基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

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。     

不同尺寸冲击倾向性煤样声发射b值特征研究

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,借助地震学中的G-R关系探讨了其变形破坏过程中的声发射振幅随时间的动态演化规律。试验结果表明:采用累计频次和微分频次所计算的b值均能得到相似的规律,对于数据量小时可优先采用累计频次,数据量较大时可优先采用微分频次;声发射b值可以表征煤岩体失稳破坏过程,可分为3个阶段:初始波动下降、非稳定过渡、直线下降,可归结为"递减-波动-下降"模式,3个阶段分别与应力应变曲线的各阶段相对应;不同尺寸煤岩声发射变化趋势不同,随着试件尺寸的增大,b值前期变化趋于不稳定,进入塑性阶段后表现出较高的一致性,失稳破坏前兆特征的尺寸效应并不明显;声发射b值在煤岩失稳破坏前均降至最低点,b值下降的突变点位于0.80～0.85倍峰值应力范围内,因此可以把塑性阶段b值的持续下降阶段作为煤岩失稳破坏的一个前兆特征。     

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。     

花岗岩岩爆声发射时空熵值动态特征实验研究

对花岗岩开展室内真三轴条件下岩爆模拟实验,并运用声发射监测技术获得其变形破坏过程中声发射参数和空间定位信息。基于信息熵理论,分析试样在破坏过程中声发射事件在时空上从无序走向有序的演化过程,计算得到了声发射事件空间熵值和时间熵值。实验表明:岩石破坏前声发射能量突然大量释放,声发射事件出现空间积聚现象;空间熵值出现"震荡-上升-下降-小幅上升-急剧下降"和时间熵值出现"震荡-下降-小幅上升-急剧下降"的演化模式。2种熵值在岩爆发生前都出现了急剧下降的现象,可作为岩爆发生前兆信息,下降点可作为岩爆预警点。并运用耗散结构理论证明了岩石破裂失稳过程中时空熵值演化是一个远离平衡态的非线性动力过程。实验结果为岩爆预测提供了新的手段,对于实际矿山岩爆等动力灾害的预警具有一定的理论研究意义。     

不同岩石破坏全程声发射Welch参数演化规律探究

通过变粒岩、花岗岩和石灰岩单轴压缩声发射试验,采集了岩石力学及声发射相关数据。运用Welch谱估计法对岩石破裂过程声发射信号的功率谱特征进行分析,并研究了峰值频率、能量占比的演化规律与岩石破坏的关联。结果表明,3类岩石受压破裂声发射信号的峰值频率均维持在(100±20)kHz,且在峰值频率正向较大波动点与能量占比高于25%信号点的波形特征多属突发型;能量占比的演化规律分两类,一类是先上升后下降,另一类是一直上升;在试件破坏期间,出现了峰值频率的较大波动与较高能量占比信号群增多的现象。应力、峰值频率以及能量占比值的联立分析,为更准确地预测岩体破坏失稳提供新思路和理论依据。     

干湿循环作用下弱胶结岩石声发射特征试验研究

弱胶结岩石具有强度低、胶结弱、易风化、易水解和含水丰富等特点,针对干湿循环作用后引发工程岩体失稳的问题,通过弱胶结岩石单轴压缩试验和AE监测技术,对比分析了不同干湿循环作用次数后的岩样的变形破坏特征及破坏过程中声发射事件数、能量释放率、b值及熵值等参数的变化特征。研究结果表明:在干湿循环作用下弱胶结岩石强度劣化效应明显,弱胶结岩石到达峰值强度时轴向应变明显增加;不同干湿循环作用下弱胶结岩石破坏过程中声发射事件数和能量释放率变化趋势一致,在初始阶段较少,弹塑性阶段缓慢增加,峰值阶段达到最大值,而对于声发射b值在初始阶段相对较高,随之降低,弹塑性阶段再次升高,峰值阶段迅速降低,而峰后阶段b值依然相对较高,声发射熵值变化与b值变化恰好相反;随着干湿循环次数的增加,声发射参数的整体量发生明显变化,声发射事件数、能量释放率和熵值均随之降低,而声发射b值随之增加。在不同干湿循环次数作用条件下,弱胶结岩石破坏过程中的声发射多参数变化特征能够反映水对其宏观强度和细观结构物质的劣化作用及影响程度。     

充填体与围岩组合模型循环加卸载破裂声发射特征研究

以不同种类围岩与充填体构成的组合模型为研究对象,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对组合模型进行循环加卸载,设置了3种不同侧压力,研究了组合模型在循环加卸载过程中的声发射特征及破裂特性。试验结果表明:在循环上限应力值较小时组合模型声发射表现为Kaiser效应,AE事件率曲线能够很好地描述组合模型内部损伤演化的特征,AE事件率峰值不断增大代表着组合模型内部裂隙逐渐发育;随着循环次数的增加,荷载值较大时表现为Felicity效应,组合模型的Felicity比随循环次数的变化均呈现下降趋势,表现出记忆超前性能;声发射活动的活跃期对应着组合模型宏观裂隙的形成阶段;玄武岩组合模型的最大AE事件能量值比大理岩和花岗岩组合模型的最大能量值大的多,成数量级的关系;AE事件能量值的大幅上升变化可以预示组合模型的破坏。     

