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。     

煤体破裂分形特征与声发射规律研究

探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键,开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计,获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性,含有夹矸或裂隙越多,煤体受载过程弹性区越短承载能力越低,破碎后完整性较高,峰后软化特征明显,煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2.08~2.60略高于岩石,碎块分形维数随峰值应力增加而升高,将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k),碎块密集度越小煤体分形维数越大,破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化,声发射累积量正比于分形维数,结合试验统计结果,深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系,并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式,研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。     

单向扰动加载触发煤体冲击破坏特性试验研究

运用MTS-C64. 106型压力机开展纯煤试件的单轴动静组合加载试验。结合PIC-2声发射卡和高速摄像机的监测结果,分析了单向扰动加载下煤体的力学、冲击性能、声发射特征、动态破坏特征、碎片分形特征。结果表明,扰动加载应变率增大,煤体强度呈对数增加;冲击性能增强;扰动能量输入速率、声发射振铃计数、撞击数呈现"缓增—急增—突增"的转变,试件破裂形式经历"剪切破裂—竖向劈裂—爆裂"的转变;碎片质量分维与动载应变率呈二次方关系,存在动载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示的应变率极值为2. 8×10~(-3)s~(-1)。     

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。     

煤岩破裂声发射实验研究及R／S统计分析

对受载煤体破裂过程中的声发射（ＡＥ）信号进行了测定和分析．研究结果表明,受载煤岩体的变形破裂及声发射信号并不连续,而是阵发性的．声发射信号符合赫斯特（ＲＳ）统计规律．在受载煤岩体的破裂过程中,声发射信号基本呈现逐渐增强趋势,这对于预测预报煤岩灾害动力现象有重要的意义．     

不同冲击倾向性煤体声发射能量特征与时空演化规律研究

为了弄清声发射与冲击倾向性的关联性,对具有强、弱和无冲击倾向性的煤体开展单轴压缩下的声发射试验,分析了煤体的声发射能量特征与定位事件的时空演化规律。结果表明:强冲击倾向性煤体在受载前期和中期,声发射能率与总能量数均很低,临近峰值强度时开始急剧增长;弱、无冲击倾向性煤体声发射能量在整个阶段表现较活跃,尤其在受载的中后期,呈阶梯式逐步增长趋势;不同冲击倾向性煤体均在临近破坏时出现大量高能量声发射信号。声发射能率和总能量数趋于活跃可作为煤体破坏的前兆信息,随着冲击倾向性的增强,声发射能量趋于活跃越滞后。声发射空间定位演化结果直观反映了煤体内部声发射源位置与破裂发展状况,其空间分布与聚集位置可对应于煤体内部应力集中与宏观破坏区域;随着煤体冲击倾向性的增强、受载应力水平的增大,声发射定位事件数量逐步增加,临近峰值强度时,声发射定位事件急剧增长。声发射总能量数、定位事件数与冲击倾向性呈正相关关系,从一定程度上揭示了煤体积聚和释放弹性能的能力。     

煤体破裂声发射的频谱特征研究

对受载煤体声发射的频谱特性及变化规律进行了测试及研究分析，结果表明，煤体受载破裂时，其声发射信号的频谱不是一层不变的，而是随载荷及变形破裂过程而发生变化，基本上是随着载荷的增大及变形破裂过程的增强，声发射信号增强，主频带增高．煤体声发射的频谱特征变化与煤体变形破裂过程密切相关．     

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。     

基于小波去噪的充填体声发射序列分形特征研究

为了获取充填体在外荷载作用下声发射序列的分形特征,对灰砂比为1∶6的充填体试样进行单轴压缩声发射试验,并利用小波分析去除声发射信号中的噪声信息,在此基础上研究试样破坏各过程的声发射活动情况及其分形特征。研究表明未去噪的声发射特征参数的峰值会提前出现;随着相空间维数的增大,分形维数呈现出一种先增大后稳定的趋势;声发射序列的分形维数在应力接近峰值时骤减,此时试样出现主破裂。分形维数在试样失稳破坏前期呈现出波动到稳定的变化趋势,该特征为分形理论应用在充填采矿的安全监测提供依据。     

煤体变形破裂电磁辐射的初步实验研究

实验研究了含瓦斯煤体变形破裂时产生的电磁辐射现象 ,并考察了电磁辐射与声发射的关系。结果表明 ,含瓦斯煤体在受载破坏时能够产生电磁辐射 ,电磁辐射与声发射并非严格同步 ;电磁辐射信号随着载荷的增大而增强 ,随着载荷的降低而减弱 ,在煤体受载的全过程基本上都出现 ,这一实验结果可为煤与瓦斯突出预报提供理论依据     

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。     

超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究

为研究超声波致裂对煤体力学损伤特性及能量演化规律的影响，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩试验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。试验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期、波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延–塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗...     

