循环加卸载下花岗岩破裂过程及能量演化研究

使用MTS815实验机对北山花岗岩进行了循环加卸载实验.基于实验结果,探讨了循环加卸载条件下北山花岗岩声发射特征,研究了北山花岗岩破裂过程中能量演化特征.结果表明:1)峰值应力前循环,卸载阶段弹性模量略大于加载阶段弹性模量.2)根据声发射变化特征可以很好地判定岩石所处的应力状态和损伤程度,并在一定程度上证明了岩石材料的Kaiser效应.3)峰值应力前,能量演化主要表现为以弹性能为主的聚集和释放;在峰值应力时耗散能迅速增多导致岩石内部结构发生根本性的变化,耗散能在峰后阶段所占比重持续增加导致岩石进入加速破坏阶段.4)峰值应力前,围压对弹性能和耗散能的影响很小;但弹性储能极限和岩石破坏所需的耗散能随围压的升高线性增大.     

高温后岩石变形破坏过程的能量分析

从非平衡热力学角度出发,结合岩石在不同高温作用后的单轴压缩和声发射试验,详细阐述了岩石变形破坏过程中的声发射特点,分析了经历不同高温后岩石强度与能量耗散和能量释放之间的关系。研究结果表明高温作用后花岗岩声发射曲线大致经历了以下6个阶段:初始沉寂段、上升段、前峰值段、高幅持续段、后峰值段、后期沉寂段。声发射曲线较好地反映了岩石在整个破坏过程中由稳定态向亚稳定态、临界态、失稳破坏直至新的稳定态的发展过程。岩石峰值强度与耗散能呈反比关系,与弹性能呈正比关系,能量耗散使材料发生劣化,强度降低。声发射能率与弹性能呈正比关系,与耗散能呈反比关系,弹性能突然释放引起岩石的失稳破坏。岩石的破坏是能量耗散与能量释放共同作用的结果。研究结果有助于研究高温后受外载岩石微缺陷的演化并最终破裂的过程,对高温后岩体工程起到一定的参考作用。     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究 （研究生论坛）

利用 MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行了单抽加卸载试验,得到了岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并且从能量与声发射的角度研究了纯岩盐变形破坏过程的基本特征。通过研究表明,岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个实验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个实验过程中,弹性应变能占的比例非常的小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率便大量产生,而后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定地且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行单抽加卸载试验,得到岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并从能量与声发射的角度研究纯岩盐变形破坏过程的基本特征。研究表明:岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个试验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个试验过程中,弹性应变能所占比例非常小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率大量产生,后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

单轴压缩条件下花岗岩声发射事件空间分布的分维特征研究

基于声发射事件空间分布的柱覆盖分形模型,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射（AE）三维定位实时监测系统,对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究。结果表明,声发射事件随应力增加逐渐活跃,加载初期声发射数量较少,应力接近峰值强度时,声发射事件累计数曲线呈指数上升。声发射事件的空间分布随应力增加是一个降维过程,其空间分维D在3~2内变化,峰值强度时,其值最小。弹性阶段后期,岩石内部微破裂开始向破坏面集聚,声发射空间分维D下降幅度明显增大。声发射空间分维恰当地表征了声发射事件空间分布的复杂程度。研究结论揭示了岩石声发射事件空间分布的分形特征,室内试验结果与文献对岩爆研究结果相吻合,可为现场监测应用提供理论指导。     

