基于声发射概率密度函数固废胶结充填体损伤分析

固废胶结充填体是保障矿山安全回采的关键承载结构,为探究其实际承载损伤破坏过程,在RMT-150C岩石力学测试系统上对不同粗骨料含量的4组胶结充填体试样进行了单轴压缩与循环载荷下的声发射试验。结果表明：循环载荷下,4组试样均具有显著的Kaiser效应,且含块石的3组试样声发射事件数更丰富,峰值应力前达到了纯尾砂试样的152%、225%和300%。同时,利用声发射概率密度与承载应力水平间的关联性,得到了4组不同块石含量胶结充填体的声发射概率密度方程,通过声发射概率密度函数实现了声发射参数量化分析胶结充填体承载损伤过程。对比损伤变量-应力水平曲线可以看出,块石的加入能够有效减缓并抑制前期损伤,当块石含量为20%时,效果最好。     

循环载荷下胶结充填体损伤声发射表征

胶结充填体是充填采矿法应用的关键部分,其稳定与否是充填采矿成功实施的基础和前提。实际采矿活动对充填体产生一种循环重复的加卸载扰动,通过研究循环加卸载作用下充填体损伤破坏过程的声发射特征,探求充填体的损伤演化机理,可为充填体声发射监测技术提供基础性依据。本研究利用RMT-150C电液伺服系统和PIC-2型USB数字多通道声发射仪对灰砂比为1∶4的4组试样进行多级加卸载试验,模拟充填体实际所处应力环境。通过对试验过程系统接收到的声发射信号分析处理后,发现了循环载荷下胶结充填体的损伤演化具有3个不同阶段特征;同时用经过声发射参数量化后的损伤值表征充填体的损伤,为充填体稳定性监测技术的建立提供数值依据。     

砂岩单轴循环加卸载试验及声发射特征研究

通过对砂岩进行循环加载试验,揭示了砂岩在循环加卸载过程中的强度变化及声发射特性。试验利用电液伺服岩石三轴试验机和SDAES数字声发射检测仪采集系统,对两组砂岩试样分别进行单轴抗压、单轴循环加卸载试验。试验结果表明岩样在经过循环加卸载后试样的单轴抗压强度略有增大,循环加卸载过程中在伴随着岩样内部原始天然裂隙的压密、新生裂纹的产生、扩展和贯通的同时,也伴随着声发射不断产生。声发射事件在砂岩再次加载应力到达上次加载最大应力前极少发生,达到上次加载最大应力以后则大量发生,说明砂岩岩样在循环加卸在作用下存在声发射的Kaiser效应,而无Felicity效应产生。     

块石对充填体损伤演化影响的声发射表征

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩实验,利用1 MHz的宽频声发射传感器采集峰值破坏前各阶段声发射参量,试验结果显示了块石对充填体不同承载阶段应力-应变水平的影响。对比应力-应变-累计声发射事件数关系,发现块石的掺入有利于降低充填体裂纹产生与扩展的速率从而使其承载能力得到加强。分析试验数据得到用累计声发射事件数表征充填体损伤程度的关系式,并得到2组试件的损伤-应变水平关系曲线。分析表明,块石的加入有效抑制充填体前期的损伤增长速率,并使得损伤激增段出现后延趋势。     

不同加载方式下花岗岩声发射特性的试验研究

为研究花岗岩在不同加载方式下的声发射特性,对15块花岗岩试样进行了3种不同加载方式下的声发射测试试验。结果发现:单次加载方式下,加载应力达到破坏强度60%左右时,声发射发生突增;等幅循环加载方式下能否观察到Kaiser效应与其加载应力水平相关;分级循环加载方式下,Kaiser效应记忆先前加载应力的准确程度随着加载应力水平的增加而减弱,其存在应力水平大约为试样破坏强度的20%~60%。     

块石含量对充填体残余承载阶段损伤演化影响研究

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩实验。试验结果显示了不同块石含量胶结充填体承载过程中残余承载阶段应力-应变变化关系。利用损伤力学理论建立了不同块石含量的损伤本构方程及损伤演化方程。对比损伤-应变关系曲线,发现随着块石含量的增加,块石胶结充填体应力峰值所对应的损伤值逐渐增加。分析认为,块石含量对充填体试件残余承载阶段的损伤增长速率的影响规律是块石含量较低（10%、20%）时加速损伤增长,块石含量较高（30%）时抑制损伤增长。     

大理岩声发射Kaiser效应法测量原岩应力试验研究

为研究声发射Kaiser效应法测量原岩应力,进行了现场套孔应力解除试验,得到了试件加载方向的实测应力值,对大理岩进行单轴压缩条件下的2次加载声发射试验并确定Kaiser点.试验结果表明:通过声发射Kaiser效应法测得的地应力与通过套孔应力解除法测得的原岩应力误差小于10 %,原岩应力位于20 %~26 %的峰值强度之间,即岩石压密阶段后期或弹性阶段初期.研究结果可为提高判读Kaiser点的精度和岩石工程实际提供依据.      

