岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探

硬脆性岩石的突发性失稳往往会带来灾难性的后果,因而研究硬脆性岩石突发性失稳破坏的前兆信息是十分有意义的。为此对红砂岩试样开展不同中间主应力条件下的真三轴加载试验,结合红外热像技术研究岩石破裂的热红外热像演化和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像技术分析岩石真三轴加载下的裂纹扩展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及破裂演化机制,提出基于热红外的非接触式岩石破裂前兆预警指标,可在岩石因破裂而导致的温度异常变化前对岩石的破坏做出预警。研究表明:岩石破裂前存在四类前兆信息,依次为热红外温度前兆、声发射前兆、热像异常前兆及岩石宏观裂纹前兆。热红外温度前兆和声发射前兆出现时间相对较早,能优先从时间上预警岩石的破坏,热像异常前兆和宏观裂纹前兆的出现时间则较晚,也距离试件破坏较近,热像异常能指示岩石未来潜在的破裂区域。从岩石的内部、外部、时间和空间上初步建立硬脆性岩石的热–声前兆信息链,研究成果可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

混凝土破裂与渗水过程的红外辐射特征

 对内含水体的混凝土试样进行单轴压缩加载,利用红外热像仪并辅以声发射仪,观测加载过程中试样的红外辐射与声发射变化特征,研究混凝土破裂与渗水的红外异常前兆。实验结果显示,随着应力的阶段性发展,试样表面的红外辐射呈现早期整体性均匀上升、中期局部高温异常、后期低温异常的主要特征,声发射相应出现早期微量增加、中期均匀增加、后期快速增加的特征。加载中、后期红外热像出现的局部辐射温度“先升后降”现象是混凝土破裂–渗水的重要红外异常前兆,其出现的时间要早于应力和声发射前兆。整个破裂与渗水过程中,高温区域包围低温区域的温度场分布是热像的主要特征。基于实验结果,分析试样红外辐射阶段性变化以及破裂、渗水异常前兆的机制,讨论应力、红外及声发射灾变前兆时间差异性的原因。实验结果对水库大坝以及其他储水混凝土工程破裂与渗水的遥感监测与灾变预警具有重要的意义。     

急倾斜巨厚煤层开采深度影响的覆岩能量演化规律研究

针对急倾斜巨厚煤层开采深度影响下的能量变化及传递问题，采用物理模拟实验方法，运用微震监测设备，对开采深度影响的能量分布及其变化特征加以分析，由微震事件聚类分析理清开采深度影响的能量迁移路径，结合数值模拟实验得到开采深度对急倾斜煤岩体弹性能与水平应力的影响规律，掌握向深开采诱使动力灾害发生的能量动态响应特征，形成急倾斜巨厚煤层动力灾害防治理念与策略。研究结果表明：伴随着急倾斜巨厚煤层开采深度的增加，集中区域内峰值能量大小及集中程度明显增加，微震能量、频次、大能量事件的数量与占比明显增大；煤岩弯曲加载蓄能源头主要位于综放面开采水平及其上方2个开采阶段的夹持岩柱范围内，能量主要沿夹持岩柱作为优势路径进行能量传导，且向深开采过程中的震源中心存在由岩柱中部向两端逐渐偏移的变化趋势。急倾斜煤岩体能量密度峰值、高能量积聚区的面积均随开采深度的增加而增大，当工作面采至+400水平时较+475水平的峰值应力增加约30.14%，增速约为0.11 MPa/m。开采深度增加使得工作面单次推进的最大水平应力变化量明显增加，即工作面单次推进下的加载速率增大。通过模拟实验与现场微震实测的综合分析，揭示了急倾斜巨厚煤...     

基于岩石变形破坏过程的岩柱稳定性分析

地下采矿过程中岩柱承载能力与变形破坏是一个重要的工程问题。文章根据岩柱失稳破坏与岩石压缩破坏过程的相似性与砂岩试验单轴破坏过程中声发射特点,将岩柱破坏前分为压密、弹性阶段、稳定破裂和非稳定破裂四个个阶段,并分析了岩柱破坏过程中不同阶段特征。试验揭示岩石破坏过程中在屈服点附近伴随着岩石内部微破裂快速萌生和生长,声发射事件数会出现大幅度增加。根据岩石破坏形态多呈现为沿着一个或多个凹凸不平的破裂面,在声发射-应变曲线上存在声发射突增点,声发射峰值点近似在应力强度峰后拐点处。同时,指出在岩柱失稳破裂的发射突增现象可作为岩柱承载力变化特征点,并可为岩柱承载力分析提供依据。     

