巷道岩爆过程能量演化特征实验研究

开展双轴加载条件下巷道岩爆声发射监测实验,分析巷道岩爆过程宏观破坏特征,并与现场岩爆发生过程进行对比研究;借助声发射能量参数,分析岩爆宏观破坏过程能量积聚、释放规律及能量的时间效应,重点探讨水平载荷对岩爆过程能量演化规律的影响,进一步从能量的角度揭示巷道岩爆的发生机制。研究结果表明:巷道岩爆存在平静期、颗粒弹射、岩片剥落伴随颗粒弹射、爆裂喷射4个典型阶段特征,但在颗粒弹射、片状剥离现象后会出现"短暂平静期",即巷道岩爆经历了平静期→颗粒弹射→短暂平静期→岩片剥落伴随颗粒弹射→短暂平静期→爆裂喷射的演化过程。巷道岩爆过程平静期对应能量的积聚过程,颗粒弹射、岩片剥离伴随颗粒弹射和剧烈喷射对应能量的释放过程,而"短暂平静期"内能量发生机制与水平载荷有关。一方面,水平载荷增大,岩爆孕育过程积聚的能量显著增加,为岩爆发生提供了足够的动力源;另一方面,水平载荷增大,"短暂平静期"内能量由积聚过程逐渐转变为释放过程,导致颗粒弹射到剧烈喷射阶段能量持续释放,且能量释放速度加快;上述两方面的综合作用致使高水平载荷下岩爆孕育过程聚集的大量能量在短时间内快速释放,从而诱发突发性强、破坏性大的岩爆灾害,同时预测的难度也加大。     

岩石声发射振铃累计计数与损伤本构模型的耦合关系探究

为探讨岩石不同破坏模式下声发射特征及其参数与应力、应变、损伤变量之间的关系,通过RMT-150C型测试系统及SAEU2S声发射系统对砂岩、变粒岩、花岗岩和石灰岩4类岩石单轴压缩下声发射特征进行实验研究。研究表明:在峰值应力之前,脆性破坏、脆-延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数均有剧烈增加的现象,延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数则是先激增而后有一段"平静期",可作为岩石即将进入破坏阶段的前兆信息。以时间为中间变量,建立了脆性破坏、脆-延性破坏及延性破坏模式下岩石声发射振铃累计计数与应变的关系模型;基于威布尔分布岩石损伤本构模型,进一步推导出声发射振铃累计计数与损伤变量、应力的耦合关系。经实测数据与所建模型对比验证,延性破坏、脆性破坏模式本构模型精度较高,可为岩石损伤评估提供依据。     

考虑浸泡水温影响的泥质粉砂岩破坏过程声发射特征试验研究

高地温水工隧洞、深部矿山工程中温度的变化对地下岩体的物理力学性质具有重要影响,目前不同水温浸泡下岩石破裂相关研究较少。本文将泥质粉砂岩置于自然干燥以及28℃(常温)、40℃、50℃、70℃、100℃共五种不同温度的水中浸泡至饱和,然后开展单轴压缩试验,研究了泥质粉砂岩的物理力学及声发射特征。研究结果表明:温度对泥质粉砂岩含水的影响存在一个临界转换点(本研究为40℃),当温度在28~40℃时,岩石含水能力被"弱化",当温度大于40℃时,泥质粉砂岩含水能力被"增强"。在28~100℃中,温度对泥质粉砂岩物理力学性质起"增强"作用,表现为弹性模量增加,刚度提升。当水温从28℃升高到40℃,声发射时域活动性增强,水温从40℃提高到100℃时,声发射时域活动性减弱。声发射能量b值和熵值曲线较好地体现了裂纹演化规律,水温越高,在形成主裂纹过程中,伴生裂纹出现的概率越低。     

粉砂岩破裂过程中波速场演化特征试验研究

为探究载荷作用下波速场演化特征,进行了粉砂岩分级加载试验,以波速成像云图为研究对象,对岩石破裂过程中波速场的阶段性、区域性演化特征展开研究。结果表明:应用波速成像技术对岩石的探伤效果良好,其中,低波速带与裂纹位置相吻合,高波速带与完整基岩区域一致;岩石在破裂过程中,伴随着裂纹发育,波速场的平均波速值与结构相似性均持续降低,损伤程度的差异越来越大;基于K-means法将岩石区域划分为3类,即完整域Ⅰ、弱化域Ⅱ与损伤域Ⅲ;区域的演化特征体现了岩石的非均质性特性,并通过熵权法判定3类区域对岩石损伤程度的影响性排序为损伤域Ⅲ完整域Ⅰ弱化域Ⅱ。     