含瓦斯原煤三轴压缩变形时的能量演化分析

为了探究含瓦斯煤变形破坏过程中的能量演化规律,理论推导了恒定围压下含瓦斯煤样压缩变形时的能量计算公式.针对平顶山矿区八矿己15-14120工作面瓦斯突出煤体进行了4组不同瓦斯压力下的压缩破坏试验,得到了能量输入密度、弹性能密度和耗散能密度的演化规律.结果表明:1)含瓦斯煤三轴压缩变形破坏过程中,轴压方向能量吸收,围压方向能量释放,瓦斯压力做功与体应变有关.2)煤样达到峰值之前,能量输入密度、弹性能储存密度、能量耗散密度都随着轴向应力的增大而增大,吸收能密度最快,弹性能密度次之,耗散能密度增加缓慢;峰值过后,能量输入密度继续上升,弹性能密度下降,耗散能密度激增.3)基于声发射的能量释放规律与应力-应变曲线有很好的对应,瓦斯压力越大,相对于轴向应变的能量耗散来期越早,同时耗散速率也越快.4)随着瓦斯压力的提高,煤体变形声发射信号初始点、体积膨胀点、峰值应力点处的吸收能密度、弹性能密度降低,耗散能密度增大.     

损伤石灰岩单轴再加载力学特性及破坏机理

为研究卸荷损伤破坏围岩力学特性及破坏机理,选用RMT-150岩石力学试验系统进行三轴岩石加载-卸载过程,制备损伤岩石。结合AEwin声发射系统开展损伤石灰岩单轴再加载试验,测试应力-时间-能量累计值关系曲线,分析阐述岩石宏观破坏特征。结果表明:随着卸荷点的增加,损伤石灰岩破坏程度与破坏形式均发生较明显的变化。石灰岩破坏形式从脆性破坏向延性破坏转化,扩容现象越来越不明显;低于70%峰值强度卸荷点的损伤岩石单轴加载过程中声发射能量累计值增长规律趋于一致,可分为平稳阶段、稳定增长阶段、二次平稳3个阶段;岩石内部微裂纹分布方式对宏观破坏特征影响明显,岩石细观力学响应决定其宏观力学破坏特征。     

用于分析岩爆倾向性的剩余能量指数

通过分析岩石变形破坏过程中的能量变化，提出以岩石在峰值强度前储存的弹性应变能和峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之差（即剩余能量）与峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之比作为剩余能量指数，以反映岩石在峰值强度后区的动态特性；推导了剩余能量指数计算公式，并给出了其试验测定方法。此外，分析了将剩余能量指数作为岩爆倾向性指标的合理性，并采用铜陵有色金属冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行了峰值前的循环加，卸载试验和变形破坏全过程试验，结合该矿床实际岩爆资料，对剩余能量指数与现有基于能量理论的岩爆倾向性指标进行分析，结果表明该指标能够较好地反映岩石的岩爆倾向性。     

煤岩体岩爆模拟试验中声发射时频演化规律分析

为了研究深部煤炭开采过程中煤岩体岩爆破坏过程声发射随应力演化的特性,对鹤岗矿区南山煤矿软岩巷道的煤岩体进行真三轴卸载岩爆试验,实时记录三向应力演化过程,并采集试验过程中的声发射信号进行参数和波形时频分析。结果表明:南山矿煤岩体岩爆临界破坏强度为17.8 MPa,是其单轴破坏强度的1.19倍,声发射累计释放能量达到(1.83E+5)mv·ms。采用快速傅里叶变换,对选取的加载和卸载岩爆典型阶段声发射数据进行波形分析,得到频率-幅值密度分布。发现加载阶段破裂源相似,产生的信号特征较为接近,都是低幅值、低频率的,而煤爆时产生高频、高幅和低频、高幅多种成分的破裂源,预示着能量在不断地加大。     

均质度对层理页岩破坏过程声发射影响的数值模拟

采用真实破裂过程分析软件RFPA~(2D)(realistic failure process analysis),结合所取江西页岩岩芯的室内强度、泊松比、弹性模量等实验结果,对不同均质度的不同方向层理面页岩在单轴压缩破坏下的过程及其声发射特性进行了数值模拟。研究表明:页岩层理面方向和均质度对其抗压强度、破坏模式和声发射特性有显著影响。垂直于层理面加载时的抗压强度大于平行于层理面加载时的抗压强度,而其声发射累计数小于平行于层理面加载的声发射累计数。加载方向与层理面垂直时,层理弱面发生剪切破坏,而基质体发生劈裂破坏。加载方向与层理面平行时,主要发生沿层理弱面的竖向劈裂。随着均质度增大,模型峰值应力增大,声发射计数减少,声发射信号出现时间延迟,持续时间变短。声发射的集中带与基元破坏形成的宏观裂纹的位置一致。     