节理岩桥裂纹扩展的热红外前兆信息研究

由于岩质边坡内部锁固段岩桥应力聚集较高,含节理的岩质边坡易发生突发性失稳。对含不同岩桥长度花岗岩试件开展单轴试验,采用红外热像仪全程监测,研究岩质边坡破裂前的热红外热像和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像机分析裂纹开展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及演变机制。研究表明:岩桥试件破裂前存在两种热红外前兆,未来破裂处热像异常前兆和热红外平均温度-时间曲线异常;热红外前兆出现时间提前于声发射前兆,随着岩桥长度的增加,热红外前兆提前性变得更为突出;下部预制节理裂隙尖端处的热像变化可以预测未来裂纹扩展方向,定位表面裂纹开展源头;利用断裂力学应变能密度因子理论,揭示了单轴应力状态下岩桥长度对起裂扩展的影响机制。热红外前兆相较于其他前兆形式更提前可靠,采用红外热像仪监测岩桥试件破裂前的变化特征,研究结果为节理岩质边坡的防治提供理论依据。     

裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究

冲击地压等动力灾害是含裂隙结构面岩体破裂发育、成核的动态演化结果,借助声发射监测可精确感知破裂演化过程进而实现灾害的有效预警。测试不同加载速率下含平行贯通雁行裂纹砂岩声发射行为的全程动态时变演化规律,借助声发射三维定位重点分析裂纹扩展关键特征点处声发射时–空–频–非线性响应及其加载速率效应。结果表明:(1)裂隙砂岩裂纹扩展及声发射响应行为存在着明显的加载速率效应:随着加载速率增大,声发射计数峰值、多重分形谱宽度Δα及主频幅值均逐渐增大,Δf(α)和主频则逐渐减小,岩体破裂过程的动力显现及非线性特征也越来越明显,破裂模式也由剪切破坏过渡为张拉破坏。(2)裂隙砂岩受载全程中随着应力增大声发射计数、分形谱宽度Δα、主频幅值及低频成分占比逐渐增大,多重分形参量Δf(α)逐渐减小;特别在亚失稳阶段,声发射计数表现出多次"突增+平静"特征,频谱及多重分形参数表现出波动特性,可以根据声发射信号动态时变趋势和"突增+平静"特征对动力灾害做出临灾预警。(3)裂隙砂岩宏观裂纹起裂、扩展形成主破裂过程就是锁固体不断破裂的过程,每一次锁固体断裂均对应着宏观裂纹发育、应力突降、声发射计数高值响应、频谱及多重分形参数极值。基于微破裂演化成核多锁固体破裂理论定量地解释裂隙砂岩力学性质的加载速率效应及亚失稳阶段声发射信号几起几落的"突增+平静"前兆行为。     

岩石基复合材料支护采空区动力失稳声发射特征统计分析

基于声发射智能监测技术 ,对玲珑金矿 2 5 5m水平坚硬岩石复合材料支护的主运巷采空区结构失稳过程进行了实时监测 ,利用固体断裂非平衡统计理论进行统计推断 ,分析采空区围岩断裂失稳过程中微破裂的时空演化规律以及变形与声发射间的内在联系 ,同时在统计分析过程中考虑了不同因素对围岩破裂过程与失稳模式的影响 ,这对于工程安全监测与评价有很大的现实意义。     

混凝土声发射规律的协同学研究及可视化模拟

混凝土破裂过程中声发射现象能够很好地揭示混凝土破裂机理.首次利用协同学的基本原理,对混凝土破裂过程中声发射现象进行了探索性研究,并通过混凝土破裂过程中内部结构状态变化(损伤演化)和声发射特征的对应关系,从更深层次上认识混凝土的破裂机理.首先分析了混凝土声发射参数与损伤演化的关系,并以声发射事件计数率作为混凝土破坏过程的序参量,建立了混凝土声发射序参量的演化方程,求出了其定态和非定态解,并分析了其科学意义,对混凝土声发射的协同特征进行了全面描述.最后,应用RFPA软件对混凝土声发射进行模拟,首次应用数值模拟的方法验证了混凝土声发射的协同效应,从而进一步证实了研究结果的准确性和利用协同学研究混凝土声发射的可行性,为混凝土声发射技术的工程应用提供理论依据;同时,所做的数值模拟工作,也为混凝土破裂机理研究提供了新的手段,即数值试验手段.     

