单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况.为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式.结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段...     

岩石单轴加载破坏全过程波速变化特征研究

岩石力学性质是声波监测技术的基础,可通过观测声波在岩石内部传播变化过程判别岩石的稳定性和发育状况。为了解赵庄二号井岩石载荷受力下声波于介质传播过程中变化状况,单轴加载试验采用岩石力学试验机和声波测试系统,对晋城赵庄二号井典型层位的砂岩、泥岩、灰岩加工成标准试样,在单轴加载条件下,采用不同加载方法进行比对,获取方法适用性。然后,利用观测声波对岩石裂隙发育程度、不同岩性的纵、横波波速及应力-应变全过程的变化特征进行了研究。研究结果表明:选用位移控制法可以更好获取全应力-应变曲线;在加载过程中,试样压密、弹性阶段波速呈线性上升的趋势;到达应力峰值后,试样破损,承受力降低并出现软化特征,应力与波速呈非线性变化;波速变化趋势与应力-应变曲线基本一致,不同的应力-应变阶段均发生不同的波速响应特征。通过对岩石加载声波变化特性的测试观察,可对岩体的稳定性或内部裂隙发育程度做出预测预判。     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。     

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.     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

岩石脆性临界破坏视电阻率变化与应力比

针对岩体破坏过程中电阻率变化问题,分析了岩石受载变形破坏过程中电阻率的演化规律,利用重整化群理论并结合岩石压缩破坏试验,研究分析岩石电阻率变化与岩石变形破坏演化阶段之间的关系,在此基础上推导出了受载条件下岩石破裂前电阻率突变所对应的应力和岩石峰值应力比值的表达式,实验室加载情况下其值大都在70%~80%,同时根据相关实验数据应力比均值约为75%,误差在±9%之内,验证了分析的合理性。     

基于岩石真三轴应力状态下的数值模拟研究

研究真三轴应力状态下岩石的变形破坏过程对于揭示地下工程岩体灾变机理具有十分重要的理论意义和指导价值。基于岩石真三轴应力状态下的实验结果,运用颗粒流离散元程序PFC~(3D)建立了岩石真三轴数值计算模型,模拟真三轴加载过程中岩石的损伤与破裂演化过程,分析了真三轴状态下岩石的损伤、破坏特征。     

不同加载路径下岩石次声信号特征研究

为了研究岩石破坏过程中次声信号特征,进行了单轴压缩试验、斜剪试验、巴西劈裂试验3种室内试验,同时采集次声信号,并对采集的次声信号进行小波分解与重构,获得频率为0~16Hz的次声时域信号。通过试验结果分析,发现岩石在剪切破坏形式下能产生突出次声波信号,次声信号强度在应力峰值点附近达到最大;岩石在加载破坏过程中产生的次声信号主要频带能量分布在1~4 Hz,在应力初始阶段1~4Hz频带能量占比达50%左右,随着加载应力的不断增大,这一频带能量占比越来越大,峰值点附近可达85%以上。分析结果表明,次声信号频带能量百分比与岩石所处应力水平有很大关联性,这一频带能量特征可以作为判断岩石受力状态的判据。     

煤体失稳破坏过程中的低频磁场变化特征研究

为研究不同加载速率下煤岩体失稳破坏过程中的低频磁场变化特征,以单轴加载试验为基础建立了煤岩失稳破坏低频磁场监测系统,分别以不同加载速率对煤岩体试样进行了加载破坏试验。试验结果表明:接收到的原始低频磁场信号包含有大量的背景噪声,采用HHT时频分析方法中的EMD功能,对信号进行了分解重构,有效地过滤掉了背景噪声,对重构后的信号进行FFT分析,发现低频磁场信号的频率为0~20Hz;煤岩体失稳过程中产生的低频磁场信号对应于煤岩体的时程压力曲线,并且失稳破坏时,磁场信号最为丰富;不同加载速率下,煤岩体产生的低频磁场信号有明显的不同,随着试样加载速率的增大,低频磁场信号的幅值和能量整体有增大的趋势。     

