单轴压缩下含水砂岩强度损伤及声发射特征

宁东煤田主采煤层顶板广泛分布含水砂岩,该层砂岩受采动影响易于变形失稳。通过实验室试验,定量分析了含水砂岩组分,研究了其烘干、吸水随时间变化规律。研究发现该含水砂岩富含黏土矿物,砂岩分别烘干和浸水6h后含水率变化趋于稳定,且随着含水率增加该砂岩单轴抗压强度和弹性模量呈指数函数减小。声发射试验结果表明：干燥状态下,含水砂岩声发射计数峰值与应力峰值相对应,而随着含水率增加,声发射计数峰值较应力峰值位置滞后,呈现出“延迟”特征,并据此提出了预测预报该类砂岩顶板稳定的技术思路。     

水分对含瓦斯煤渗透特性影响的试验研究

以贵州玉舍煤矿3号煤层煤样为实验对象,利用自行研发的三轴渗透仪,进行了不同含水率条件下恒平均有效应力—变温度的三轴渗流实验。研究结果表明:型煤渗透率受水分的影响较敏感,渗透率与水分成反相关关系,并服从指数分布,且含水率越高,型煤的渗透率降低幅度越大;各种实验条件下,含瓦斯煤烘干煤样的渗透率均大于含水煤样的渗透率,且烘干煤样与含水煤样渗透率之间的减小幅度与含瓦斯煤样所受的平均有效应力大小有关;随着温度的增加,干燥煤样和含水煤样渗透率均呈减小趋势,但在55℃后,含水煤样渗透率略有增大。实验结论为贵州瓦斯灾害防治和煤层气的开发利用提供了理论依据。     

基于声发射定位的单轴受压帷幕体裂隙演化分析

利用RLW-3000伺服压力试验机和PCI-Ⅱ声发射三维定位实时监测系统对以研山铁矿东帮砂砾卵石制作的不同含水率的帷幕体试块进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合声发射空间定位、AE 撞击计数率对不同应力阶段帷幕体裂隙空间演化规律进行了分析。试验结果表明：帷幕体声发射事件空间定位在试块中分成上下2部分。在帷幕体的初始加载阶段,声发射事件定位位置为试块内部的应力集中位置;随着荷载的不断加大,声发射事件逐渐由区域中心向外扩散。声发射波的传播受水的影响,在养护条件下的帷幕体的声发射事件数最多,干燥条件下帷幕体的声发射事件数最少。随着含水率的增加,撞击计数率峰值出现得更早。研究结果对帷幕注浆破裂失稳机理研究有一定的意义,也可以为工程岩体稳定性提供理论依据。     

突出煤样声发射特性及发射源试验研究

运用MTS 815岩石力学试验系统和PCI-2全数字声发射监测系统对具有突出倾向煤体制备的型煤试件单轴压缩和循环加载过程中的AE特征进行了试验研究,利用扫描电镜和数值模拟软件分析了声发射事件的来源.结果表明:单轴压缩过程中,随着煤样变形的增加,AE各参数呈上升趋势,在屈服阶段的后期出现最大振幅和最密集AE事件区,预示试件将发生破坏;AE事件累计曲线和振幅变化曲线与单轴压缩应力应变曲线相似,可在现场用以判定煤体失稳与破坏;随循环载荷作用次数的增加,AE事件及其能量呈现递减趋势;在卸载阶段无AE事件出现.四种微结构变化是煤样产生声发射事件的源.     

不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

对不同含水状态煤-混凝土连接体进行单轴压缩实验和声发射监测,并对连接体力学特性和破坏特征进行探究,研究结果表明：水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显,水的存在降低了试样间的内聚力,使其脆性降低,塑形增强;含水率增加,煤岩组合体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏,塑性变形显著;声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好,随着含水率的提高,声发射AE计数峰值位置提前,连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小,连接体样脆性减弱。     

煤岩不同含水状态下瓦斯渗流特性试验研究

水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,为更客观地了解煤层不同含水状态下的瓦斯渗透特性,利用三轴渗流试验机,在恒定有效轴向应力和有效围压条件下,对四川省白皎煤矿试样,进行干燥煤样、自然含水煤样、液态水润湿煤样、压力水注水煤样等不同湿润方式煤样的渗流试验。试验结果表明:1)压力水注水煤样(含裂隙)的无因次渗透率随瓦斯压力的增大而逐渐减小,干燥煤样、自然含水煤样、液态水湿润煤样及压力水注水煤样的无因次渗透率均随瓦斯压力的增大呈现先减小后增大趋势,且在瓦斯压力为1.00 MPa左右时存在相对较为明显的变化拐点。2)在干燥煤样、自然含水煤样及液态水湿润煤样的含水率范围内,煤样渗透率与含水率呈线性减小关系。3)在试验范围内,随着含水率的增加,水分对瓦斯压力敏感性的影响越显著,而对压力水注水煤样,水压主要通过产生裂隙来影响煤样瓦斯压力敏感性。     