急倾斜巨厚煤层组开采煤岩体联动诱冲机制与防冲调控

针对急倾斜巨厚煤层组开采时岩柱及顶板悬空致使动力灾害严重的现状，综合运用理论分析、现场监测等研究方法，构建岩柱、顶板力学模型，并推导表征岩柱、顶板弯矩和能量演化规律的表达式，研究随采深增加岩柱、顶板弯曲变形及能量演化的规律，评估不同煤层开采的冲击危险性，分析诱冲机制并提出防冲策略及方案。研究结果表明：(1)急倾斜巨厚煤层组开采时，随采深增加岩柱、顶板弯曲变形和能量蓄积均呈非线性加速变化，且回采阶段内弯曲变形严重、能量蓄积更高。采深300 m后能量急剧增加，确定该采深为冲击灾害发生临界值。(2) B1+2煤层回采时，岩柱撬转、能量积聚均较B3+6煤层回采时小，评估得出回采B1+2煤层的冲击危险性较回采B3+6煤层时小。相比岩柱，B3+6煤层顶板的弯曲变形更严重，能量蓄积更高。(3)确定冲击易发区域为各应力峰值叠加位置。冲击力源有静载和动载，静载是冲击发生的基础条件，为蓄能作用；动载为诱冲作用，动静载联动作用诱发冲击。(4)防冲的关键是弱化静载，B3+6煤层回采时需加强防治，重点防治对象为岩柱及顶板，重点防治区域为各应力峰值叠加位置。现场实施岩柱、顶板爆破及煤体注水后，有效弱化了静载水平，...     

大理岩热损伤声发射力学特性试验研究

为研究经过不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程,对25℃,200℃,400℃和600℃后的大理岩进行单轴压缩试验,并监测其全变形过程的声发射现象,对其声发射特性、破裂模式、启裂应力和损伤应力取值范围、损伤演化规律及应力–应变模型进行研究。研究表明,随着大理岩经历温度的升高,岩石峰值强度逐渐降低,峰值应变增大,岩样延性增强;高温后大理岩的声发射特性与常温有明显区别,热损伤导致岩样加载初期声发射信号比较活跃,而进入弹性阶段后,声发射活动性不如常温下剧烈;用声发射法求出归一化启裂应力和归一化损伤应力的范围分别为0.33~0.46和0.71~0.82,随着温度升高,二者有增大的趋势;600℃以内,岩样破坏模式由单一劈裂破坏向多劈裂面破坏转变,最后变为单剪破坏,试验表明声发射定位与岩样宏观破裂规律对应较好。同时,建立基于累计振铃计数的损伤变量,25℃下岩样损伤演化过程分为4个阶段,高温后岩样初始损伤变大,损伤变量随应变演化变得缓慢。根据裂纹轴向应变规律和声发射参数推导大理岩变形全过程应力–应变本构模型,模型计算结果与试验曲线吻合较好,且温度越高,模型适用性越好。     

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

拉西瓦水电站地下厂房洞室群分层开挖过程仿真反演分析

 拉西瓦水电站厂房规模巨大,围岩主要为脆硬花岗岩,爆破后围岩分区明显;同时厂房区域山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,且分布较复杂,对洞室稳定性不利。为了评判开挖后地下厂房围岩的稳定性及支护的长期安全性,以地下厂房分层开挖现场实测位移为基础,根据多点位移计实测的离洞壁不同深度位移的变化规律将厂房洞壁周边围岩分为松动区、过渡区和稳定区;然后采用每层开挖引起的增量实测位移与相应的反分析位移均方差作为目标函数,分层进行围岩力学参数反演分析,得到上、下游厂房不同的地应力参数及地下厂房在开挖每层时围岩的岩体力学参数。结合反演得到的这些地应力场与围岩力学参数,对后续开挖时厂房围岩稳定性进行评价与预测,提出拉西瓦地下厂房围岩稳定性判定标准。该标准为后续地下厂房监测变形控制提供依据,有效地指导厂房支护设计与开挖施工。     

高温下盐岩的声发射特性试验研究

 利用MTS 810材料测试系统和AE21C声发射检测仪对受高温作用的喜马拉雅山盐岩在加温及加载过程中声发射的演变过程进行试验研究,分析其在20 ℃～600 ℃高温下以及高温后不同受力阶段的声发射特征。研究结果表明：加温过程中,50 ℃～400 ℃盐岩的声发射率较50 ℃时明显下降,超过400 ℃后随温度的升高盐岩的声发射活动越频繁。单轴压缩过程中,20 ℃～150 ℃时盐岩的声发射活动频率及强度随温度升高而增大,而在170 ℃～600 ℃其声发射率随温度升高而降低。170 ℃～400 ℃是盐岩自愈性得到充分体现的温度区间。在相同温度下,高温下盐岩的声发射活动弱于高温后。     

