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，...     

突水过程煤岩破裂声发射实验系统的研究

为了监测煤矿突水,在不同应力速率下,针对不同含水量煤岩破裂声发射频谱存在差异的特性,基于数量化理论,采用可编程逻辑器件FPGA和低功耗微处理器MSP430研究设计了一套监测实验系统,本系统可以实现对矿井突水进行实时在线监测的目的.为了解决煤岩破裂声发射信号中含有各种干扰噪声和信号处理方面存在的问题,根据煤岩破裂声发射信号的特点,利用小波包变换对声发射信号进行了分解、去噪和重构,结果表明处理后的声发射信号更为清晰地反映了煤岩在不同含水量和不同应力速率下破裂时的变化特征,研究方法通过模拟样本实验取得了较好的效果.     

煤岩试验的声发射全波形自动拾取方法研究

根据煤岩试验中声发射信号特征,提出了一种声发射波形自动拾取方法,以实现加载全过程中声发射波形自动拾取。结果表明：煤岩试验中声发射波形在不同加载阶段表现出不同特点,峰前声发射波形上升时间和持续时间较短,峰后声发射波形上升时间和持续时间略长;峰前弹性阶段声发射波形上升方向多为负方向,峰前塑性阶段和峰后阶段波形上升方向多为负方向。该自动拾取方法基本可以实现声发射全波形自动拾取,且拾取效果较好。     

加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响分析

借助细观颗粒流PFC2D软件平台建立煤岩单轴压缩模型,模拟了不同加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响。分析结果表明:加载速度对煤岩损伤破裂声发射特征规律的影响不大,但伴随加载速度的增大,产生明显声发射的时间将提前;加载速率的提高对煤岩初始发射起裂应变没有影响,但使产生强烈声发射的应变范围增加;加载速度越大,煤岩破坏前积聚的变形能越多,煤岩破坏损伤程度越高,产生的声发射总数越多。     

基于ANN的煤岩破坏电磁辐射预测研究

以自适应神经网络的基本原理和实现步骤为基础,研究了煤岩变形破裂过程电磁辐射自适应神经网络预测的原理及特点,将电磁辐射自适应神经网络模型应用于煤岩变形破裂过程声发射和电磁辐射序列的预测。研究结果表明,采用神经网络可以有效预测电磁辐射和声发射信号,为判定煤岩变形破裂状态提供依据。     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

不同应力速率下含水煤岩声发射信号特性

对不同应力速率下含水煤岩声发射频谱特性进行了实验和分析.结果表明,在煤岩的受载变形破裂过程中声发射是阵发性的,其声发射的频率特性较为单一.煤岩含水量的不同,对其声发射特性有一定影响.具体表现为对声发射强度的影响.含水量较大的煤岩较之含水量小的在声发射强度上略低.应力速率大时,声发射主要集中在煤岩破裂前的一段时间内;应力速率小时,煤岩破裂前的声发射较应力速率大时变少.在应力速率提高后,声发射在频次和幅度上有很明显的增加.     

支持向量机在岩石破裂失稳声发射定位实验中的应用

声发射技术是研究岩石变形破坏微观机理的重要手段,对开采扰动下采空区煤岩破裂失稳的机制和前兆预测具有重要意义。基于声发射定位实验,利用支持向量机方法,对煤岩单轴抗压破裂与失稳过程中的声发射信号进行分析与预测,为采空区煤岩破裂定量化预测提供科学依据。     

饱和含水煤岩单轴压缩条件下的声发射特征

为了模拟研究煤储层的压裂特征,进行了饱和含水煤岩单轴压缩破裂实验以及声发射测试。结果表明：饱和含水煤岩在单轴压缩条件下首先产生变形,然后出现裂隙,直到最后破坏。根据声发射和应力－应变曲线特征将煤岩压裂过程分为迸裂型、破裂型和稳定型三大类。煤岩压裂过程受试件取样方向影响,当试件轴向平行面割理时,破裂过程出现迸裂型、破裂型,而无稳定型;当试件轴向垂直面割理时,破裂过程出现破裂型、稳定型,而无迸裂型。     

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。     

煤岩破裂声发射实验研究及R／S统计分析

对受载煤体破裂过程中的声发射（ＡＥ）信号进行了测定和分析．研究结果表明,受载煤岩体的变形破裂及声发射信号并不连续,而是阵发性的．声发射信号符合赫斯特（ＲＳ）统计规律．在受载煤岩体的破裂过程中,声发射信号基本呈现逐渐增强趋势,这对于预测预报煤岩灾害动力现象有重要的意义．     

煤与砂岩复合岩声发射统计效应的试验与最大似然理论

岩石类材料破裂损伤的声发射统计效应近年来在理论、试验和模拟方面已开展了大量研究,并且近年来以声发射为实验基础,采用统计物理学的方式分析声发射信号,继而关于材料内部损伤机制的相关研究也得到了发展,但是针对不同材料声发射统计效应及其相互作用与临界行为研究还较为缺乏。为此在实验室条件下采用日本岛津AGI-250高精度材料试验机对由分别取自内蒙古和重庆地区的煤与砂岩组成的复合岩开展了单轴压缩试验,利用DISP系列全数字声发射工作站采集压缩条件下试样中煤与砂岩层位的声发射信号,对信号进行了概率密度分布分析,并建立了考虑叠加效应的幂律指数最大似然估计方法。研究发现:复合岩在单轴压缩条件下煤层和砂岩层的声发射信号与纯煤和纯砂岩表现出了不同的统计性质,其整体声发射能量概率密度分布受煤层影响较大,砂岩层整体服从单幂律分布,而煤层则服从双幂律分布;叠加效应的幂律指数最大似然估计方程由上下限幂律指数α,β,与声发射数量比例x三参数控制,方程预测结果与试验中拥有较低幂律指数层位的分析结果一致,且随着声发射能量的增加逐渐趋近于下限幂律指数值;随着声发射能量级的增加,复合岩中煤层对整体统计结果的影响程度逐渐增加,而砂岩层的影响程度变化不明显。     

