红砂岩单轴压缩与短时蠕变破坏声发射试验

岩石在不同应力状态下,其声发射特征有所区别,研究对比单轴压缩和蠕变2种状态下岩石的声发射特征对预测岩石破坏具有重要意义。通过进行红砂岩单轴压缩声发射试验和分级加卸载短时蠕变破坏声发射试验,对比分析了2种状态下声发射事件率和振幅的变化规律。试验结果表明:声发射事件率在蠕变破坏和单轴压缩破坏过程中总体规律相近;在单轴压缩破坏过程中在加载早期振幅较大,之后有所减小,直至破坏前增大明显,然而在蠕变破坏过程中,振幅在进入蠕变破坏加速阶段和破坏前均有明显增大的趋势。可见,相对于声发射事件率,振幅在一定程度上可作为蠕变破坏与单轴压缩破坏的声发射判据。     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影响。基于此,制作胶结充填体的标准圆柱体试样,采用WDW-100 kN型微机控制电子万能试验机加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:①不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;②不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;③对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;④构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度,较好的表征了不同应力水平下的胶结充填体蠕变变形规律。     

单轴压缩条件下岩石试样声发射特征研究

借助加载控制系统和声发射检测系统,对某矿煤层顶底板砂岩试样进行单轴加载,同时利用声发射检测设备同步进行监测,从而获得砂岩试样在单轴加载条件下的声发射振铃总计数、振铃计数率、各通道幅值、能量、能量率、幅值等声发射特性参数。结果表明:试验砂岩结构组成单一,强度高且表现为脆性;试样的AE能率与声发射事件率吻合,AE能率在岩石破坏前的声发射相对平静期更加明显;相对平静期的特征点可作为岩石破坏的前兆特征点,岩样相对平静期特征点的应力强度百分比为90%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。     

砂岩单轴压缩破裂过程声发射特性颗粒流分析

通过室内砂岩单轴压缩声发射监测试验,结合颗粒流数值模拟分析,研究了单轴压缩条件下砂岩力学特性、声发射特征的演变过程。研究表明:砂岩声发射峰值强度和峰值应力呈现一定的滞后性;砂岩在单轴压缩初始阶段拉伸破坏事件和剪切破坏事件随机发生,继续加载则破坏事件具有一定的贯通方向性;宏观上看,试样表现出剪切破坏,在剪切面上下端发生部分拉伸破坏,试样部分剥落。此外,不同荷载阶段对应不同的声发射释放阶段,峰值强度后,声发射事件密集发生,且声发射累积数高于峰值强度前。离散元模拟试验结果与室内声发射试验结果基本一致,验证了颗粒流模型表征砂岩声发射特性的可靠性。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究#br#

通过RMT 150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明：当加载速率增大时,强度为148.89~202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52~94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

常规压缩下砂岩的声发射与损伤演化

采用MTS815.02岩石力学试验系统和AE21C声发射监测系统,研究了常规压缩下砂岩试样的声发射和损伤演化特征。试验结果表明:砂岩试样的声发射振铃计数与能量计数的变化规律相同,相关系数在95%以上;岩样应力-应变曲线中,每一次应力跌落都伴随有较大的声发射振铃计数率产生;声发射振铃计数间接反映了岩样内部微裂隙的萌生、扩展和贯通过程,采用声发射振铃计数定义的损伤变量能很好地反映岩石损伤演化过程。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究

通过RMT-150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明:当加载速率增大时,强度为148.89～202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52～94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

单轴压缩条件下煤矿岩石的声发射特征研究

利用某RMT岩石力学试验系统对不同尺寸砂岩进行单轴压缩试验,加载同时进行声发射检测,测试岩石受力变形过程中的应力、应变、声发射振铃数等参数,并在试验的基础上分析了受力变形过程的典型声发射特性。     

