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。     

不同硬岩破裂失稳声发射及b值动态特征实验研究

为了研究不同硬岩破坏过程中声发射及b值演化特征差异,在单轴加载条件下对不同种类硬岩进行声发射实验,得到不同种类硬岩破裂失稳过程中的力学特征,分析了不同种类的硬岩声发射能量率变化特征。并基于振幅与震级之间幂律关系定义声发射b值,对比了不同硬岩破裂失稳过程声发射b值演化特征,并分析了应力水平与声发射b值演化关系。研究表明:高强度、高脆性系数的岩石,从本构关系来看,没有明显屈服点,声发射能量率量级也越大;各试件在临近破坏时的声发射b值均大幅度下降,但花岗岩下降幅度最大。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。     

砂岩单轴破坏损伤时空演化规律及前兆特征声发射试验研究

研究岩体损伤时空演化规律及破坏前兆特征对围岩灾害识别预警与防治具有重要意义,通过声发射试验,研究单轴加载下砂岩损伤时空演进过程。研究发现:砂岩损伤在时间-空间域有连续演进的行为特征,损伤发育速度在关键时刻有突变,主裂隙由"成核"区域发生并向四周扩散,最终贯通试件轴向与径向;高能声发射事件,空间上多分布在砂岩内部损伤集中的区域,时间上多发生于损伤快速扩展的时期,可作为损伤传导和加剧的重要参照;高频率出现的高能声发射信号可以作为砂岩破坏失稳时间域的前兆信息,高能声发射信号的空间密度可作为判断砂岩破坏起始区域的判定信息。     

岩石单轴压缩破坏声发射特性试验研究

通过5种岩石试样的单轴压缩破坏全过程的声发射试验,研究了不同岩石受力变形的声发射特性,应力、应变与声发射的关系,应力、声发射与时间的关系。通过试验发现,岩石在单轴受压破坏全过程中都会产生声发射事件,声发射事件的特性与岩石的强度、质密程度、构造面的发育程度等有关;岩石在峰值破坏前的声发射事件数、应力、应变和时间之间的相互关系呈3种典型的类型;部分岩石试样在临近破坏前,其声发射事件率出现明显下降,这种岩石破坏的前兆现象可以用来解释岩体声发射现场监测时,在冒顶、片帮和岩爆等发生前会出现声发射事件反常现象,这对岩体工程稳定性监测预报、提高预报的准确性具有重要的指导作用和应用价值。     

某矿山地压监测系统建设及预警技术研究

某矿山构造应力较大且岩体硬度较大,发生岩爆风险可能性较高。基于微震监测技术,建设了符合矿山实际特点的地压监测系统,经过台网优化,监测系统定位误差在10 m左右,灵敏度在-2.6左右。分析了微震事件空间分布,划定采场西侧为潜在危险区域。并分析危险区域内微震事件b值动态演化特征,得出b值可做为岩爆预警参量,b值迅速下降可作为岩爆前兆信息,成功预测岩爆发生,可为类似矿山安全生产管理提供一定的借鉴意义。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号时频特性实验研究

通过对花岗岩开展双轴卸荷岩爆模拟实验,利用FFT变换获取声发射信号主频,分析岩爆孕育及发生过程声发射信号主频变化规律,研究花岗岩巷道岩爆声发射信号时频特性。研究结果表明:声发射能率和RA值在时间序列上具有明显的阶段性特征,可以很好地反映岩爆孕育、发生全过程;声发射信号主频随岩爆孕育、发生演化过程整体呈下降趋势,岩爆发生后主频平均值比岩爆发生前降低3.06kHz;花岗岩岩爆全过程主频集中在38~50kHz,区间内不同频段占比呈高斯分布;42~43kHz频段的主频占比在岩爆发生后变化最大,对岩爆的发生最为敏感,建议将此频段主频占比达到某一阈值作为岩爆发生的前兆判据。研究结果为岩爆灾害的预测提供了新的方法和依据。     