水对粉砂岩渐进破裂过程影响实验研究

通过对干燥、自然和饱水粉砂岩进行单轴压缩声发射实验,基于声发射方法确定岩石渐进破裂指标—损伤强度σcd,研究水对粉砂岩渐进破裂过程的影响规律。研究结果表明:粉砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随含水率的增加而减小,两者与含水率的关系可以用指数函数进行拟合,相关度在0.8左右,残余强度随含水率的增加而增大;随着含水率的增加,粉砂岩破裂前声发射事件率密集的程度降低,破坏时的累计声发射事件数减少,水降低了岩石的破裂程度;粉砂岩破裂失稳前声发射活动的一个重要特点:累计声发射事件数ΣAE的增长模式符合Exponential函数,含水率增加,其增长的速率降低;水对粉砂岩渐进破裂过程的影响主要表现在含水后粉砂岩损伤强度与峰值强度的比值(σcd/σc)增加,粉砂岩裂纹开始不稳定扩展的应力水平提高,水可以加速粉砂岩从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程。     

不同含水率条件下煤与瓦斯突出的声发射特性

采用自主研发的大型煤与瓦斯突出物理模拟试验台和美国物理声学公司PAC(physical acoustic corporation)生产的PCI-2声发射测试分析系统进行了不同含水率条件下煤与瓦斯突出物理模拟试验,对突出过程中的声发射特性进行了分析。结果表明：在瓦斯压力相同的条件下,突出过程产生的声发射事件计数率和累计计数随含水率的升高而降低,且瓦斯压力较低时,声发射事件对煤体含水率变化更为敏感;在瓦斯压力相同的条件下,突出过程声发射事件能量率和累计能量均随含水率的升高而降低;在瓦斯压力相同的条件下,突出过程声发射事件的最大幅值、高幅值事件的计数率等都随含水率的升高而降低,且声发射事件计数的集中区域有从大幅值向小幅值转移的趋势;在含水率相同的条件下,突出过程高能量、高幅值的声发射事件总数随瓦斯压力升高而增大。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

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。     

基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究

为探究含水煤样冲击倾向指标与其声发射时频特征的关联性。采用物理试验和信号处理分析方法,以河南耿村煤矿7609工作面煤样为研究对象,考虑饱水、自然含水和烘干24 h三种含水条件,深入研究不同含水煤样冲击倾向的变化规律;建立不同含水率煤样冲击倾向与其声发射时频信号的对应关系。结果表明:煤样加载破坏过程监测获得的声发射时频信号分布特征能够反演其受载阶段,声发射幅频信号的变化不仅能够判定煤体结构的破坏尺度,而且可利用不同频率范围声发射能量分布推断其冲击倾向强弱和发生动力破坏的可能性。定义了煤体结构冲击倾向的声发射反演能量比值Kae和频率幅值相对值比值Kaf;以河南耿村矿7609工作面煤样为例,验证了声发射信号时频特征和关键参数反演煤体结构冲击倾向的可行性。     

单轴压缩条件下白云质灰岩声发射特性

采用完整性、均匀性都较好的白云质灰岩进行单轴压缩声发射试验,试验采用型号为TAW-2000B的数字控制式电液伺服试验机进行加载,采用型号为SDAES的数字声发射检测仪采集声发射信号。研究分析试验后的声发射数据,其结果表明,加载初期AE振铃计数值保持在200~300,然后减小处于稳定期,最后骤然增加出现最大值;AE能量计数值经历稳定阶段后突然增大;AE事件计数率加载初期出现突变现象,接着处于稳定期,加载后期突增并在应力达到岩石单轴抗压强度的80%~90%时出现最大值;岩石的损伤破坏过程中的声发射现象处于不同的状态,说明声发射技术可以用来监测岩石的损伤破坏。     

不同含水状态砂岩三轴压缩声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验机对不同含水状态下的砂岩进行了三轴压缩声发射试验,得到自然状态及饱水状态下砂岩的应力-应变曲线、声发射振铃计数率、能量及振幅分布曲线。试验结果表明,在水的影响下砂岩的力学特性和声发射特征都有较大变化:饱水状态岩样的平均峰值强度为自然状态岩样的84.4%,且在试验过程中整体变形及弹性模量都较小;在岩样三轴压缩的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率、能量及振幅值均比自然状态岩样小;对比饱水岩样和自然岩样的宏观破裂时间及声发射信号最大值出现的时间,饱水状态岩样都存在"滞后"现象;此外,两种含水状态下岩样的声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍"滞后"于砂岩宏观破坏时刻。研究结果对含水岩层工程设计及施工具有指导意义。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

不同含水状态凝灰岩损伤演化试验研究

为探究矿井巷道、隧道开挖过程中岩石含水状态对围岩变形稳定的影响,开展干燥、自然及饱水状态下凝灰岩三轴压缩试验.基于三维数字图像相关技术研究了含水状态与岩石全应力-应变曲线、表面变形场、变形局部化及损伤演化特征的对应关系.结果表明:从干燥到饱水状态试件各特征应力阈值显著降低,弹性模量与泊松比显著降低;破坏阶段全应力-应变曲线跌落趋势趋于平缓,软化特征明显.从干燥到饱水状态试件表面变形非均匀程度增加,变形局部化现象提前启动,变形局部化带宽度明显增加.从干燥到饱水状态试件局部化轴向、径向启动应力水平显著降低,且与含水率保持良好的线性关系.基于变形场数据统计分析提出表征岩石表面损伤大小的损伤因子,干燥及自然状态损伤因子呈突发式增长现象,而饱水状态下呈缓慢增长趋势;不同含水状态损伤因子演化曲线均存在"突变点",统计结果表明随着含水率增加,损伤突变点对应应力水平值显著降低.     

