拉剪作用下岩石变形破坏演化的声发射特征研究

采用含有不同偏置长度的预制裂纹花岗岩试件开展三点弯试验,对拉剪作用下岩石变形破坏的声发射特征进行试验研究。采用数字散斑相关方法对CCD相机采集的散斑图像进行计算,对声发射系统采集的声发射信号进行特征参数分析。结果表明:随着预制裂纹偏置长度的增大,岩石峰值荷载呈增加趋势;最大振铃计数发生后存在1s～5s的声发射振铃计数空白期,加载至峰值前,声发射振铃计数的突增情况及最大振铃计数量值与裂纹偏置长度无关;峰值前b值曲线非常稠密,高、低量值区段交互呈现,波动剧烈,此特征可作为试件到达峰值的前兆信息,随着预制裂纹偏置长度的增加,峰值附近岩石b值极差呈减小趋势;随加载进行,岩石裂纹张开速率与错动速率的量值差值逐渐减小,在接近峰值附近张开速率和错动速率均降低,随着预制裂纹偏置长度的增加,振铃计数激增处由张开速率激增转变为错动速率激增。     

红砂岩变形演化及声发射主频特征实验研究

以声发射系统和数字散斑相关方法作为实验观测手段,开展红砂岩试件变形场演化及声发射主频特征实验研究。通过单轴加载方式,对一种红砂岩试件加载全过程中的变形场演化、声发射主频信息进行分析,研究红砂岩试件变形场演化与声发射主频分布范围、事件率对应关系以及声发射主频的能量特征。研究结果表明:低主频声发射事件在变形局部化启动时刻开始出现且数量不断增加,随着变形局部化带错动速率增大,声发射主频分布范围显著增加;在红砂岩试件变形局部化阶段,低主频声发射事件率与高主频声发射事件率的量值接近,但量值较小;在应力峰值点处,低主频声发射事件率远大于高主频声发射事件率;在界面滑动阶段,高、低主频声发射事件率量值均较大;红砂岩试件变形破坏过程中,高能量声发射事件主要分布在低主频范围内,低能量声发射事件在高、低主频范围内均有分布。     

开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切,也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题,断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时,以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象,通过相似模拟和数值模拟,研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景,建立了F_(16)逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型,运用应力监测和声发射监测的手段,分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征,研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型,研究了断层区域岩层裂隙发育情况,分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律,总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段,即水平载荷施加阶段,工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段,断层滑动面不断积聚能量,声发射事件数激增;工作面开采过程中,断层频繁受开采扰动,正应力与切应力两者变化不同步。开采初期,正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采,正应力与切应力的变化情况相反,正应力逐渐降低,切应力逐步增大。工作面接近断层时,断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期,断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能,声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时,能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的"缺震"现象较为吻合,即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少,发生后激增的现象。因此,断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。     

不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

花岗岩脆性破裂过程的声发射前兆特性及RFPA模拟研究

以花岗岩为研究对象,进行单轴压缩下岩石脆性破坏声发射试验,并利用RFPA模拟岩石破裂声发射演化特征,得出如下结论:在岩石屈服点或峰值应力附近,声发射振铃累计计数会突然增加,声发射能量出现激增;模拟的声发射活动在显裂纹出现之前,有异常汇聚现象;位移矢量在模型破裂位置出现条带异常混乱现象,而应力矢量形成的条带网络与裂纹扩展趋势保持一致。结果表明模拟声发射累计计数曲线出现异常抬头的时间点晚于模拟荷载曲线出现异常下降的时间点,可作为模型破坏前兆信息。     

白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究

对从青川县东河口滑坡区采集的白云岩进行了单轴压缩试验,测得了白云岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数,并在单轴压缩试验的全过程运用了声发射测试技术,研究了岩石损伤破坏过程中的声发射参数(振铃计数、能量)演化规律及其与岩石的应力响应之间的相关性,并尝试对岩石损伤破坏前兆的声发射特征点进行了分析。研究结果体现了白云岩的初始缺陷对其力学特性及声发射特性会产生较大的影响。分析表明:1)白云岩的变形破坏过程大致可分为五个阶段,且不同阶段出现了与之相对应的声发射信号特征;2)白云岩的声发射振铃计数和能量在反映岩石损伤演化过程方面有较高的一致性。明显的声发射活动主要出现在岩石加载的中后期,在岩石进入裂纹非稳定扩展阶段后出现振铃计数和能量激增的现象,在临近破坏阶段,个别岩样进入声发射活动的相对平静期;3)对比声发射特征点和应力屈服点出现的时刻,两者的差值与岩样的初始缺陷密切相关。但无论是累计振铃计数还是累计能量,基于两者识别出的特征点时间都是超前于或接近应力屈服点出现的时刻。基于本次研究结果,如果作为岩石破坏前兆信息识别,选用累计能量参数会使得安全储备更充足。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的“两高两低”特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的“三高一低”特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的“四低”特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的“三高一低”特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。     

不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析

掌握煤体冲击破坏前兆信息是科学预测预报煤岩介质冲击地压的科学瓶颈问题,应力加载下不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射前兆信息研究是解决这一问题的重要手段。采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行实验研究,通过分析发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、AE能量、频谱及b值变化存在差异。伴随煤体冲击倾向性增强,加载过程煤体振铃计数、AE能量趋向于高应力区域集中,煤体弹性阶段所占比例增加,塑性破坏阶段所占比例减少;主频带宽变动较小,有集中的趋势,主频强度在弹性阶段、塑性破坏阶段、临破断阶段均不同程度增加,煤体冲击倾向性越强,主频强度增幅越大;b值降低时应力值增加,更靠近煤样破坏强度。     