基于尺寸效应的岩石声发射时空特性数值模拟

为研究不同大小尺寸岩石破坏过程中的声发射时空分布和演化规律及其对岩石破坏过程声发射的影响,以某矿山岩石力学参数为依据,利用数值软件对相同高径比、不同大小尺寸的6组岩样进行试验研究。试验表明当岩样尺寸小时,大的声发射事件主要出现在岩样大破裂贯通前后,声发射在岩样中从当初的随机性分布,到过峰值载荷之后大量集聚在岩样中部。试样尺寸较大时,未达到峰值应力前声发射较少出现,且分布弥散,大的声发射事件仅在峰值载荷后出现1次,其能量和数量均是声发射历史上最显著的,在试样中两处聚集成核,这与不同尺寸岩样内部包含不同缺陷强度离散性有密切关系。     

微地震监测技术在矿井灾害防治中的应用

煤矿中发生的岩爆、煤和瓦斯突出、出水等地质灾害，与岩体中的微地震现象有着必然的联系。首先介绍了微观尺度下声发射的力学机理。其次通过对微地震现象的定位和一些参数如频率、能量、分维数等的分析，说明了它们在灾害预报中的作用。已有的观测结果表明，频率的降低、大能量事件发生和分维数的减少都预示着地质灾害即将发生；然后归纳了采矿活动导致的岩石破裂产生的微震的力学机理，可分为高垂直应力、低侧压，高侧压、低垂直应力等4种剪切类型；最后介绍了澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)与我国的兴隆庄煤矿进行的微地震方面的研究与合作，指出利用微地震来预报地质灾害和防灾减灾未来前景广阔。     

三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空演化规律

利用MTS815岩石力学实验系统,开展不同围压（3.2、9.6、16.0、22.4 MPa）下煤岩的三轴压缩声发射定位实验,研究煤岩破裂过程中AE(Acoustic Emission)时序特征、能量释放与空间演化规律。实验发现：静水围压阶段,AE信号主要产〖JP2〗生于中前期,声发射源主要是裂隙的压密、摩擦与滑移,其强弱与试件的原生裂隙、孔隙的发育程度密切相关;施加轴压阶段,煤岩声发射时空演化过程与应力应变曲线具有良好的对应关系,在产生初始损伤、屈服及破坏时,AE特征均会产生明显的突变。AE时序参数、能量释放与定位信息的综合分析表明,煤岩破坏前兆点的应力强度百分比为92%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。同时,实验揭示了煤岩破裂过程中声发射的围压效应,并发现AE时空定位演化较好地对应了破裂事件从单一到复杂、从无序到有序的演化过程。     

弯载下砂岩声发射特征值时间效应

为探索开采速度对采空区顶板破断特征影响的力学机制,设定不同加载速率,开展砂岩3点弯曲和声发射试验,研究砂岩弯曲折断过程的力学行为及其受加载速度影响的时间效应和折断前兆特征。结果表明,加载速率越快,砂岩显著初始损伤声发射发生的应力条件越高,积累的应变能越高;岩石折断前,前兆声发射时间长度与加载速率呈指数负相关,加载速度越快,前兆声发射时间越短,可预测性越差;加载速率与砂岩折断声发射峰值能量及破坏载荷呈指数正相关,与砂岩折断声发射峰值计数呈指数负相关,加载速度越快,岩石折断所需的破坏荷载越大,峰值声发射计数越少,一次性释放的能量越高。上述岩石弯曲声发射特征值是加载速率的函数,存在时间效应。从机理上解释了煤矿开采速度越高,顶板岩体动力灾害危险性相对越高,可预测性越差的原因。     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

利用YAG-3000微机控制岩石刚性试验机和PCI-Ⅱ声发射监测系统,对中关铁矿深部闪长岩分别进行干燥、饱和2种条件下循环加卸载过程的声发射试验,以探讨这2种含水条件下岩石的力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。结果表明:水对岩石的力学特性和声发射特征具有不同程度的影响。岩样从干燥状态到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%;整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏之前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%;干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。     

基于间接拉伸试验的煤岩层理效应研究

采用多种先进的宏细观测试手段,探究煤的层理构造和矿物分布。进行加载方向与煤岩层理面平行和垂直的间接拉伸以及实时声发射(AE)试验,分析了煤的破坏机理、拉伸力学特性以及在拉伸过程中声发射时空序列特征和损伤变量演化的层理效应。研究表明:方解石矿物主要沿煤层理面分布,对裂隙的萌生和发展起着关键作用;加载方向平行和垂直于层理面煤岩的抗拉强度分别为0.706和1.039 MPa;平行组试样声发射活动的整体水平弱于垂直组,但平行组试样AE事件在破坏前短期内激增,总能量释放少,破坏突然,主裂纹沿层理面发展,垂直组试样的AE信号在低应力水平出现,AE振铃计数率和能率均强于平行组,空间定位点有明显的成核区域;垂直组和平行组损伤变量D值变化曲线分别呈现出阶梯式和两段式特征,具有明显差异,基于AE能量计算的岩石损伤状态更加符合实际。