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。     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

预制裂隙煤样损伤破坏力学及声发射特征分析

为研究裂隙倾角对煤样损伤破坏力学机制及声发射特征的影响,应用电液伺服岩石三轴实验机与AE21C声发射仪对不同倾角预制裂隙煤样进行了单轴压缩声发射试验。试验结果表明:煤样破坏时表面裂纹分布特征具有明显的不同,从完整试样的劈裂破坏演变为从预制裂隙末端开始顺着岩桥扩展直至形成贯通裂纹;预制裂隙对煤样峰值强度有明显的影响,不同倾角预制裂隙煤样其峰值强度随着裂隙倾角的增加呈现出先降低再增加的趋势;完整煤样的声发射事件在压密阶段和弹性阶段前期都比较平静,在弹性阶段末期发展较快,而预制裂隙煤样在弹性阶段前期或中期就产生明显的声发射现象,并且预制裂隙煤样总体的声发射现象相比完整煤样更密集,同时,还呈现出随着裂隙倾角增加其声发射逐渐密集的现象。     

不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要,为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响,对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验,并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大,峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势,峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象,单轴抗压强度和应变量均小于α45°的煤样。α45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主,更容易产生沿节理面的滑移破坏,振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段,声发射信号与应力降具有很高的相关性。α45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主,更容易产生挤压摩擦破坏,在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号,大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大,煤样表现出的冲击倾向性越强,声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此,鉴定煤冲击倾向性和利用声发射进行冲击地压监测预警时,需充分考虑煤层节理面与现场受力情况。     

冲击煤样单轴压缩的声发射特征研究

为了研究冲击煤样破坏的前兆特征,利用煤岩声发射实验系统对冲击煤样进行了单轴压缩声发射实验,研究了煤样的破坏过程及声发射特征规律.结果表明:声发射活动与载荷及煤样变形破坏具有较好的相关性;冲击煤样的声发射通常在载荷达到最大,试样完全失稳破坏时才会密集出现,表现出产生明显的“群震”特征,峰后基本上无信号产生.分析发现,在临...     

侧向渗透-轴向承载下煤样破坏及水-力耦合作用机制

煤矿邻空煤柱在采空区水渗透及上覆岩层载荷作用下变形破坏特征复杂。为研究这种侧向渗透-轴向承载作用下煤柱的变形特征，通过用于圆柱形试件渗透实验的单侧水压加载装置，进行不同侧向渗透压力下的煤样压缩试验，研究煤样的破坏特征与渗透特性。结果表明：煤样破坏总体上呈非对称形态，煤样在侧向渗透-轴向承载下的变形破坏可分为压密、弹性、裂隙稳定扩展、非稳定扩展、峰后破坏5个阶段；随着侧水压力不断增大，煤样峰值强度逐渐下降，裂隙稳定扩展阶段对应的轴向应变减小，使得水能在较小轴向应变下进入煤样内部空隙中，导致煤样脆性增加，加速煤样的破坏。     

突出煤体变形破坏过程声发射演化特征综合分析

对阳煤新元矿3号突出煤层的原煤和型煤进行载荷控制方式下的变形破坏试验,研究不同类型煤样变形破坏过程中声发射特征及其差异。研究结果表明,煤体破裂过程经历了3个阶段：非裂纹发展阶段、裂纹的稳定发展阶段和非稳定发展阶段。原煤在裂纹的稳定发展阶段及其以后,体应变速率的增大伴随着声发射指标的增大,且体应变的突降伴随着声发射指标的激增。原煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力之前,表现出峰后的脆性变形特征,声发射指标峰值也出现在峰值应力之前;而型煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力以后,表现出峰后塑性流动的延性变形,声发射指标峰值也出现在峰值应力以后。原煤破裂过程中呈现出两种体应变-时间曲线形态,既有较为平滑的曲线形态,也有在裂纹的稳定发展阶段就开始出现短时突降的体应变-时间曲线形态;而型煤仅呈现出平滑的曲线形态。原煤的声发射参数与应力之间总体上呈正相关关系,且在裂纹的非稳定发展阶段或者稳定发展阶段的中期以后,声发射参数具有较高的数值;而型煤声发射参数的演化分为两个阶段,峰前的平静期和峰后的爆发期,由峰前较为稳定的低值跃升到峰后较高水平的最大值,其破坏的声发射参数具有突增性。原煤声发射强度包括平均强度和峰值强度均远大于型煤的声发射强度,这主要是原煤强度较高容易积聚较高的弹性潜能且内部结构相对破碎所致。     