单轴压缩条件下充填体—砂岩组合体破坏过程及前兆特征声发射试验研究

分别对砂岩、充填体—砂岩组合体试件进行单轴压缩声发射（AE）试验,研究了试件破坏过程中AE振铃计数及主频特征,重点对比了组合体试件中砂岩侧、充填体侧所采集到的AE信号差异性,同时采用BP神经网络对峰值应力前组合体试件的AE信号类型进行识别,分析了试件破坏过程中不同类型AE信号的时间—应力变化关系及占比变化规律。研究表明：组合体试件的平均单轴抗压强度仅为砂岩试件的38.85%;组合体试件破坏过程中的声发射信号振铃计数量整体少于砂岩试件;峰值应力前,组合体试件中砂岩侧AE振铃计数“激增”现象明显;临近破坏前,组合体试件中砂岩类型的声发射信号占比逐渐下降,充填体类型信号的占比逐渐上升,这一现象可作为组合体试件破坏的前兆特征。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

砂岩单轴蠕变声发射能量统计与断面形貌分析

为了研究砂岩蠕变过程声发射信号的统计特征,在实验室条件下进行了砂岩的长期和阶梯加载蠕变试验,并采集了全过程声发射信号。利用直方统计和最大似然估计分别分析了声发射能量统计特征,并对破裂断面进行了三维激光扫描重构,结果表明:长期与阶梯加载蠕变具有相似的声发射信号形貌,但是阶梯加载蠕变声发射率明显大于长期蠕变结果;长期蠕变和阶梯加载蠕变所产生的声发射信号的能量概率密度都满足幂律分布,且利用直方统计与最大似然估计两种方法都得到相似的幂律指数,可信度较高。蠕变的幂律指数不同于已有的单轴压缩结果而更接近于地震幂律指数结果;相较单轴压缩的较光滑破裂面,蠕变破坏面光滑度欠缺并伴有阶梯状断痕,和包含弹性-损伤混合纤维的纤维束模型的假设与结果相吻合。     

基于应变水平的砂岩脆性破坏声发射信息研究

岩石脆性破坏过程中的声发射信息与其受载变形破坏过程密切相关,在岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置存在声发射会出现突增现象。利用岩石破坏的三维重整化群理论给出了岩石破裂前声膨胀点所对应的应变和岩石峰值应力对应的应变水平比值的表达式,单轴荷载条件下其临界比约为74%与78%之间,并通过砂岩刚性加载试验得到了验证;同时通过对试验数据的分析发现,岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置所对应的应变值之间具有很好的比值关系。     

高温作用后原煤、型煤力学及声发射特性对比试验研究

利用单轴压缩试验仪器与声发射检测系统对煤样进行单轴压缩声发射试验，分析温度对原煤、型煤力学及声发射特性的影响规律。结果表明：同一温度下，型煤的峰值强度大于原煤,随着试验温度的升高，原煤的峰值强度与损伤强度逐渐降低，峰值应变也随之减小；型煤的峰值强度逐渐增大，但高温处理后型煤的损伤强度较常温相比降低，两者损伤强度数值在应力-应变曲线拐点附近。通过分析煤样不同阶段的声发射特征，相同温度下原煤、型煤的力学与声发射特性相吻合。原煤加载初期声发射计数出现一段“空白期”，随着试验温度的升高，原煤最大振铃计数增大，200℃时达到最大值，型煤最大振铃计数先增大后减小，100℃时达到最大值；应力-时间曲线拐点附近，煤样声发射计数活跃，原煤激增现象明显，且高温处理后的煤样与常温煤样相比，拐点前移；原煤、型煤在加载过程中声发射信号的差异性间接表明了两者结构的差异，对比高温作用后两者力学及声发射特征规律上的不同，更加说明高温作用后原煤内部产生的热应力对结构破坏的剧烈程度。原煤、型煤高温处理后拐点的出现及附近声发射信号激增标志着煤岩内部裂纹大面积产生，据此可对矿井可能发生动力学灾害部位及时采取预防措施。     