三轴卸荷条件下煤体力学特性和能量耗散演化

孤岛工作面煤体和巷道受周边开采扰动影响,煤体受循环荷载作用存在卸荷力学行为而表现出动态破坏特性。为探讨不同路径下煤体力学特性,利用TAW-2000三轴电液伺服刚性试验机分别进行常规三轴(T)、三轴循环荷载(TC)以及相应卸围压试验(TU、TCU),分析不同围压下煤体卸围压强度、变形、声发射事件以及能量耗散演化特征,开展扰动区域煤体卸荷特性研究。结果表明：三轴循环荷载卸围压(TCU)下拟合回归强度低于常规三轴卸围压(TU)下拟合回归强度,高于三轴循环荷载(TC)下拟合回归强度;卸围压(TU、TCU)应力路径下声发射峰值滞后应力峰值,AE振铃计数在煤样破坏点突增,高于常规三轴(T、TC)数值;循环过程(TC、TCU)中应力水平达到峰值强度的70%时,Kaiser效应逐渐消失,Felicity效应出现;循环加卸载(TC)试验中,相对应力水平达到60%,煤样损伤加剧,弹性应变能占比逐渐减小;围压越大,煤样破坏时冲击能指数越小,三轴循环荷载(TC)冲击能指数<常规三轴(T)冲击能指数<三轴循环荷载卸围压(TCU)冲击能指数<常规三轴卸围压(TU)冲击能指数;围压对煤样有横向束缚...     

Influence of temperature on the transformation and self-control of energy during sandstone damage: Experimental and theoretical research

The surrounding rock in tunnelling engineering and coal mining will sometimes be exposed to high temperature. Rock failure is the result of energy dissipation, and the study of the evolution and transformation behavior of energy is of great significance for the in-depth understanding of the deformation and failure of rock after high temperature. This study analyzed the intrinsic connection between mechanical properties and acoustic emission (AE) energy under temperature effect. Based on the energy dissipation and release theory, the distribution and transformation of energy was analyzed, and the energy self-incentive and self-inhibition (EII) model was further established. The main findings are that temperature effect affects the confidence interval trend and the value of AE energy rate, which is related to the change in mechanical properties. The ability of sandstone to store elastic strain energy after exposure to high temperature is independent of the mechanical properties. In this study, the ratio of dissipated energy to elastic energy is used to characterize the stable state of the sandstone system, which can be used as the energy indicator of rock failure precursor. During the absorption, storage, and release of energy before the peak stress, there exists self-incentive and self-inhibition of energy (control behavior).     

Space–time evolution rules of acoustic emission location of unloaded coal sample at different loading rates

By using MTS815 rock mechanics test system, a series of acoustic emission (AE) location experiments were performed under unloading confining pressure, increasing the axial stress. The AE space–time evolution regularities and energy releasing characteristics during deformation and failure process of coal of different loading rates are compared, the influence mechanism of loading rates on the microscopic crack evolution were studied, combining the AE characteristics and the macroscopic failure modes of the specimens, and the precursory characteristics of coal failure were also analyzed quantitatively. The results indicate that as the loading rate is higher, the AE activity and the main fracture will begin earlier. The destruction of coal body is mainly the function of shear strain at lower loading rate and tension strain at higher rate, and will transform from brittleness to ductility at critical velocities. When the deformation of the coal is mainly plasticity, the amplitude of the AE ringing counting rate increases largely and the AE energy curves appear an obvious “step”, which can be defined as the first failure precursor point. Statics of AE information shows that the strongest AE activity begins when the axial stress level was 92–98%, which can be defined as the other failure precursor point. As the loading rate is smaller, the coal more easily reaches the latter precursor point after the first one, so attention should be aroused to prevent dynamic disaster in coal mining when the AE activity reaches the first precursor point.     