岩石应变岩爆实验声发射频谱特征

岩石破坏模式不同时,声发射频谱特征也会有一定区别,根据声发射波的传播与衰减理论,传播距离不同时,相同幅度变化率所对应的频率与距离成反比减小。分别以花岗岩、砂岩及石灰岩等3种岩石试件,进行了应变岩爆实验。结果表明,相同测试条件下,不同岩石在各应力水平作用下,发生张、剪破坏形式及破坏尺度不同,其频率相对集中的范围有一定差异。高强度花岗岩主频在180 kHz左右相对集中;砂岩显示2个主频,分别为180和90 kHz;石灰岩主频为80kHz;高应力快速卸载及岩爆阶段产生大量破裂及大尺度破坏事件,一般对应较高幅值,低频高幅值比例增加,且频率范围增大。根据岩石不同阶段破坏所表现出的声发射频谱特征,可以研究分析工程岩体破坏声发射前兆,提供工程预警服务。     

岩石断裂混合矩张量反演与数值分析

通过室内岩石声发射试验研究在不同断裂情况下声发射信号的时空演化特征,对岩石工程 的监测预警具有一定的指导意义。 通过岩石的张拉和剪切试验,利用Geiger定位法和混合矩张量 理论分析了岩石不同断裂类型的时空演化特征,并利用数值模拟软件RFPA2D 进行验证。 试验结果 表明:在张拉破坏时,岩石在弯矩最大处首先开裂,并以张拉信号源为主;剪切破坏时,岩石在主裂 隙中部首先开裂,并出现零星的张拉信号源,但随着荷载的增加,其绝大部分的信号源为剪切信 号源。     

有岩爆倾向岩石的声发射特征试验研究

在一次循环加卸载条件下,通过对有岩爆倾向的石英闪长岩破坏过程的声发射试验,研究了声发射事件数(AE数)、能量、事件率、能率与应变、时间的关系以及AE信号的频谱特征。试验结果表明：岩石经历了初始压密段和非弹性塑性破坏段2个阶段。卸载条件比初始加载条件下的声发射活动要强烈,卸载作用进一步促进了岩石非稳定性破坏;岩石在发生破坏前,AE率与能率突然急剧增大;在加载-卸载-加载过程中,声发射活动的主频表现出了先低频再中频,最后到高频并伴随次高出现的这样一个发展过程;这为此类岩体的岩爆预报提供了一定的依据。     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-Ⅱ声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律。试验结果表明:进入屈服阶段,大于80dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能级之间存在近似线性关系,岩石内部高能级高震级事件的集中出现表征着岩石局部损伤劣化加剧,与高速摄像仪记录结果一致;屈服强度过后,其他破裂类型也开始逐渐增多,但能级大于4的声发射事件基本都是张拉破裂类型。上述特征现象均可以作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。     

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。     

基于尺寸效应的岩石声发射时空特性数值模拟

为研究不同大小尺寸岩石破坏过程中的声发射时空分布和演化规律及其对岩石破坏过程声发射的影响,以某矿山岩石力学参数为依据,利用数值软件对相同高径比、不同大小尺寸的6组岩样进行试验研究。试验表明当岩样尺寸小时,大的声发射事件主要出现在岩样大破裂贯通前后,声发射在岩样中从当初的随机性分布,到过峰值载荷之后大量集聚在岩样中部。试样尺寸较大时,未达到峰值应力前声发射较少出现,且分布弥散,大的声发射事件仅在峰值载荷后出现1次,其能量和数量均是声发射历史上最显著的,在试样中两处聚集成核,这与不同尺寸岩样内部包含不同缺陷强度离散性有密切关系。     

基于岩石损伤破坏和声发射理论的岩爆发生机理

岩石等脆性材料在加载过程中，随着载荷的增加，材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具，它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展，这是其他任何方法都不具有的优势。采用岩石声发射测试技术，对不同孔隙率的岩石的岩爆机理进行了系统的试验研究；利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式；用不同孔隙率的大理岩进行了双轴压缩试验。试验模拟了双向受力状态下的岩爆，研究了其破坏过程中的声发射特征，并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。研究表明，采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程，是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究