煤与砂岩复合岩声发射统计效应的试验与最大似然理论

岩石类材料破裂损伤的声发射统计效应近年来在理论、试验和模拟方面已开展了大量研究,并且近年来以声发射为实验基础,采用统计物理学的方式分析声发射信号,继而关于材料内部损伤机制的相关研究也得到了发展,但是针对不同材料声发射统计效应及其相互作用与临界行为研究还较为缺乏。为此在实验室条件下采用日本岛津AGI-250高精度材料试验机对由分别取自内蒙古和重庆地区的煤与砂岩组成的复合岩开展了单轴压缩试验,利用DISP系列全数字声发射工作站采集压缩条件下试样中煤与砂岩层位的声发射信号,对信号进行了概率密度分布分析,并建立了考虑叠加效应的幂律指数最大似然估计方法。研究发现:复合岩在单轴压缩条件下煤层和砂岩层的声发射信号与纯煤和纯砂岩表现出了不同的统计性质,其整体声发射能量概率密度分布受煤层影响较大,砂岩层整体服从单幂律分布,而煤层则服从双幂律分布;叠加效应的幂律指数最大似然估计方程由上下限幂律指数α,β,与声发射数量比例x三参数控制,方程预测结果与试验中拥有较低幂律指数层位的分析结果一致,且随着声发射能量的增加逐渐趋近于下限幂律指数值;随着声发射能量级的增加,复合岩中煤层对整体统计结果的影响程度逐渐增加,而砂岩层的影响程度变化不明显。     

石膏和砂岩试样损伤破裂及声发射时空演化规律研究

通过对石膏和砂岩试样进行单轴压缩声发射试验,获取两种试样破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试样破裂失稳情况,分析破裂过程中的声发射时空演化规律和波形的多重分形特征。研究结果表明:砂岩试样的单轴抗压强度是石膏试样的7倍多;由于岩性的变化,石膏和砂岩试样的破裂宏观形态由"X"型变化到倒"Y"型;两种试样声发射脉冲计数与应力变化规律比较一致,但是砂岩试样脉冲计数的最大值远远大于石膏试样;两种试样三维空间定位点分布与各自破裂宏观形态是一致的,但出现的时间以及分布位置是不同的;二者破裂过程中的波形都具有多重分形特征,破裂时的多重分形谱宽Δf(α)小于破裂前的Δf(α),破裂前的Δf(α)小于破裂后的Δf(α),砂岩试样各阶段的Δf(α)都小于石膏试样对应各阶段的Δf(α)。表明两种试样在破裂时的能量大于破裂前,破裂前的能量大于破裂后,而且石膏在各个阶段的能量小于砂岩对应各阶段的能量。通过对比分析,更加深入了解石膏冲击破裂的规律。石膏和砂岩一样会发生冲击破裂,只是冲击破裂形式不同,而且在同等条件下,石膏破裂产生的能量小于砂岩,为石膏矿冲击地压的防治打下了理论基础。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

煤岩单轴压缩条件下声发射与破坏特征差异性研究

为了揭示单轴压缩条件下煤岩的声发射能量与破坏特征,对神东布尔台煤矿12上煤及其基本顶进行了单轴压缩试验,试验过程中采用DS-2声发射采集设备对煤岩样在单轴压缩条件下破坏时的声发射信号参数进行采集分析,获得了煤岩样在单轴压缩过程中破坏与声发射撞击曲线和能量曲线的差异性。研究发现,中粒砂岩和煤在单轴压缩条件下最后表现出的破坏形式存在明显不同,基本顶中粒砂岩破坏过程平缓,煤样破坏过程剧烈|中粒砂岩和煤样撞击次数的峰值基本均出现在应力曲线的峰值之前,且中粒砂岩试件的声发射事件数要远小于煤体试件的声发射事件数,验证了煤样破坏要较中粒砂岩剧烈,也为井下煤岩动力灾害的预警提供了思路。