岩石受载破坏前兆特征——声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石破坏全过程力学特性--岩石的全应力应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的耗时现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些问题进行了总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供了理论依据、方法和手段。     

分级加卸载下红砂岩蠕变破坏能量耗散特征研究

针对岩石蠕变引起的工程岩体破坏问题,分析研究了岩石蠕变过程中的能量耗散特征,并揭示岩石蠕变机理。通过分级加卸载条件下的蠕变试验,对比分析了红砂岩轴向、径向蠕变特征,研究各级加载过程中岩石弹性应变能与耗散能特征。试验结果表明:当加载应力小于岩石长期强度时,试件以轴向蠕变为主;当加载应力大于岩石长期强度时,径向等速蠕变阶段应变速率大于轴向应变速率。红砂岩在蠕变破坏过程中,总耗散能与岩石吸收总能量的比值约为0.35,并且加速蠕变阶段耗散能约为总耗散的12%,说明岩石吸收的能量大部分以弹性能的形式贮存于试件内,加速蠕变阶段的耗能远少于等速蠕变阶段的耗能。     

加载速率对岩石声发射信号影响的试验研究

加载速率对岩石声发射信号的总体影响是巨大的。通过采集大理岩和红砂岩单轴压缩声发射信号,分析计算了不同加载速率下的声发射过程时间序列的参数,得到了声发射信号与加载速率的变化关系,结果表明,不同加载速率下的声发射信号特征具有明显的不同,随着加载速率的增大,能率和振铃率都随之增大,而产生的能量和振铃计数的总和却逐渐减少小,加载速率的不同,在某种意义上还会影响到岩石的破坏方式,加载速率越大,岩石的破坏越趋于剧烈。     

围压加载条件下岩体损伤特征实验及数值模拟分析

为了研究煤岩动力灾害的发生机制,分别对3种不同强度的混凝土试样进行了单轴压缩实验和围压加载实验,并利用声波发射仪器对围压加载条件下试样破坏过程进行监测;采用数值模拟方法,从微观层面观察试样的损伤特征。实验结果表明:围压加载条件下试样破坏类型单一,在试样中部附近发生拉伸断裂。模拟结果表明:试样初始破坏是在纵向拉应力的作用下从岩体内部开始,逐步沿横向向两边扩展;当围压使纵向拉力达到了岩体的抗拉强度时,继续增大围压,初始破坏区域扩大直至发生瞬间断裂。     

岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术研究

对岩巷工程灾害的预警预报和应急响应是减少人员伤亡和经济损失的重要途径,通过红外辐射和声发射联合监测含孔岩石在受力过程中的物理变化可以有效地模拟岩巷工程灾害演化与爆发。为此,开展了 含孔洞岩石加载过程的红外辐射和声发射联合监测试验,对含孔洞岩石加载的红外辐射和声发射特征以及二者之间的关系进行了研究。结果表明：①极差曲线随应变的变化具有明显的阶段性特征,特别在最后阶段, 极差曲线加速上升并出现突跳点,反映了温度场的分异现象和前兆特征,前兆时间平均为95.71%峰值应力;②声发射能率和声发射率曲线具有阶段性变化特征,在后期阶段普遍存在岩石破坏的前兆特征,前兆时间平 均为82.68%峰值应力;③岩石加载后期,红外与声发射前兆具有递进性,即声发射前兆早于红外前兆,两者的时间分界线在92%~95%峰值应力;④红外和声发射变化特征的关系与岩石的损伤破裂演化以及两种监测技术 的特点有密切关系。根据试验结果,提出了岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术,讨论了两种技术的互补性,并给出了联合监测预警的技术流程,供相关研究和现场监测参考。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响研究