不同岩性煤岩体声发射特征参数及破坏前兆信息研究

针对煤矿工程现场中动力灾害频发,灾害前兆信息难以预测的难题,通过室内试验,开展了不同岩性煤岩体材料声发射特征参数及破坏前兆信息的研究,揭示了不同岩性煤岩体破坏特征及声发射特征,并获得了其破坏前兆信息。结果表明:不同岩性煤岩体材料宏观破坏特征基本相似,但其破坏阶段、破坏过程和破坏特征呈现一定的差异;不同岩性煤岩体的声发射特征值大小不同,但演化规律整体上呈现一致性,具体表现为:压密阶段声发射呈"稳定增高"状态,弹性阶段声发射呈"稳定沉默"状态,弹塑性阶段声发射呈"急剧变化"状态;在弹塑性阶段,当达到应力峰值的过程中出现短暂的"声发射平静期",这显然与临界慢化理论相吻合,故将其定义为致灾"前兆信息点"。     

煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC~(2D)数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏,而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破坏时动力显现强度,形成了煤体砂岩破坏互馈机制。RCR组合体受载时声发射信号有明显的时段性特征,当RCR组合体发生整体失稳时,声发射信号频率较低,声发射能量值达到历史最大,根据煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测,实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。     

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明：因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。     

瓦斯突出煤体的粒度分形研究

煤与瓦斯突出是含气多孔固体介质的力学破坏过程,煤体结构破坏是这一力学过程的物质基础和必要的介质条件。通过首次研究相同破坏条件下的煤体结构类型的分形特征及分形维数与瓦斯突出参数的关系,为从更深层次上认识瓦斯突出煤体和非突出煤体和采用瓦斯突出煤体分布探测技术进行瓦斯突出预测提供理论基础。     

构造煤受载破坏过程电阻率响应的方向性差异特征

开展了配比软煤正方体试样的单轴压缩试验,分析了构造煤受载破坏过程的应力应变特征,得到不同方向上煤体的电阻率响应特征。结果表明:试样从加载到破坏分为4个阶段,依次为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;煤体受载过程中,煤体呈现劈裂破坏形态,裂纹从试样底部向上方扩展,部分裂纹贯穿试样的上下表面;试样在竖直方向和水平方向上的电阻率响应特征呈现明显的差异性,竖直方向上试块的电阻率呈现先减小后增大的趋势,而水平方向上试块的电阻率呈现缓慢增大、快速增大和急剧增大3个阶段;试块发生破坏后,竖直方向的电阻率变化远不如水平方向电阻率的变化幅度大,而且水平方向电阻率呈现持续增大的特征。     

含瓦斯煤体水力压裂过程中声发射损伤效应的数值模拟研究

为了研究煤体水力压裂过程中声发射特征并分析其演化规律,利用具有固液耦合分析功能的有限元软件RFPA2D,创建渗流-应力-损伤耦合模型,对含瓦斯煤体水力压裂过程进行了数值模拟,结果表明:在水力压裂过程中,煤体内部出现声发射现象,声发射事件与煤体内部损伤破坏直接相关,声发射累积量可以反映煤体损伤破坏程度与煤体渗透性变化。通过实时监测水力压裂过程中声发射事件、累积量的演化特征,从整体上反映煤体内部渗透性变化与损伤破坏情况,为声发射监测技术在煤体水力压裂效果评价应用方面提供一定指导。     

煤体瓦斯吸附渗流过程及声发射特性实验研究

对原煤试样瓦斯吸附渗流过程的声发射信号进行了监测,并基于声发射信号特征,分析了煤体损伤演化及瓦斯吸附渗流的动态特征。实验发现,在吸附过程的初期,声发射强度最大,而且随着吸附量的逐渐增加,声发射信号逐渐减弱;吸附过程中声发射信号在时域上呈现阵发性,即密集段与间歇段相连的特征。实验结果表明:瓦斯是由煤体最外层开始逐层向内部吸附渗流的;在瓦斯逐层渗流过程中,当瓦斯压力梯度大于可导致煤体局部微观结构破坏的临界压力梯度时,瓦斯表现为具有动力效应的破坏式渗流,对应着声发射的密集段;煤体受到破坏后,渗流阵面的压力急剧降低,瓦斯表现为无破坏能力的渗流,同时也进入蓄能阶段,对应着声发射间歇段;随着煤体内部瓦斯压力的增大,吸附过程趋于平衡,煤体内产生的声发射信号也逐渐减弱。     

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。