为了探讨水对岩石岩爆性能的影响,采用双轴微机控制伺服压力系统及PCI-2声发射监测系统对干燥及饱水花岗岩进行了室内岩爆模拟声发射试验。研究结果表明:水对花岗岩的强度、变形特征有较大影响。饱水使花岗岩峰值强度下降了12.69%,变形模量下降了8.24%;水在一定程度上抑制了花岗岩内部原生裂纹的孕育进度,降低了岩爆过程中声发射的活跃程度。水平卸荷后,干燥花岗岩累积振铃计数近似直线增长,饱水花岗岩则呈"台阶"状上升;干燥花岗岩岩爆过程中b值历经孕育区、发展区、下降区;饱水花岗岩b值第三阶段则为群聚区,意味着水可以软化岩样,降低岩爆烈度;水改变了花岗岩岩爆过程中内部裂纹的破坏机制,饱水花岗岩水平卸荷后的Ra值呈束状分布,内部裂纹以拉—剪—拉共存的形式破坏,而干燥花岗岩则呈张拉破裂为主,剪切为辅的破坏形式。     

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。     

基于红外辐射时空演化的巷道岩爆实时预警方法实验研究

开展花岗岩巷道岩爆模拟实验,利用红外热像仪监测巷道岩爆全过程。分析岩爆过程中红外热像空间演化过程,引入统计学中方差理论,定量刻画岩爆过程温度场的时序演化特征。在此基础上,采用有限差分法,实时获取红外热像温度场分异速率,应用区间估计理论提取岩爆预警特征信号,建立岩爆实时预警方法。研究结果表明,岩爆过程和红外辐射时空演化存在对应关系:岩爆孕育阶段,红外温度场全局低温,无分异现象;颗粒弹射期,温度场开始出现高温集中,高、低温区域点状交替分布,温度场开始出现分异;片状剥离伴随颗粒混合弹射期,片状高温区域出现,随后高温区域短暂降温、扩散,分异程度急速上升后短暂下降;岩爆发生时,温度场内高温区域消失,分异程度骤降。基于温度场时序演化特征的量化研究,采用有限差分法实时获取温度场分异速率,将温度场稳定分异阶段分异速率数学期望置信度为0.99的置信区间上、下限设定为阈值,进行岩爆预警特征信号提取,将岩爆预警特征信号的第1次出现作为预警系统触发信号,建立基于红外时空演化的实时预警方法,为矿山灾害预警系统的建立提供理论指导。     

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。     

单轴压缩及劈裂试验下煤的声发射特征研究

为研究准静态加载下强冲击倾向性煤的抗拉及抗压性能,利用万能试验机系统和声发射监测系统分别对煤样进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验,并监测加载过程中的声发射参数,对比分析煤样在2种加载方式(拉、压)下的变形破坏特征、煤样声发射时空演化规律及微观破坏机制。研究表明:拉、压载荷下煤样的变形特征基本一致,但也存在一定差异,压缩下较劈裂下压密阶段历时长且变形大,峰后阶段历时短,破坏剧烈;拉、压载荷下声发射幅值分布基本一致,低幅值(40～60d B)较多,高幅值较少,且比例随着幅值的增大而减小,二者呈幂函数关系,以高幅值声发射信号的出现可将加载过程划分为5个阶段;拉、压载荷下声发射空间定位演化特征基本一致,裂隙压密和裂纹萌生阶段缓慢产生声发射事件,裂纹稳定扩展阶段较快产生声发射事件,非稳定扩展阶段快速产生声发射事件,出现声发射丛聚现象;峰后阶段存在一定差异,压缩下较劈裂下产生速度快;拉、压载荷下煤样微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏,但剪切破坏出现时间不同,压缩下主要发生在裂纹非稳定扩展阶段,而劈裂下则出现在裂纹萌生、裂纹非稳定扩展和峰后破坏阶段。     

煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC~(2D)数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏,而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破坏时动力显现强度,形成了煤体砂岩破坏互馈机制。RCR组合体受载时声发射信号有明显的时段性特征,当RCR组合体发生整体失稳时,声发射信号频率较低,声发射能量值达到历史最大,根据煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测,实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。