具有层面倾角的组合岩体具有明显的倾角效应,其力学性质会随着层面倾角大小的变化而改变。为了探究层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响,通过理论分析和室内实验相结合的方法,得到了单轴压缩下不同层面倾角岩石试样的RA值、应力-应变曲线、峰值强度以及弹性模量。结果表明：不同层面倾角组合岩体在加载初期主要发生剪切破坏,加载到后期贯通扩展为拉伸破坏;倾角15°试样主要发生剪切拉伸复合破坏,倾角25°试样主要发生剪切滑移破坏;峰值强度和弹性模量都随着层面倾角的逐渐增大而减小。     

煤岩变形破坏电荷感应规律试验研究及现场应用

准确掌握岩体受载破坏过程电荷感应规律,对于冲击地压等动力灾害预测具有重要意义。在电荷监测仪采集精准度优化提升基础上,对砂岩试样单轴压缩受载破坏电荷感应规律进行了实验室监测试验,并进行井下监测试验,详细分析了不同加载速率下砂岩电荷感应与应力降以及裂纹扩展的关系和超前工作面支承压力影响区电荷感应特征。结果表明：岩样受载破坏过程中裂纹的多次形成、发育与扩展均伴随着电荷感应信号,前兆电荷信号的产生早于岩样受载破裂出现的应力降;在0.005、0.015、0.020 mm/s 3种加载速率条件下,岩样破坏过程的电荷信号规律随加载速率的变化显现出差异性,主要表现为加载速率越大,电荷信号越丰富,超前应力突变前兆电荷信号越发提前出现;现场各测点平均感应电荷量最大值均位于超前支承压力影响区内,且平均感应电荷量大小与工作面超前支承压力分布趋势一致。     

国外专利简介

岩体受力状态的测定方法此法包括沿钻孔测量岩体中的纵波和横波速度,测量岩芯加载时的轴向纵波速度和对比岩体与岩芯的纵波速度值确定垂直应力。为了提高测量精度和增加信息量,在岩芯加载时补充测量其轴向横波速度,对比岩体与岩芯的横波速度值,并考虑横波速度因垂直应力的作用而发生的变化确定水平应力。为了提高各向异性岩石中的测量精度,对岩芯补加横向载荷,而取岩体的水平应力等于岩芯中横波速度与岩体中横波速度一致时的横向负载。(苏联发明证书1239319号,申请日期84.6.19,国际分类E21C39/00) 巷道顶板移动的信号装置这种装置由圆筒形     

国内外建井科技信息

岩体稳定性测定装置 据英刊《世界采矿设备》1987年3/4期报道,美国矿业局研制出一种电子问顶装置,原理是通过敲击顶板岩石时监测声波振动频率的变化,来确定顶板岩体是否失稳。研究表明,当敲击松散岩体时,声波振动的频率比敲击密实的岩体低得多。 这种测定装置以电池为电源,弹簧加载杆顶着加速度探头紧贴岩体,探头把经敲击附近岩体而产生的声波信号传送给测定装置,这种测定装置的样机已在煤矿、铀矿、银矿及盐矿等矿井进行了试用,结果是成功的。 水下混凝土絮凝剂 一种既能简化水下混凝土施工工艺、又能保证混凝土质量和降低工程造价的新型混凝土外加剂     

单轴加载作用下花岗闪长斑岩声发射特性与破坏前兆研究

准确判别岩石产生失稳破坏是当前研究的热点。本文通过花岗闪长斑岩试样单轴加载声发射试验，并分析其受载作用下失稳破坏全过程声发射的幅值、振铃计数率和b值变化特征可知：振铃计数率与b值的整体变化趋势具有高度相似性，均能反映岩石承载作用下其内部新裂缝的产生、发育、贯穿直至失稳破坏的变化规律。进一步发现，当加载应力达其峰值强度的 80%～90% 时，不仅振铃计数率进入大幅度反复振荡的非稳定期，而且声发射b值的峰后“断崖式”回落中出现“波动中值”，此现象可作为岩石失稳破坏前的判据。研究成果可为岩体变形破坏预测预警提供理论依据。