循环荷载作用下胶结充填体声发射特征试验研究

随着开采深度的增大,采场地压显现日趋严峻。胶结充填体作为充填采矿法中采场的重要结构单元,对维护采场稳定具有重要作用,因此了解认识胶结充填体在外界荷载作用下的响应特征具有重要的意义。通过进行单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加载阶段的声发射特征,以及声发射“平静”期的分形特征。结果表明:胶结充填体存在明显的压密阶段。在压密阶段初期,声发射能率较大。而后随着应力的增大,声发射能率又逐步降低,并最终维持在较低的水平;在弹性阶段,声发射事件率和能率随应力的增大而增大,并且声发射事件率普遍大于其余加载阶段;在加载应力达到胶结充填体峰值应力前,声发射会出现“平静”期。在此时期,声发射能率出现剧烈波动,且声发射分形维数是不断减小的;试验中,下级加载声发射能率大于上级加载,并且声发射能率对充填体损伤程度的敏感性大于声发射事件率。      

块石对充填体强度特性及损伤演化的影响

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩试验,研究块石对充填体不同承载阶段变化规律的影响。对比应力-应变关系曲线,发现块石的加入有利于提高充填体抗压强度,延迟应力峰值出现。利用试验测试结果得到损伤本构模型表达式和损伤演化方程表达式。分析损伤变量-应变关系曲线可知,块石的加入有利于减缓损伤变量的增长速率,并对提高残余承载能力具有显著效果。     

尾砂胶结充填体声发射特征的分形分析

对取自某铜矿的尾砂按不同配比制备尾砂胶结充填体试样,在单轴压缩条件下,进行尾砂胶结充填体破坏全过程声发射试验,通过对声发射基本参数序列进行理论分析,证实了充填体的声发射过程具有分形特征,并采用＂G-P算法＂计算了能率时间序列的关联维数.结果表明：低配比（1∶8）试样的关联维数在应力水平为60%时突降到最低,结构内部裂纹扩展开始变得有序,并呈宏观态势发展;高配比（1∶4）试样的关联维数是逐渐降低的,在峰值破坏时降到最小.此外,关联维数的＂突降→平静＂和＂持续降低＂两种模式可分别作为两种配比的充填体现场稳定性监测、预报的前兆判据.     

拉伸试验中充填体声发射特性及数值模拟研究

下向胶结充填采矿过程中, 胶结充填体顶板的破坏不仅受抗压强度的影响, 而且还表现为张拉破坏, 为了充分探索充填体顶板张拉破坏过程中的损伤演化规律, 对胶结充填体试件进行了单轴抗拉破坏声发射试验, 并利用RFPA2D软件对其拉伸破坏过程及声发射信号进行了数值模拟.模拟分析表明, 胶结充填体的抗拉破坏是始于试件圆盘中部, 沿着加载轴线方向出现裂隙萌生与扩展, 并汇聚成宏观的裂隙带, 最终导致整体失稳的破坏过程.模拟结果还再现了抗拉破坏时声发射的分布规律, 其结果对比室内试验的声发射特征规律, 具有很好的一致性.      

不同荷载作用下岩石的声发射特征

由于岩石破裂过程的尺度无关性质,通过对岩石样品破坏过程中声发射特征的研究可增进对采矿工程岩体失稳过程的认识。基于室内声发射试验及国内外学者在岩石声发射方面的大量科研成果,讨论了各种受力状态对岩石声发射活动性的影响,即单轴加卸载和三轴加卸载等多种荷载条件下的声发射特征,重点分析了岩石破坏前"声发射平静期现象"出现的条件。通过与岩体破裂过程中声发射监测结果中"沉寂区"的对比分析得出,在利用声发射技术监测地下工程岩体结构的稳定性时,必须深入分析岩体的声发射特征和应力状态变化过程,才能准确识别岩体破坏前兆现象,有效地作出对地质灾害的预报。     

不同应力上限和加载速率下的黄砂岩疲劳特性研究

为研究黄砂岩单轴疲劳加载的特性,开展了不同应力上限和加载速率下的单轴疲劳荷载试验。试验结果表明：黄砂岩的疲劳试验曲线受到单轴压缩应力—应变曲线的控制,疲劳极限变形与峰后对应变形一致;砂岩疲劳过程的不可逆变形和耗散能密度均具有三阶段演化规律,依据倒“S”型损伤模型,验证了黄砂岩疲劳损伤三阶段演化规律;分析认为三阶段规律的本质是砂岩的塑性变形和内部孔隙微裂纹生成以及扩展速度的不同所呈现的结果。研究表明应力上限和加载速率对疲劳寿命有显著影响,根据所得应力—寿命公式,可以估计砂岩在一定条件下的疲劳寿命。