突出煤样声发射特性及发射源试验研究

运用MTS 815岩石力学试验系统和PCI-2全数字声发射监测系统对具有突出倾向煤体制备的型煤试件单轴压缩和循环加载过程中的AE特征进行了试验研究,利用扫描电镜和数值模拟软件分析了声发射事件的来源.结果表明:单轴压缩过程中,随着煤样变形的增加,AE各参数呈上升趋势,在屈服阶段的后期出现最大振幅和最密集AE事件区,预示试件将发生破坏;AE事件累计曲线和振幅变化曲线与单轴压缩应力应变曲线相似,可在现场用以判定煤体失稳与破坏;随循环载荷作用次数的增加,AE事件及其能量呈现递减趋势;在卸载阶段无AE事件出现.四种微结构变化是煤样产生声发射事件的源.     

红砂岩蠕变声发射分形特征

对红砂岩进行了蠕变声发射试验,以固定的时间窗口和固定的滑动步距,计算并分析了蠕变过程声发射幅值分形维数特征,试验结果表明：红砂岩等速蠕变阶段应变速率与蠕变应力呈指数关系。减速与等速蠕变阶段声发射幅值分形维数特征与蠕变应力的大小有关。当加载应力小于岩石长期强度时,由原生微裂纹被压密所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大而减小。当加载应力大于岩石长期强度时,由新生微裂纹萌生、汇集等过程所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大总体呈现增大的趋势。在加速蠕变阶段,声发射幅值分形维数持续减小直至破坏,该特征可作为红砂岩蠕变破坏的前兆特征。研究成果可为探索岩石蠕变破坏方法提供试验基础,具有一定的工程应用价值。     

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。     

基于变形场时空演化的煤冲击劈裂试验研究

采用霍普金森杆冲击加载装置,通过高速摄影机搭建实验的数据采集系统,以数字散斑相关方法作为实验的观测手段,对巴西圆盘煤试件在冲击载荷作用下的冲击劈裂变形场演化规律及裂隙扩展特征进行实验研究。试验结果表明:1从变形场演化特征分析,加载初期变形场相对均匀,随荷载增加变形局部化特征明显。变形场时空演化总体表现为两个阶段特征:峰前水平方向变形量值变化较快,垂直方向变形量值变化较慢;峰后由于裂隙演化,水平方向变形量值变化缓慢,垂直方向变形量值变化较快;2霍普金森杆加载过程中,在试件两端加载处出现了局部压碎区,加载过程中主裂纹从压碎区域萌生并沿径向加载方向扩展至另一端贯通破坏;3实验测得煤样在冲击载荷作用下峰前应力随应变呈线性增长,弹性模量与静荷载相比有较大提高,由于压碎区域存在,冲击加载实验得到的煤试件拉伸强度与实际相比偏小。     

循环载荷下煤样裂隙演化试验及数值模拟

为了从宏观和细观角度深入研究煤样在循环载荷下的裂隙发育过程,基于声发射监测技术,研究了煤样在循环加、卸载条件的宏观变形及声发射特征,并采用PFC2D数值模拟软件,从细观层面分析了煤样在疲劳损伤过程中的裂隙演化规律;结果显示:循环载荷下煤样单次加、卸载产生的残余变形量经历减小、稳定和增大3个阶段,变形曲线呈"疏-密-疏"的特征;声发射参量表现为降低、稳定和升高阶段,峰值振铃计数呈"U"型,累计能量和撞击计数呈倒"S"型。数值模拟结果看出:循环初期煤样的微裂纹随机分布,中期微裂纹不断积聚,并初步形成剪切破裂带,循环后期主剪切破裂带形成,最终导致煤样破坏,煤样的破坏以剪切破坏为主。     