基于损伤因子的断层滑移过程声发射特征试验研究

断层滑移是引起矿井断层型冲击地压的直接原因,其过程十分复杂。基于此,选取石英砂和石灰岩为材料,利用双剪摩擦试验研究了不同加载速率(0.05,0.075,0.1,0.15,0.2 mm/s)及不同水平压力(30,60,90 kN)条件下的断面损伤滑移过程,得出了不同加载速率和不同水平压力条件下岩样的声发射特征。研究结果表明:岩样受载滑移过程中声发射能量伴随着局部应力降出现会显著增加,显示出显著的时间同步性;振幅、能量及振铃计数等声发射参数随着加载速率升高逐渐增大、随着水平压力升高呈减小趋势;基于声发射振铃计数累计值建立断面损伤预警模型,采用时间分段预测法将峰前阶段划分为初期预警阶段和二次预警阶段。研究结果为现场断层预警预测提供了参考。     

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。     

煤岩组合结构失稳滑动过程的实验研究

为了研究结构失稳型冲击地压机理,依据双面剪切实验模型设计了砂岩-煤组合试样在不同轴向荷载下的滑动摩擦实验,运用数字相机和声发射记录仪搭建了声光监测系统,克服以往煤岩摩擦实验不易进行位移观测的难题。实验研究了煤岩组合样本失稳滑动的产生条件、特定条件下的滑动类型、位移演化规律以及滑动过程所伴随的声发射特征。实验发现：组合结构的滑动形式与轴向荷载具有相关性,轴向荷载越大,越易于出现失稳滑动;失稳滑动前无明显的位移征兆,失稳滑动后,滑动位移快速增长;产生滑动时的剪切应力峰值与轴向荷载呈正相关性,而失稳滑动产生的位移量与轴向荷载无相关性,本次实验一次失稳滑动产生的最大滑动位移为35.5 μm,最小为5.6 μm;试件滑动前有较为密集的声发射事件出现,稳定滑动后,声发射数降低。实验模拟了结构失稳型冲击地压的发生过程,并对于认识断层活化,以及煤体克服顶底板夹持作用突然滑出的物理过程具有重要意义。     

常规压缩下砂岩的声发射与损伤演化

采用MTS815.02岩石力学试验系统和AE21C声发射监测系统,研究了常规压缩下砂岩试样的声发射和损伤演化特征。试验结果表明:砂岩试样的声发射振铃计数与能量计数的变化规律相同,相关系数在95%以上;岩样应力-应变曲线中,每一次应力跌落都伴随有较大的声发射振铃计数率产生;声发射振铃计数间接反映了岩样内部微裂隙的萌生、扩展和贯通过程,采用声发射振铃计数定义的损伤变量能很好地反映岩石损伤演化过程。     

不同加载速率下花岗岩破裂声发射试验研究

利用RMT-150C岩石力学试验系统,选用十字型钎头和一字型钎头对花岗岩进行了不同加载速率下单轴压入破碎试验,采用多通道AE信号检测系统采集了花岗岩破坏的声发射信号.结果表明:加载速率对受载岩石内部声发射活动有较大影响,岩石声发射累积能量及声发射振铃计数均随加载速率的增加而增加,到达一定程度增加幅度下降;十字型钎头与一字型钎头相比,岩石破碎声发射活动更加活跃,释放的声发射能量更多,破岩效果更加明显;适当增加施加载荷的速率以及选择合适的钎头对脆性岩石破碎有较好的效果.     

岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究

选取内蒙古哈不沁铁矿花岗岩为试验对象,进行了岩石单轴压缩声发射试验,研究采用声发射参量预测岩石破坏裂纹尺度增长的可行性。花岗岩的全应力-应变曲线和声发射各参量曲线分析结果表明,应变的逐渐增加加快了岩石内部聚集的弹性变形能的释放,随着弹性变形能的释放,声发射的幅度、振铃计数、能量等越来越频繁地跳跃,当进入岩石破坏阶段时,声发射参量呈现突发性增长。对比分析了在声发射参量下预测裂纹尺度与实测裂纹尺度的相关性,结果表明,径向破坏裂纹尺度是轴向位移的2倍,且预测值与实测值非常吻合,预测的裂纹尺度能够反映岩石的损伤破裂过程,也能够描述岩石应变的发展过程。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究#br#

通过RMT 150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明：当加载速率增大时,强度为148.89~202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52~94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究

通过RMT-150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明:当加载速率增大时,强度为148.89～202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52～94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

刀具侵入破岩声发射特性试验研究

在RMT-150C岩石力学实验平台上选用一字型与十字型刀具对花岗岩进行破岩实验,采用AEwin-USB型声发射监测系统收集破岩全过程的声信号,得到花岗岩全过程的声发射振铃计数、声发射能量特征参数。结果表明:一字型与十字型刀具下花岗岩声发射特征信号曲线与载荷—时间曲线都具有很好的对应性;十字型刀具作用下声发射特征信号强度明显大于一字型,且十字型刀具作用下花岗岩破碎更完全;综合对比分析破岩效率,发现十字型刀具较之一字型刀具破岩效果更好。     

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。     

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。     

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。