声发射梅尔倒谱系数在砂岩破裂分析的应用

声发射技术在煤岩破裂分析领域进行了大量应用,取得了诸多有益成果,对煤岩动力灾害监测预警提供了重要指导,然而煤岩声发射分析仍存在进一步研究和完善的空间,亟待提出新的声发射分析方法。为此,开展了预制裂纹砂岩试样单轴加载破坏实验,同步采集了加载全程的应力应变数据和全波形声发射数据,并对试样进行全程高清摄像;利用声波分析手段提取了砂岩的声发射梅尔倒谱系数,探讨了该系数在砂岩破裂分析的优势及其原因,分析了该系数对砂岩破坏过程的响应,由此进一步研究揭示了预制裂纹砂岩试样的破裂破坏演化特征及声发射梅尔倒谱系数前兆信息。结果表明：对同种砂岩的不同试样,由不同通道采集的声发射信号提取的同号梅尔倒谱系数的变化特征相似、变化量相近、偏差程度小(5%～15%),并且在砂岩加载全程具有阶段性和敏感性的变化特征,说明声发射梅尔倒谱系数具有稳定性优势,可作为反映砂岩破裂状态的特征参数;梅尔倒谱系数可对声发射波形进行很好表征,系数提取过程不对波形设置门槛值,系数值由一段时间内声发射波形幅度和密集程度等整体形态决定,而不同通道采集的声发射波形整体形态在一段时间内趋向于相似,是该系数具有稳定性优势的原因;在砂岩破坏阶段,...     

不同加载速率下深部砂岩的声发射与破裂响应特征

为探究深部砂岩破裂演化特征与加载速率的相关性,开展了3种加载速率下的单轴压缩声发射监测试验,深入分析了加载速率对深部砂岩微破裂集聚成核机制和多类型破裂源演化特征的影响。研究结果表明,在不同加载速率下,深部砂岩的声发射参数(声发射计数与幅度)曲线的演化趋势具有一致性,随着加载速率的增加,声发射累计计数与累计幅度呈现减小的趋势;试样在不同加载速率下的时空演化特征具有一定的相似性,在不同的变形阶段,岩样内部多类型破裂源的占比不尽相同,在裂纹扩展阶段前,多类型破裂源占比情况受加载速率的影响较小,当岩样进入裂纹稳定扩展阶段后,随着加载速率的提高,剪切型破裂源占比趋于减小,张拉型与压缩型破裂源占比趋于增加;不同加载速率下岩样的声发射矩震级与频次关系均服从正态分布规律,声发射b值随着加载速率的增加逐渐减小,声发射矩震级中值随着加载速率的增加呈缓慢增加的趋势,加载速率可以增大试样内部破裂源的整体强度。     

不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识

研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性,可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源,是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验,得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律,分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征,获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征,并基于AE峰值频率的演化特征分析,给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明,随着弱胶结砂岩粒度的减小,其峰值强度增加,岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显,AE振铃计数的峰值呈现数量级增加,能量集聚效应更加明显,岩样的自蓄能能力更强,且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10～20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275～285 kHz),且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前,两个主频段(40～50,145～155 k Hz)累积计数最大; AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别...     

砂岩破裂失稳声发射特征及相关性分析

实验采用声发射设备对砂岩单轴受载破裂过程进行监测。实验结果表明:声发射事件率与绝对能量时间序列分析都可反映出砂岩具有压密、弹性、塑性、破裂4个阶段的岩石脆性破坏机制。通过对岩石破裂过程的事件率和绝对能量的皮尔逊积矩相关系数研究,显示岩石破裂时大破裂和小破裂是相互独立的。综合分析表明砂岩大破裂都出现在最大应力出现之后,且也是导致岩石破裂的主要因素。实验结果对由该类岩石破裂引起的矿山地质灾害的长期监测及预报具有指导意义。     

干燥与饱水状态下砂岩的声发射特征研究

针对干燥和饱和含水两种状态下的砂岩进行了单轴压缩破坏声发射测试与岩爆倾向性研究。结果表明:砂岩含水状态的不同,其加载过程都可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个阶段,但两者对应各阶段的时域分布有较大差异;每阶段,饱水试件振铃计数均数、峰值、总计数都比干燥试件小,饱水试件振铃计数随时间序列分布较稀疏,饱水试件峰值集中出现在极限应力附近,而干燥试件峰值分布相对较分散;两种含水状态试件第Ⅰ、Ⅱ阶段能量释放趋势一致,都较缓慢,能量释放主要集中在第Ⅲ阶段,不同的是,干燥试件的能量释放呈现出多个阶跃,而饱水试件的能量释放主要集中在破坏瞬间,干燥试件接收到的声发射累积能量为含水试件的10倍左右。结论:岩石中水分会影响岩石的变形特性,饱水岩石失稳前兆信息较少,岩爆倾向性更强。     

