不同层位砂岩单轴压缩过程中的声发射特征研究

利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,以余吾煤业3号煤层顶板不同层位的两组砂岩为研究对象,在单轴压缩条件下进行声发射实验。实验结果表明:A组砂岩达到峰值前的应力应变曲线近似于直线,达到峰值后直线迅速下降到零,B组砂岩的应力应变曲线先下凹再直线上升(斜率小于A组),达到峰值后,先保持一定承载力后才下降到零。初始压密阶段,两组岩样的声发射计数很少且能量很低;弹性阶段,A组砂岩的声发射事件略有增加,但能量、计数率和能率几乎为零,而B组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃;塑性阶段,A组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃,B组砂岩发生片帮,声发射参数跳跃式增大;峰后破坏阶段,达到应力峰值时,两组岩样的声发射计数、能量、计数率和能率都达到最大值,B组砂岩峰后还有一定地声发射事件发生。两组砂岩的声发射规律差异可为判断声发射源和监测预报何处岩石失稳破坏提供参考依据,对提前做好防护工作减少灾害发生和未来进一步研究具有一定意义。     

深井中砂岩力学特性的声发射信号特征分析

试验得到了深井中砂岩的基本力学性质参数,同时监测声发射信号,分析得到振铃计数率与应力释放(应变能释放)水平成正比,且当中砂岩主破断发生时达到最大值。按照中砂岩变形过程中的声发射信号特征,将破坏前的中砂岩形变过程划分为A、B、C三个阶段:A阶段形态上凸,峰值水平约300次/s,对应了岩石应力应变关系中的原生裂隙压密阶段;B阶段的声发射信号强度比较均匀,平均约100次/s,与应力应变关系中的弹性阶段相对应;C阶段开始时的声发射信号强度即高于B阶段,至主破断发生时台阶式升高,中砂岩破断前的振铃计数率达到最大值700次/s,该阶段主要对应于应力应变关系中的塑性变形阶段。结合应力应变曲线与声发射信号图,得到中砂岩的kaiser点,即该中砂岩在现场位置所承受的历史最大压力约为47 MPa,有利于指导深部地下工程设计。     

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。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

基于声发射监测的双轴加载岩石破裂研究

选取中粗粒花岗岩,应用声发射技术,通过施加不同侧向压力,对双轴加载方式下花岗岩试样破裂过程中的声发射序列特征进行研究,着重分析了抗压强度、声发射活动特征与侧向压力的关系。研究表明：侧应力增大了竖向抗压强度,加载端临界侧向应变是侧向应力影响竖向抗压强度的关键。当加载端临界侧向应变为正值,即试件在该方向受拉时,侧向应力对竖向抗压强度的增强起到正作用;反之,起负作用。同时,侧压力对声发射序列特征影响也比较明显。侧压力较小时,岩石在加载初期只有较少的声发射事件,在破坏前出现大量的声发射事件,声发射序列在应力峰值前表现为单峰型;侧应力较大时,较小的应力扰动即可诱发微裂隙的产生和发展,产生较多的声发射事件,致使声发射序列表现为群震型。这对于岩石破裂失稳预报很有意义。     

岩石三轴压缩声发射信息时序特征

岩石三轴压缩变形破坏演化过程可划分为压密闭合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段、破裂发展阶段及残余塑性阶段等5个阶段,声发射特征能够较好地反映出岩样损伤破坏的演化过程。不同类型岩石因其内部组分、结构、均质度不同,其压缩破坏过程的声发射时序特征也不尽相同。研究结果表明:1内部裂隙较多的煤岩声发射时间序列较分散,时序特征呈群震型;2结构均匀致密灰岩的声发射事件数在破坏前集中出现,时序特征呈孤震型;3均质度介于两者之间的砂岩声发射时间时序特征呈主震型。     

加载速率对砂岩和花岗岩声发射事件宏微观形成机制的影响

分析了砂岩、花岗岩在不同加载速率下声发射事件的分布特征,并对有、无声发射事件区域的岩石碎片进行电镜扫描,从宏微观并结合声发射信号特征分析了加载速率对声发射事件形成机制的影响。研究表明:随加载速率的增加,镜面区特征逐渐减弱,即其对应的颗粒间的滑移以及岩石内部微裂隙共同作用产生的破坏变少,同时岩石越易发生脆性破坏,其产生的声发射信号多为连续型(或似连续型),不利于形成声发射事件,所以声发射事件数逐渐变少;对于砂岩,微破坏及小的宏观破坏是声发射事件形成的根源,对于花岗岩,颗粒间的位错是声发射事件形成的根源;花岗岩镜面区特征及范围较砂岩明显,即颗粒间的滑移及微裂隙共同作用更加明显,同时宏观上砂岩的破碎程度和规模也远小于花岗岩,所以砂岩的声发射事件数远少于花岗岩;镜面区特征明显说明颗粒间的滑移以及岩石内部微破坏是岩石的主要破坏组成,所以花岗岩从加载开始便有声发射事件,而砂岩没有。砂岩和花岗岩声发射事件的形成机制有着明显的区别。     