自然和饱水煤样受载破坏声发射特征实验研究

开展了单轴压缩自然和饱水煤样受载破坏实验,测试了煤样在整个加载过程中声发射信号脉冲、能量及主频等各参数的变化规律,对比分析了这2种煤样破坏声发射各参数随加载应力变化的差异性,总结了煤样失稳过程中声发射信号的前兆特征。结果表明:在压密阶段,2种煤样脉冲数和能量值较小,频带范围较宽,主频不突出;在线弹性阶段,自然煤样声发射脉冲数、能量值及主频波动上升,而饱水煤样在该阶段中后期声发射现象才开始明显出现;随着加载的进行,2种煤样声发射都出现了平静期,饱水煤样平静期出现较晚,持续时间也较短;煤样主频逐渐向低频移动,主频振幅却呈现出快速增高后下降趋势。     

红砂岩单轴压缩破坏的声发射信号及时空演化特征

针对红砂岩在单轴压缩下的变形损伤规律和破裂失稳机理,进行了红砂岩单轴压缩的声发射定位实验研究。结果表明:加载过程中声发射信号随时间的变化特征能够反映出红砂岩的张拉破坏模式,声发射定位点首先在岩样的下部产生,随时间的变化定位点数不断增加,并逐渐向上扩展至整个试件,且下部产生的定位点数比上部密集,红砂岩最终发生劈裂破坏,声发射定位点主要集中在裂纹附近;随着有大裂纹的产生,红砂岩临近破坏时声发射定位有突增的特点。研究结果反映了岩样内部裂纹产生和扩展的空间位置以及三维空间演化过程,为研究红砂岩破裂失稳机理提供了依据。     

高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征

为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测,而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:①高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,经历温度越高压密和屈服阶段越明显,峰值后应力跌落速度有所减缓;②高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低,在100和500℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100～400℃高温,高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25℃煤样比较,经历100,200,300,400和500℃高温后,煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%,抗压强度平均降幅依次为47.88%,49.99%,56.24%,56.91%和87.57%;③高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息,在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系,不同高温后煤样的声发射特征存在差异,声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生,声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点,且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前,而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征,其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低,累计能量随温度变化具有波动性;⑤高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系,抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100～500℃高温作用后煤样结构发生了变化,煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加,煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。     

加载角度对煤声发射特征的影响试验研究

为得到不同层理煤声发射参数并为其破裂机制和破裂前兆分析及判定提供参考,进行了层理角度为45°、90°、0°煤样单轴压缩声发射实验研究,分析不同加载角度煤样b值与应力及能量所对应关系,研究其声发射参数RA与AF值变化规律,并分析了加载角度为0°下的声发射b值与声发射r值。结果表明：峰值应力之后能量大量释放导致微裂纹贯通成大裂纹;加载角度为45°和90°的煤样b值相接近且明显大于0°煤样,各试件在达到峰值应力后b值均有下降趋势;加载角度为45°时,煤样破坏形式为张剪复合破坏;加载角度为90°和0°时煤样破坏形成为张拉破坏;b值大幅下降时段与r值大幅增加时段相同,r值可作为描述煤破坏程度的1个指标。     

煤试样巴西劈裂的声发射特征研究

基于细观损伤力学开发的RFPA2D数值模拟软件,分析了巴西劈裂试样的应力分布特征。利用微机控制试验机进行了煤试样的巴西劈裂试验,对煤巴西劈裂全过程中的声发射特征进行了研究。试验结果表明:声发射事件伴随整个煤试样劈裂过程,在不同的加载阶段有不同的声发射特征;随着载荷的增加,煤的应力场随时发生变化,从加载初期到破坏时,再到破坏后x轴方向拉应力经历了"不明显-最明显-不太明显"的过程;在煤试样将要破坏时拉应力达到峰值,证实了煤试样劈裂是受拉破坏,此时声发射事件最为明显。     

单轴压缩条件下冲击煤岩声发射特性实验研究

为了更深入地了解具有冲击倾向性煤体声发射特性,利用RMT150B试验机对冲击煤体在单轴压缩条件下全过程声发射特性进行研究,得出煤岩体破坏时应力、声发射特性参数之间随时间的变化曲线,并将整个过程分为5个阶段。研究发现声发射参数在试样屈服阶段出现了"平静期",标志煤样破坏前兆。通过比较不同弹性模量试样的声发射特性,发现随着弹性模量的增加,声发射特性的平均水平越高。煤岩在加、卸载时,当加载至弹性阶段时卸载,煤样在压密阶段的声发射信号比相对应的卸载阶段明显要强,而在弹性阶段声发射基本相同。当加载至屈服阶段时卸载,声发射在整个加载阶段都要比卸载时强,且越接近临界载荷卸载越明显。