基于神经网络的声发射定位技术及在岩石破裂实验中的应用

用声发射（AE）定位技术确定岩石内部微破裂的发生位置，研究岩石的破坏过程，对预测岩石最终的破坏位置具有重要的实用价值。建立了误差反向传播学习算法的BP神经网络模型，在传统的定位计算方法的基础上，对BP神经网络进行训练，对原有的声发射定位数据进行模式识别，实现了用BP神经网络方法对声发射源的定位。实践表明，用神经网络算法进行定位计算具有更高的精度和效果。     

砂岩声发射信号的功率谱分析

通过对砂岩进行单轴加载声发射实验,获取声发射信号。经研究发现采集到的声发射信号能量-时间曲线与试件的载荷-时间曲线密切相关。根据载荷、能量时间曲线,将整个声发射过程大致分为I、II、III和IV四个阶段,对4个阶段的部分声发射信号进行FFT变换,发现随着加载的进行,声发射信号的主频有向低频段迁移的趋势;用Welch法做功率谱估计,发现第I、III阶段声发射信号的功率谱与第II、IV阶段声发射信号的功率谱存在明显差异,越接近破裂出现B类型功率谱的几率越大。研究结果表明:结合FFT变换,采用Welch法分析岩石声发射信号的功率谱,可得到岩石整个破裂过程的声发射信号特性,这为分析岩石破裂全过程的力学及声发射特性提供了一条新的思路,也为声发射应用于岩石破裂失稳预报奠定了一定的工作基础。     

砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统,对义马曹窑煤矿顶板砂岩进行单轴、常规三轴和三轴卸围压试验,加载同时进行声发射检测.试验结果表明,岩样压缩变形破坏过程中的声发射参数与加载方式有关.单轴压缩时,各个阶段均有不同程度的声发射事件,声发射事件较为强烈,累计计数和能量明显偏高;常规三轴压缩时,岩样屈服前声发射事件较少,屈服...     

隧道砂岩破裂过程的电位信号研究

研究了砂岩破裂过程的电位信号规律及其破坏的电位前兆特征,结果表明,砂岩在破裂过程中有电位信号产生,电位信号与试样的变形破裂呈现良好的对应关系;电位信号对加载初期的变形破坏及裂纹的生成比较敏感,声发射在初期比较平淡,在加载后期电位幅值略有降低,而声发射信号大量增加;在试样的加速变形过程中在应变峰值的70％～97％范围内有强脉冲电位信号出现,电位信号的峰前突增可以作为砂岩破坏的前兆特征.通过研究煤岩体破裂过程的电位信号变化规律,可以加深对岩石破裂微观过程的认识,为将来利用电位技术监测隧道岩体稳定性及隧道施工安全提供了基础性研究结果.     

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。     

不同加载速率下砂岩巴西劈裂声发射试验研究

利用RMT-150C电液伺服刚性试验系统和PAC声发射信号采集系统,对典型砂岩在巴西劈裂条件下变形破坏全过程的声发射特征以及不同加载速率对其的影响进行研究.试验结果表明:声发射特征与各变形阶段其内部结构损伤信息的变化是相对应的,声发射参数可表征岩石拉伸破坏微观结构损伤和演化;随着加载速率的增大,AE振铃率和AE能量率都随之增大,峰值处释放的AE能量最大值呈递增趋势,而AE累积能量呈递减趋势,这可能与加载时间有关;砂岩的抗拉强度随加载速率的增大而增大,同步监测AE能量峰值亦随加载速率的提高呈上升趋势,不同加载速率下AE能量峰值的变化能够反映岩石的抗拉能力.     

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.     

基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法

为探讨低渗煤层瓦斯流动的非达西特征,基于GSI煤体分类体系与砂岩启动压力梯度测试方法,进行了不同煤体结构煤样的启动压力梯度测试,建立了启动压力梯度与煤体结构的回归关系,实现了煤层瓦斯流动状态的快速判识。研究表明:在煤矿井下采集煤样或直接观测煤壁,获取其煤体结构,并与GSI煤体分类体系进行比对,确定煤样GSI值后,通过启动压力梯度测试并建立其与GSI的关系,即可实现不同煤体结构煤层启动压力梯度的快速获取与瓦斯流动状态的快速判识。     