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。     

基于声发射的高松矿田白云岩破坏特征分析

在刚性试验机上,对个旧锡矿高松矿田白云岩进行单轴受压岩石破坏全过程声发射试验,研究岩石破坏全过程力学特征和声发射特征,在此基础上分析石灰岩的破坏机理。试验研究表明:白云岩在加载初期有声发射活动,为原有微裂隙闭合过程中挤压破坏产生;弹性阶段的中期,声发射事件比较稳定;后期和塑性阶段的前期声发射事件明显增加,此时原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动和体积变化的主要原因。     

中间主应力对煤岩力学与声发射特征的影响

为了研究煤矿因开挖而引起的安全问题,通过自主研发的地声过程模拟试验系统开展不同中间主应力条件下煤岩的真三轴加、卸载试验,并利用声发射探测系统记录煤岩在加、卸载过程中的损伤演化规律。结果表明:在真三轴卸载试验中,随着中间主应力增大,煤岩的破坏状态由剪切破坏转为局部剪切的张拉破坏再到整体屈服破坏;应力-应变曲线中,随着中间主应力的增大,中间主应力方向的应变由压缩逐渐变为扩张,体积应变由收缩转为扩容;Mogi-coulomb强度准则能较好反映煤岩在卸载时的强度破坏特征;应力差-声发射曲线图中,中间主应力增大使煤岩在加载阶段内部裂隙呈非稳定指数型增长且使煤岩在卸载完成阶段不再具备承载能力。     

突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比试验

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统，对突出煤体和砂岩进行单轴压缩全应力-应变和分级加载蠕变状态下的声发射试验.研究结果表明,由于试样初始损伤程度的差异，单轴压缩作用下煤样的声发射现象贯穿整个试验过程，而砂岩在弹性阶段声发射信号较少.分级加载蠕变试验过程中，前3级应力水平处于典型的第1，2蠕变阶段，期间声发射振铃事件比快速递减，其均值和递减时间随应力水平升高而增加.声发射累计振铃数变化曲线能较好地体现原煤试样蠕变特性的变化趋势.第4级荷载水平时，前期声发射曲线基本保持稳定，但数值明显高于前3个应力水平.在破坏前的极短时间内，声发射曲线急剧上升，预示试样即将完全破坏.     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式——以陕西小纪汗煤矿砂岩为例

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明:对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长(至峰值),峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

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。     

高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

利用单轴压缩试验对经历不同温度后节理砂岩的物理力学性质进行分析研究,得出了关于节理砂岩高温后应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律。同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射分布特征,探讨不同温度对于变形破坏机理的影响。分析结果表明:温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的。当经历温度较低时,温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果;而当温度较高时,则反之。400℃为试验的温度阈值。在400℃前后,节理砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量等均呈现不同的变化趋势。节理砂岩经历高温后,产生的裂纹主要分布在节理附近,且经单轴压缩破坏后,裂隙同样主要沿节理分布,受热后,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

浸水次数影响下裂隙砂岩强度损伤及声发射特征

循环浸水能够造成工程岩体结构及其力学性质的弱化,对工程岩体的稳定性产生一定影响。为探讨在反复浸水影响下裂隙砂岩强度损伤特征,采用无损浸水试验装置制取浸水0,1,2和3次的标准砂岩岩样和预制裂隙砂岩岩样,研究了其强度损伤及声发射特征。研究结果表明:随着浸水次数增加,砂岩单轴抗压强度和弹性模量减小,而对其破坏形式无显著影响;不同浸水次数影响下的裂隙砂岩全应力-应变曲线均呈现裂隙压密、弹性变形、塑性变形和峰后4个阶段;声发射计数频率和范围随浸水次数增加而减小;标准砂岩起裂位置在试样中部,裂隙砂岩起裂位置在预制裂隙上下端附近;浸水次数越多,声发射定位数量越少,预制裂隙附近损伤越大,在荷载作用下周围产生次生裂隙。研究成果对岩土工程中涉及的反复浸水问题的研究提供了有益参考。     

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。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°α90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。