煤体力学性质对其破坏过程声发射特征的影响研究

采用试验研究的方法,对具有不同力学性质的突出软煤、强冲击性煤和弱冲击性煤在受载破坏过程中的声发射事件频度、能量等时序特征参数及分形特征进行研究,探索煤体力学性质对其声发射特征的影响。研究结果表明,煤体的声发射特征参数变化与其破坏阶段相对应,煤体的力学性质对受载煤体的声发射时序特征具有重要影响。在峰后变形阶段,突出软煤的声发射呈现渐进下降的趋势,强冲击性煤的声发射呈现短暂的脉冲式增大,弱冲击性煤的声发射呈现"脉冲—降低"交替下降模式。不同力学性质的煤体破裂过程的声发射分形维的演化过程具有一致性,分形维演化都表现为"先上升、后下降"的过程,反映了煤体受载破坏是一个从弥散、无序的损伤破裂逐步向局部、有序的裂纹扩展过程。利用声发射时序特征与分形维变化相结合的综合前兆信息,可提高煤体失稳灾害判识模型的有效性和准确性。     

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。     

砂岩岩爆声发射特征及b值动态特性试验研究

在单轴加载条件下,对砂岩进行全程加载声发射试验,得到砂岩岩爆破坏过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间关系曲线。根据需要选择声发射累计数、震级-频度关系中的b值变化规律,研究了砂岩岩爆的前兆信息。研究表明,在砂岩弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射累计数快速增加,b值持续下降;在砂岩发生岩爆前,b值下降到最低值。对声发射累计数和b值进行联合分析,能更加准确地预知岩爆的发生。     

岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究

通过试验监测岩石受力过程的声发射参数特征和时间过程特征等,探索岩石受力变形直至破坏全过程的时间特性,得到岩石破裂过程中岩石应力应变、声发射参数与应力和时间的关系。对比研究表明,不同岩样在加载过程中的声发射率与声发射能量参数成正比关系,而应力大小与声发射率和声发射的能量参数不成正比关系。最后通过岩样的压缩试验得出了不同岩样的岩石应力、应变曲线与声发射特性之间的变化规律。     

红砂岩短时蠕变声发射b值特征

岩石的蠕变性质是引起岩石破坏的原因之一。因此,对岩石蠕变破坏进行预测具有重要的意义。通过进行分级加卸载条件下的短时蠕变试验,研究了红砂岩在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段的声发射b值特征。试验结果表明：试件在体积变形状态下,声发射b值在减速蠕变阶段与等速蠕变阶段随着蠕变时间的增大而增大;当试件处于体积不变状态与扩容状态下,声发射b值在等速蠕变阶段总体保持稳定;在加速蠕变阶段,声发射b值呈现出先减小,而后增大,最后再次减小的特征。因此,根据声发射b值在不同蠕变阶段的变化特征,在一定程度上可对红砂岩石蠕变破坏进行预测。     

基于声发射测试的岩爆倾向性预测研究

为研究岩石岩爆倾向性与加载过程中声发射特征的关联,建立了不同岩爆倾向岩石加载过程中声发射累积数与应变的定量关系,并对3种不同岩爆倾向性岩石单轴加载下的声发射特征进行了实验室试验,验证了其正确性。当岩石岩爆倾向性较强时,随着应变量的增加,主破裂之前只有零星的声发射出现,并且能量非常小,主破裂之后的声发射几乎没有,而主破裂时的声发射数目和能量都非常显著。当岩石岩爆倾向性较弱时,加载不久就有少量声发射出现,在时间上呈现无规则型、没有声发射率显著变化的阶段出现。     

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。     

岩石破坏过程的声发射特征研究

通过对岩石受力破坏过程的声发射试验，研究了岩石破坏全过程的声发射特征，包括声发射与时间、声发射与应力水平之间的关系。研究表明，岩石声发射事件率在不同应力水平的变化很大；岩石在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。     

岩石受载破坏前兆特征——声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石破坏全过程力学特性--岩石的全应力应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的耗时现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些问题进行了总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供了理论依据、方法和手段。     

声发射率和能率在岩石失稳破坏预测中的应用

岩石声发射率和能率是反映岩石破坏的重要参数,但是,目前利用岩石声发射参数进行岩石失稳破坏预测的研究大多采用声发射率而较少利用声发射能率。为此,采用某矿石灰岩的单轴压缩试验声发射活动参数,首先对岩石破坏前声发射率和能率的突增现象进行了描述,并对声发射率和能率的关系进行了研究,发现声发射率和能率有较好的一致性。然后,运用突变理论对上述声发射率和能率建立了岩石失稳破坏的突变预测模型,通过这2种参数的突变判定法则对比分析,结果表明,声发射率和能率的突变模型都能较好地预测岩石失稳破坏。     

红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

对红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究,根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了全过程应力-应变、应力-时间-累计计数率、应力-时间-绝对能量率以及峰值前、后的应力-应变-累计计数率、应力-时间-绝对能量率曲线。据所得应力-应变曲线将该类砂岩破坏分为2种形式:一种为传统4阶段岩石破坏形式,另一种为5阶段破坏形式。5阶段破坏模式在应变软化阶段后出现了应力不变,应变继续增大的胶结延性阶段。对比2种破坏模式的声发射特征,峰值后的声发射现象较峰值前的均有量级的变化,抗压强度相近时,弹性模量小的试样产生更多的声发射现象,但产生的绝对能量属于同一量级。累计计数率能够作为判断试样是否发生完全破坏的参数。