弯曲加卸载下杂质盐岩断裂力学行为特征研究

为研究弯曲荷载下杂质盐岩断裂力学行为及损伤演化规律,利用四川大学MTS815岩石力学测试设备及三维声发射监测系统,展开了纯盐岩、含杂卤石盐岩及杂质盐岩三点弯曲加卸载试验。试验结果表明：(1)杂卤石及泥质胶结提升了盐岩的韧性,纯盐岩的断裂韧度均值KIC=6.36MPa.mm^-0.5,杂卤石盐岩的断裂韧度较纯盐岩高43.08%,杂质盐岩的断裂韧度为纯盐岩的3.18倍;(2)杂质导致盐岩脆性提高,纯盐岩声发射事件覆盖区域大于杂卤石盐岩及杂质盐岩;三点弯曲加卸载下岩石内部声发射事件由切槽尖端逐渐向荷载点扩散,直至岩石完全断裂;(3)盐岩损伤程度随循环次数增长逐渐提高,但增长速度逐渐降低,损伤变量与切槽张开度符合指数函数关系,损伤变量-张开度曲线拐点对于研究岩石失稳倾向性具有一定的预测效果;(4)声发射参数rc值能够反映盐岩弯曲加卸载破坏全过程中主裂纹与微裂纹的发展趋势,峰后残余阶段纯盐岩及杂卤石盐岩rc曲线持续上升,微裂隙稳定发展;杂质盐岩表现出更强的脆性,其在峰后残余阶段rc曲线表现出与纯盐岩及杂卤石盐岩相反的变化趋势。     

点荷载下岩石记忆效应的声发射数值模拟试验研究

利用岩石破裂过程数值模拟软件RFPA对点荷载下岩石的声发射特征进行数值模拟,通过对试验循环声发射事件数强度百分比、声发射累积数的应变百分比及声发射空间分布进行对比,发现点荷载下岩石不仅对先期应力具有很好的记忆效应,对先期最大线应变也有明显的记忆能力.     

An experimental investigation on acoustic emission characteristics of sandstone rockburst with different moisture contents

Rockburst occurred frequently during deep mining in China. The mechanism of rockburst is very complicated and related to many factors. In order to investigate the influence of moisture contents of rockmass on rockburst, we conducted a series of laboratory rockburst experiments of sandstone under three different moisture contents by the Modified True-Triaxial Apparatus (MTTA), in which the acoustic emission (AE) system was employed to monitor the internal damage of rock mass. A high-speed video camera was utilized to record the detail of rockburst. Based on the experimental results, the AE characteristics, such as AE count, AE energy, and AE frequency, were analyzed. The rockburst process, type, and indensity under different moisture contents were discussed. The research results show that with the increase of moisture contents, rock strength was soften, the elastic and the cumulative damage of the rock were reduced, resulting in a gradual decrease in AE cumulative counts and cumulative energy over the course of rockburst. This study provides an experimental basis and reference for better understanding to the rockburst mechanism and control.     

煤岩卸荷变形损伤及声发射特性

深部开采引起的煤岩卸荷损伤破坏的机理与连续加载机理不同,从卸荷的角度研究煤岩动力灾害成为研究煤岩动力灾害问题的一个新的发展方向。利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHSPCI-2声发射检测系统,对煤岩卸荷变形损伤及声发射特性进行了研究。研究表明,煤岩卸荷破坏表现为强烈的脆性破坏,且具有突发性,多呈张剪复合型破坏形式;煤岩卸荷的累积声发射振铃计数演化曲线可反映煤岩卸荷损伤的演化过程;煤岩卸荷破坏过程可分为3个阶段：损伤弱化阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段;在煤岩开采过程中,围压被卸除,煤岩体迅速进入到煤岩卸荷损伤破坏的第3阶段,损伤迅速累积并发生突发性断裂破坏,煤岩动力灾害随即发生。