不同含水条件下巷道掘进面破裂红外辐射特征试验研究

针对巷道掘进面前方含水构造(干燥无水、无压水、承压水)难以判别的问题,通过开展不同含水条件下粉砂岩双轴加载试验,利用红外热像仪对岩石破裂过程进行监测,分析巷道受压过程破裂演化规律及温度场时空演化特征.结果表明:不同含水条件下的岩石破裂过程大致分为4个阶段,且加载过程岩石表面平均红外温度均随着载荷呈线性增加;若岩石破裂前兆为突然增温型,则表明破裂面前方无水;若岩石破裂前兆为突降转升型,则表明破裂面前方存在水体,且水压越大,温度曲线由升转降的时间越早,低温现象越明显.研究结果可为实际工程巷道开挖过程中突水事故的遥感监测及预防提供参考依据.     

岩石破裂失稳声发射监测频段信息识别研究

首先对声发射信号进行分频处理,分析岩石损伤破裂演化过程中声发射信号频段分布规律。根据岩石断裂模式与声发射频率存在一定的对应关系,证明了岩石破裂监测中声发射前兆优势频段的存在,进一步构建前兆优势频段的计算方法,确定声发射监测岩石破裂的最优短临预报参数。通过开展花岗岩圆形隧洞模型水平卸荷试验,分析整个过程的声发射信号,寻找前兆优势频段,以此验证方法的可靠性。研究结果表明,水平方向卸荷瞬间,隧洞两壁发生劈裂破坏,频段(31.25~62 k Hz)的小波能量占比达73%以上。临近最终破裂,频段(7.8125~15.625 k Hz)变能系数CD6?由前一刻的0.5突增到15,具有典型的灾变响应特征,可以确定该频段为声发射前兆优势频段。选择CD6??作为宏观破裂的短临预报参数,再结合临近最终破裂前声发射主频在频段(90~105 k Hz)和(13~20 k Hz)所出现的响应突现规律,可以为预测花岗岩圆形隧洞模型的失稳破坏提供预警参量。     

不同岩石声发射时频特性实验研究

通过对变粒岩、花岗岩、石灰岩、粉砂岩等四种岩石进行室内单轴加载声发射试验,获取岩石破裂全过程的应力-应变曲线、声发射参数及声发射信号。根据岩石破裂过程,从时、频域对声发射信号进行分析,着重对比了不同岩石的力学性质、声发射信号频域特征。研究结果表明:采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;随着加载的进行,根据岩体变形及破裂程度的不同,不同岩石破裂阶段的声发射信号的频带范围也在不断发生变化。结合声发射时间序列参数特征和频谱特性,可得出岩石破裂时的损伤特性,为现场岩体的稳定性监测提供技术支持。     

声发射监测技术在有色金属矿山的应用

论述了声发射监测技术应用于地压监测中的基本原理,以及声发射监测技术在国内外研究现状,并从无损检测的角度提出了声发射监测技术在有色金属矿山应用所需要解决的问题。     

粉砂岩破裂失稳过程的红外高温区域异常前兆

临破裂岩石自身突变所引起的红外温度场异常可能主要集中于某一较小区域内。为从局部层面探寻岩石破裂失稳过程的红外异常前兆,进行了粉砂岩单轴压缩下的红外监测实验,根据直方分布特征将红外温度场划分为包括高温区域在内的三个温度区域,并以高温区域特征值变化异常为重点展开研究。结果表明:粉砂岩破坏失稳过程中存在红外高温区域异常前兆,其表征形式主要包括高温区域面积比、温均面积比(面积比/极差)等形式;面积比、温均面积比异常前兆表现为临破裂突增异常,出现频率分别可达80%和60%;另外,高温区域异常前兆普遍晚于峰值应力出现。研究结果对岩石受力灾变的红外监测及预警具有一定的工程应用价值。     

岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究

通过对花岗岩、粉砂岩和煤岩进行单轴加载声发射和红外观测实验,研究岩石破裂过程中声发射和红外辐射特性及二者的相关性。研究结果表明:岩石破裂过程中,声发射和红外辐射具有阶段性的特征,二者的变化规律与力学的阶段性变化有良好的同步性;岩石破裂前,声发射平静期和岩性有关,花岗岩破裂前出现易识别的声发射平静期,粉砂岩和煤岩无明显声发射平静期;岩石从弹性阶段进入塑性阶段,岩石的增温速率降低,应力致热效应降低。提出:以声发射事件率和平均红外辐射温度的空间相关性由连续有规律向离散无规律转变,相关系数在时间上持续降低作为岩石破裂前兆特征。由于实际应用时岩石破裂的复杂性,故可将声发射和红外两种手段相结合,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。