砂岩损伤破坏的声发射准平静期特征分析

根据砂岩单轴刚性加载试验情况,声发射信号在屈服点(即稳定破裂和非稳定破裂分界点)处存在激增现象,同时分界点处所对应的应变约为峰值强度对应应变值的74.6％左右.从加载历时来看,在非稳定破裂阶段存在较长的耗时.岩石脆性破坏前声发射信息存在“准平静期”,而平静期的历时与峰值强度对应的历时比的平均值约为8％.以声发射信息为损伤测度进行了加载过程中的损伤值计算.屈服点处损伤值呈现出显著增长;应力-应变曲线峰后拐点处的损伤值大于0.9.峰值强度前,损伤值曲线呈现为下凹型;峰后阶段,呈现为上凸型,强度峰值位置为曲线拐点.     

变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究

通过变粒岩单轴压缩下声发射试验, 采集了应力-应变曲线与声发射数据。联合应力曲线, 总结了声发射积累计数和积累能量的演化特征。利用Welch谱估计法与小波能谱系数法分别对试件声发射信号功率谱密度及能量分布特征进行了分析。研究表明, 声发射积累能量比振铃积累计数能更好地预测岩石破坏; 在试件破坏前或产生较大裂纹时, 声发射信号峰值频率会有所下降, 其能量集中频段也在扩大; 在[78 kHz, 156 kHz]频段能谱系数持续增大且其值超过50%的声发射信号出现频繁的现象, 可作为试件破坏失稳的前兆信息。结合岩石声发射信号时频特性, 可为预测岩体破坏提供一种新思路。     

人工砂岩材料力学特性及声发射特性试验研究

岩石颗粒粒径及胶结物是影响岩石力学性质和行为的重要因素。天然岩石的内部颗粒粒径大小及胶结物含量随机性强，为此制作了3种不同颗粒粒径及3种不同胶结物含量的人工砂岩，研究了颗粒粒径大小及胶结物含量对岩石力学特征及声发射行为的影响。研究表明：相同胶结物含量条件下，粗粒径(0.425～0.850 mm)人工砂岩试件的声波波速和单轴抗压强度最大；随着颗粒粒径的增大，试件裂纹扩展阶段缩短，在试样峰值强度点附近的声发射能和事件数呈增加趋势；相同颗粒粒径条件下，随着胶结物含量的增加，试件的单轴抗压强度降低，峰值强度点附近的声发射事件数也减少，声发射关联维数D的最低值所对应的应力百分比值下降。声发射关联维数D值与强度呈线性关系。     

基于应变水平的砂岩脆性破坏声发射信息研究

岩石脆性破坏过程中的声发射信息与其受载变形破坏过程密切相关,在岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置存在声发射会出现突增现象。利用岩石破坏的三维重整化群理论给出了岩石破裂前声膨胀点所对应的应变和岩石峰值应力对应的应变水平比值的表达式,单轴荷载条件下其临界比约为74%与78%之间,并通过砂岩刚性加载试验得到了验证;同时通过对试验数据的分析发现,岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置所对应的应变值之间具有很好的比值关系。     

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。     

高温后砂岩受载破坏声发射时频特性实验研究

对高温处理后的砂岩进行单轴压缩实验,同步测试了砂岩受载过程的声发射信号,研究了声发射信号的时频特征。结果表明:不同温度处理后,声发射能量和计数在受载后期变化较明显,声发射事件数在受载过程中变化较大。高温处理后,砂岩变形破裂声发射信号符合R/S统计规律,声发射信号具有分形特征。不同温度处理后,砂岩变形破裂声发射主频带分布不同,幅值随着载荷的增大而逐渐增大;随着应力增加,声发射低频信号和高频信号逐渐增多。     

含天然结构面中粒砂岩破裂过程中的声发射特征研究

为了研究含结构面中粒砂岩破裂过程中的声发射特征,以补连塔煤矿22307工作面基本顶砂岩为研究对象,分别对完整中粒砂岩和含结构面中粒砂岩进行直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验,分析了在试验过程中天然结构面对其声发射特征的影响。试验结果表明：直接拉伸试验过程中,结构面对声发射特征的影响较显著,完整中粒砂岩的声发射峰值计数是含结构面中粒砂岩的13.5倍,含结构面中粒砂岩的声发射累计计数是完整中粒砂岩的3.2倍;直接剪切试验过程中,结构面对声发射特征也存在一定的影响,完整中粒砂岩的声发射峰值计数和累计计数分别是含结构面中粒砂岩的2.4倍和0.5倍;单轴压缩试验过程中,结构面对声发射特征基本没有影响,声发射峰值计数和累计计数基本没有变化。