动力扰动下深部高应力矿柱力学响应研究

对深部矿柱在承受高静载应力时的动力扰动力学模型进行应力波传播力学响应分析，采用FLAC^3D有限差分程序对深部开采圆形矿柱进行高应力下动力扰动数值计算。研究高径比为4的圆形矿柱在承受不同静载作用时对动力扰动的力学响应特性，通过改变矿柱所受静载应力的大小，来考察承压不同的矿柱对外界动力扰动的响应情况；通过改变扰动应力波峰值的大小，来考察动力扰动强度的变化对承受高应力矿柱稳定性的影响。矿柱的数值分析结果表明：承受高应力的岩体，随着所受初始静载应力的增大，外界的动力扰动对其影响就越明显；承受高静载应力的矿柱，较小的动力扰动可能会使其发生塑性破坏而导致深部开采时的“多米诺骨牌”效应。     

二长花岗岩三轴压缩下声发射特征围压效应的试验研究

 岩石材料在受载情况下,发生变形和内部破裂,储存的部分能量以应力波的形式释放出来,产生声发射现象。采用三轴压缩试验和声发射试验,研究玲珑金矿二长花岗岩声发射特征与力学参数之间的关系。结果表明：(1) 岩石试样在三轴试验条件下,其声发射特征基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,其中压密阶段在围压对岩石材料的压实作用下没有明显体现出来。(2) 通过分析围压对岩石记忆效应的影响得出,在相对低围压水平时,Kaiser效应显著性会随轴向应力水平提高而降低,Felicity效应显著增大;随着围压水平的提高,Kaiser效应显著增大,Felicity效应显著降低。(3) 在声发射法测量地应力过程中采用三轴试验更为适合,三轴试验可消除应力环境不同和高应力水平Kaiser效应模糊所引起的误差,使测量值更接近实际岩体所处的应力状态。(4) 随着围压水平的提高,岩石的抗压强度随之提高,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征,表现为突然激发出高能量振铃计数率、能量累积迅猛增加,并且伴随没有峰后曲线的岩石突然破裂现象。     

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

高应力区分层开采冲击地压事故发生机理研究

以某矿厚硬顶板条件下特厚煤层上分层开采发生的巷道与工作面同时冲击的事故为背景,研究事故发生的机理与治理方法。研究表明:引起事故的主要力源来自上层煤煤柱、不等宽区段煤柱、巨厚坚硬顶板和大断层等形成的集中应力;主要冲击灾害体是巷道和工作面内的底煤;底煤发生冲击的主要力学机理是底煤在水平应力突变条件下发生屈曲破坏,并在垂直应力作用下发生冲击性滑移。提出了上层煤柱对下层煤采动影响范围与冲击危险范围的评估方法,为制定恢复生产方案提供了科学依据。根据发生事故的机理,制定并实施了恢复生产的方案,通过实施危险区卸压措施和建立冲击危险实时监测预警体系,工作面恢复了生产,保障了安全开采。     

两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别方法的试验研究

 岩石声发射(AE)是研究岩石内部变形与破坏机制和测量地应力的重要手段之一,但利用AE Kaiser效应测量地应力尚未标准化,许多情况下Kaiser效应点不易判别。为了提高Kaiser效应点的识别能力,对取自鄂尔多斯盆地的21块砾岩、砂岩、泥岩等岩芯开展单轴压缩AE测试试验。分析不同应力下AE的规律以及岩性、加载模式和AE参数对Kaiser效应点识别的影响。结果发现：不同载荷条件下AE事件具有不同的数量、能量和频率特征,在Kaiser效应点判别方面,砾岩比砂岩和泥岩更易获得地应力读数;循环加载优于分级循环加载,优于单次加载模式;累积能量优于振铃数和AE数。结合岩芯不同应力下的微观变形破裂机制,可以认为,存在2种类型的AE事件：一为原有裂隙闭合和颗粒间摩擦引起的摩擦型AE,一为新裂隙扩张引起的破裂型AE,破裂型AE能够更好地反映AE对应力的记忆。为了突显Kaiser效应点,应尽量压制摩擦型AE,突出破裂型AE。建议在地应力测试中采用循环加载方式消除摩擦型AE的影响,预压应力水平应超过预先估计的地应力,采用累积能量作为Kaiser效应点的识别参数。