过程的声发射事件进行研究,发现岩石试样破裂失稳可划分为四个过程。在整个应力加载过程中,声发射事件次数随岩石应变先呈增长趋势,后在岩石发生宏观断裂前呈减少趋势;声发射能量一直呈增长趋势,在岩石宏观断裂时达到最大;其声发射信号的频率一般为200～700Hz,随断裂的发生有降低的趋势。研究同时也表明,可通过对事件本身的定位（微震源定位）来研究岩石断裂位置。因此,MEMS传感器可应用于煤矿、水库和油田压裂等微地震的监测。     

高温均匀压力花岗岩热破裂声发射特性实验研究

为研究花岗岩体热破裂规律,通过实验研究了均匀压力(25 MPa)下大试件（200 mm× 400 mm ）花岗岩在常温~500 ℃范围的声发射变化规律及特性,探讨了各个阶段声发射信号反映的岩石破裂特性。研究表明：① 330 ℃为花岗岩破裂声发射和热破裂性质转变的分界点,低于330 ℃ ,热破裂为弹性破裂,330 ℃以后,花岗岩出现局部塑性变形和破坏;② 330 ℃以后,局部塑性破坏造成大量低能量释放率的声发射产生,声发射密集区由小部分能量率很大的声发射和数量很多、低能量释放率的声发射组成,声发射密集区整体上累积释放能量较低;③ 声发射振铃率发生突变可以作为花岗岩内部微破裂带开始形成的标志,花岗岩从110和420 ℃开始分别经历了2次大的热破裂裂纹网络的改善。     

预制裂纹花岗岩单轴压缩全过程声发射特征试验研究

为有效提取含有宏观构造岩体失稳破坏的前兆信息,对不同倾角预制裂纹的花岗岩进行了单轴压缩全过程声发射变化特征试验。结果表明:预制裂纹对岩样峰值强度的影响是显著的,随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩试样的峰值强度降低。随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩变形破裂过程中声发射事件数和声发射震级都增加,出现声发射前兆信息时试样的应力大幅降低,完整试样的应力为峰值应力的88.5%,裂纹倾角30°时为84.5%,裂纹倾角45°时为56.2%,裂纹倾角60°时为46.3%,声发射前兆信号出现的时间也更为提前。花岗岩变形破裂过程中声发射事件主要集中在预制裂纹区域。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,因此对含有宏观构造的岩体应加强宏观构造处的监测。     

岩石单轴声发射及能量耗散特征颗粒流模拟研究

基于石膏岩室内单轴声发射试验，结合PFC^2D颗粒流模拟，分析了单轴压缩下岩石声发射演化特征，从空间角度反演了微裂纹萌生、汇集到破坏的过程，同时对渐进破坏过程的能量变化进行分析。研究结果表明：岩石颗粒流细观参数对宏观参数的显著性影响各不相同，利用正交试验及回归分析可量化宏细观参数关系；单轴压缩过程中，声发射事件在峰后阶段大量产生，发展过程可依次划分为无损期、平静期、增长期和陡增期，声发射事件陡增期存在沉寂期，可作为岩石破坏的前兆判据；岩石模型内部最先出现张拉裂纹，峰前阶段内部裂纹随机产生，汇集性并不明显，宏观破裂面形成于峰后阶段，且破裂面附近富集大量拉伸裂纹；岩石内部能量在峰前阶段以弹性能储存为主，峰后应变能大量释放，耗散能急剧增加，能量耗散比呈“N”形变化；基于声发射试验结果所得本构模型更适用于描述离散元单轴压缩过程中的应力应变关系。     

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了砂岩在单轴压缩条件下应力-应变全过程的声发射特征以及加载速率对其的影响。获得了岩石轴向应力与轴向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线,以及全应力-纵向应变过程曲线中4个阶段的声发射特征;在初始压密和弹性阶段,声发射撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;在应变硬化阶段,撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;在应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。由于岩石每个变形阶段具有不同的声发射特征,因此,可用声发射来表征岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。另外,随着加载速率的提高,岩石裂纹扩展速率会加快,损伤加大,从而产生更多的声发射;但峰值处释放能量的最大值呈递减趋势,产生强烈声发射的应变值变小。     

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。     

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。     

花岗岩破裂过程中的声发射活动性研究

当岩石受外力或内力作用产生变形或断裂时,产生声发射现象.声发射技术是一个用来研究岩石裂纹扩展过程的很好的工具.本文应用声发射技术,研究了单轴加载条件下花岗岩试样破裂失稳过程,应用单纯形方法对声发射事件进行定位,对加载过程中花岗岩的声发射活动性进行了分析.研究结果表明：声发射次数随着应变的增加而增加;通过声发射事件定位技术,在开始加载时,声发射事件分布的很散乱,但是随着荷载的增加,声发射事件逐步聚集,直至宏观发生破坏;声发射次数随时间变化出现逐渐增加趋势,但岩石宏观破坏之后,其声发射活动并没有立即停止,而有增加的趋势,这主要是由于应力场寻求新的平衡,声发射次数仍然增加.可见,声发射事件随时间的变化,可以很好的反映岩石宏观失稳破裂之后,其内部应力场达到新的应力平衡过程.     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-Ⅱ声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律。试验结果表明:进入屈服阶段,大于80dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能级之间存在近似线性关系,岩石内部高能级高震级事件的集中出现表征着岩石局部损伤劣化加剧,与高速摄像仪记录结果一致;屈服强度过后,其他破裂类型也开始逐渐增多,但能级大于4的声发射事件基本都是张拉破裂类型。上述特征现象均可以作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。     

岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究

通过对花岗岩、粉砂岩和煤岩进行单轴加载声发射和红外观测实验,研究岩石破裂过程中声发射和红外辐射特性及二者的相关性。研究结果表明:岩石破裂过程中,声发射和红外辐射具有阶段性的特征,二者的变化规律与力学的阶段性变化有良好的同步性;岩石破裂前,声发射平静期和岩性有关,花岗岩破裂前出现易识别的声发射平静期,粉砂岩和煤岩无明显声发射平静期;岩石从弹性阶段进入塑性阶段,岩石的增温速率降低,应力致热效应降低。提出:以声发射事件率和平均红外辐射温度的空间相关性由连续有规律向离散无规律转变,相关系数在时间上持续降低作为岩石破裂前兆特征。由于实际应用时岩石破裂的复杂性,故可将声发射和红外两种手段相结合,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

不同配比类岩石材料力学特性及声发射特性

为了模拟矿物颗粒大小组成对声发射的影响,采用两种粒径的石英砂(0.1~0.2 mm,0.63~1 mm),按不同配比(0.5∶1,1∶1,1∶0.5)混制成3组类岩石材料试件,并对试件进行了单轴压缩声发射试验。试验结果表明:3组不同配比试件的变形特征与天然岩石材料的比较一致,其变形破坏过程都经历了4个阶段,即:初始压密、弹性变形、塑性变形、裂纹加速扩展至试件破坏;随着细颗粒比例的增大,试件的单轴抗压强度逐渐增大。通过分析3组同配比试件的声发射试验参数,得到声发射事件率-时间与应力的关系,累计声发射事件率与时间、应力的关系,结果表明,类岩石材料的声发射特性与天然岩石材料的声发射特性比较相似。     

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。     

岩体破裂变形过程中AE时序特征研究

对室内岩石声发射试验的事件率与应力关系曲线、事件时序分布进行了分析,研究了岩体破裂变形过程与声发射事件时序分布特征之间的相关规律。现场监测结果表明,岩体破裂变形过程中的声发射信号是随机的,非周期性的,随着地质环境等改变而改变;岩体声发射事件主频时序参数突变,由小突然增大,或是在连续增加时突然减少,都是临近破坏的征兆,可作为预测、预报岩体破裂失稳的依据。     

应力条件对受载煤体声发射活动特征的影响研究

为研究外部应力条件对受载煤体的声发射活动特征的影响作用,采用岩石力学试验系统和声发射仪,开展了单轴、不同围压三轴、卸围压三类应力条件下的煤样破坏试验,对比分析了煤体在不同应力条件下的破坏特征及声发射活动特征。试验结果表明:煤体的声发射活动宏观上与煤体的破坏阶段相对应,应力条件对煤的破坏特征及声发射活动特征具有重要影响作用。在增围压作用下,煤体的弹性模量、强度增加,主破裂面与轴向加载方向的角度逐渐增大,主破裂机制由张拉破坏向剪切破坏转变;在卸围压作用下,煤的主破裂机制由剪切破坏向张拉破坏转变。在围压应力增加条件下,在弹性变形阶段,煤体的声发射事件显著减少;在屈服变形阶段,声发射事件的能量逐步降低,并且能量的分布形态从相对"聚集"向相对"分散"的转变;在峰后变形阶段,煤体呈现渐进损伤的延性破坏特征,声发射活动持续逐步降低。在三轴卸载围压应力条件下,在煤体屈服阶段,声发射事件率与能量都随着应力的快速跌落而迅速增加,声发射活动趋于活跃,煤体的破坏方式最为剧烈。     

单轴压缩条件下水泥砂浆块声发射实验研究

利用RMT-150岩石力学试验系统和AEwin-USB型声发射系统做了水泥砂浆块在单轴压缩条件下声发射特征实验。实验研究结果表明:声发射信号与水泥砂浆块内部损伤破坏情况有密切关系。对应全应力-应变曲线中4个阶段声发射特征各不相同,伴随着试样初始压密、弹性变形、屈服破坏和峰后破坏4个阶段,声发射活动少量发生、平稳增长、急剧增加、趋于稳定,因此可用声发射活动来表征岩石的微观损伤演化及预测其宏观破裂失稳过程。     

砂岩破裂失稳声发射特征及相关性分析

实验采用声发射设备对砂岩单轴受载破裂过程进行监测。实验结果表明:声发射事件率与绝对能量时间序列分析都可反映出砂岩具有压密、弹性、塑性、破裂4个阶段的岩石脆性破坏机制。通过对岩石破裂过程的事件率和绝对能量的皮尔逊积矩相关系数研究,显示岩石破裂时大破裂和小破裂是相互独立的。综合分析表明砂岩大破裂都出现在最大应力出现之后,且也是导致岩石破裂的主要因素。实验结果对由该类岩石破裂引起的矿山地质灾害的长期监测及预报具有指导意义。     

矿柱破裂过程中的声发射活动时空演化特征研究

矿柱及其稳定性一直是采场稳定性研究的核心,通过应用花岗岩样人工制作三组矿柱物理模型,应用声发射仪器监测矿柱破裂过程及其声发射活动时空演化特性。结果表明:在加载的初始阶段,声发射定位事件在矿柱内部比较零乱;随着荷载的增加,在矿柱内部破裂面的声发射事件逐渐聚集、成核、剪切宏观裂纹。在整个加载过程中,声发射撞击数在弹性变形后期及即将产生塑性破坏时达到两个峰值点,在弹性变形后期产生的声发射撞击数峰值点振幅多在50 dB,在矿柱承载达到其峰值应力的90%时,声发射撞击数达到最大峰值,此后声发射撞击数逐渐减少,但大幅值(80～100 dB)声发射撞击数不断增加,宏观裂纹逐渐贯通,即将产生破坏,该实验结果对实验室预测岩石试件的破坏具有一定的指导意义。