磁铁矿原矿单轴挤压破碎力学过程与声发射特征

为研究磁铁矿原矿挤压破碎机理,采用TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机和PCI-2声发射检测系统,进行磁铁矿原矿单轴挤压破碎试验,分析磁铁矿原矿单轴挤压破碎的力学过程和声发射特征。试验结果表明,裂隙压缩阶段的变形量占总变形量的45%,弹性变形阶段和裂隙扩展阶段应力与峰值应力的比值范围大于一般坚硬岩石在相同阶段的应力比值范围;不同阶段之间转变时,声发射信号会出现大幅度跃升或下降,之后出现一段时间的平静期;声发射振铃计数率和事件计数率在各阶段的变化规律相反,能量计数率跃升反映试件发生显著破坏,能量计数率的最大值不一定发生在峰值应力过后的某一时刻,振铃计数率、事件计数率和能量计数率的变化特征可反映试件损伤、破裂和破碎的发展过程和发生速率;累积振铃计数的增长率在时间上表现出先增大后减小的发展特征,累积事件计数的增长率之相反,各加载阶段声发射信号参数表现的时域特征与力学变形破碎特征基本一致。     

水对花岗岩巷道岩爆声发射特征影响实验研究

采用双轴伺服控制试验机对干燥和饱水花岗岩进行巷道岩爆模拟实验,同时采用声发射系统监测并采集数据,研究了水对花岗岩岩爆过程中声发射特征的影响。结果表明:岩爆过程中饱水岩样事件率呈上升趋势,峰值载荷前没有事件率平静期,而干燥花岗岩事件率呈下降趋势,峰值载荷前有明显的事件率平静期;自水平方向卸荷开始,岩样振铃计数率、能率突增,饱水岩样事件率高于干燥岩样,但振铃计数率、能率均低于干燥岩样,且有几段振铃计数率平静期,表明水的存在丰富了声发射活动,但降低了声发射信号强度,降低了微观破裂的活动性;干燥花岗岩振铃计数率峰值发生在峰值载荷附近,而饱水岩样振铃计数率峰值出现时距离峰值载荷较远;主破裂前声发射非均匀性指标Cv值的快速上升,表明岩样内部出现大破裂或裂缝贯通,声发射事件局部集中程度加强,造成其声发射事件分布的非均匀性增强,可作为岩爆发生的前兆特征。     

含水率影响下煤体巴西劈裂特性与弱化机制

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3^#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈裂强度弱化程度、劈裂破坏特征和声发射演化规律;借助CT扫描浸水前后煤样孔隙特征,探究其内在影响机制。研究结果表明：干燥煤样圆盘表面的主要裂纹沿劈裂面存在,而饱和煤样的裂纹偏离劈裂面,形成许多不规则的剪切裂纹。随着含水率的增加,圆盘表面劈裂裂隙平整度降低,从干燥到饱和,裂隙分形维数由1.066升高至1.298;煤样抗拉强度随含水率增加呈线性减小,但峰值应变则呈先增大后减小的抛物线变化;煤样声发射累计计数随含水率增加而逐渐减小,破坏阶段低含水率煤样产生张拉为主的拉剪复合裂隙且尺度较大,高含水率煤样产生小尺度张拉裂隙。煤样浸水后原生裂隙扩张,孔隙率提高2.55%,煤样孔隙率升高使煤样损伤发育加速,进而导致在劈裂过程中更易形成贯通裂隙;水的存在弱化了原生裂隙胶结强度,使劈裂裂隙沿强度较小的节理裂隙面扩张,初始劈裂面粗糙度增加。新增裂隙的减小也同样使...     

高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征

为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测,而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:①高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,经历温度越高压密和屈服阶段越明显,峰值后应力跌落速度有所减缓;②高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低,在100和500℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100～400℃高温,高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25℃煤样比较,经历100,200,300,400和500℃高温后,煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%,抗压强度平均降幅依次为47.88%,49.99%,56.24%,56.91%和87.57%;③高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息,在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系,不同高温后煤样的声发射特征存在差异,声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生,声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点,且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前,而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征,其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低,累计能量随温度变化具有波动性;⑤高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系,抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100～500℃高温作用后煤样结构发生了变化,煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加,煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。     

单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究

利用岩石力学试验机和PAC声发射信号采集系统对冲击倾向性煤样进行了单轴压缩声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能率及b值的动态变化特征。试验结果表明,冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样的声发射能率活跃点分别为峰值应力的90%和50%,声发射能率特征体现了冲击倾向性的本质,煤样破坏前声发射b值可以作为冲击倾向性煤样失稳破坏的前兆信息。