平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

加载速率影响下裂隙细砂岩裂纹扩展试验及数值模拟研究

为研究裂隙倾角和加载速率对岩石裂纹扩展及破坏模式的影响,采用中心钻孔法在50 mm×50 mm×100 mm的细砂岩试样上预制宽度范围为0°～90°的贯通裂隙,并对其进行声发射及摄影监测下单轴压缩试验和PFC数值模拟研究,综合分析其裂纹演化规律及变形破坏特征。结果表明:裂隙砂岩试样的破坏模式包含拉伸破坏、剪切破坏和拉伸/剪切混合破坏3种,根据裂纹起裂机理及发展轨迹可将其细化分为T1～4(拉伸)型、S1～3(剪切)型、M1～2(混合)型等9种类型,裂纹萌生亦可分为翼形裂纹、反抗拉裂纹、共面/非共面次级裂纹、横向裂纹等5种类型,且均与岩样加载破坏过程密切相关。岩样裂纹扩展及破坏模式受控于裂隙倾角α,随着α的增加,裂纹起裂应力升高,起裂位置由预制裂隙中央向尖端转移,裂纹前期萌生数量降低,岩样破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡。加载速率亦对岩样裂纹扩展及破坏模式产生影响,随着加载速率的增加,裂纹萌生类型由翼形裂纹变为反抗拉裂纹,且不再向其他裂纹类型转化,裂纹起裂时间缩短,破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡,岩样表面宏观裂纹数目降低。岩样的破坏过程与其声发射特征密切相关,声发射定位信息准确地反应了岩...     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-Ⅱ声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律。试验结果表明:进入屈服阶段,大于80dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能级之间存在近似线性关系,岩石内部高能级高震级事件的集中出现表征着岩石局部损伤劣化加剧,与高速摄像仪记录结果一致;屈服强度过后,其他破裂类型也开始逐渐增多,但能级大于4的声发射事件基本都是张拉破裂类型。上述特征现象均可以作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。     

基于细观特征分析的单节理岩石破裂机理研究

为揭示不同节理方位对岩石破裂机理的影响,利用PFC软件模拟岩石裂纹孕育、发展和贯通过程中产生的大量声发射数据,基于矩张量理论、P-T图法和T-k图法研究了岩石破裂各阶段中声发射事件的空间位置、破裂方位、破裂类型、应力状态、矩震级等破裂参数及其演变规律。试验结果表明:1)岩石破裂方位受加载方向和节理方位影响,当节理方位与加载方向呈一定夹角时,主压应力分量逐渐分布在与节理方位对应的P-T图位置附近。2)线性张拉破裂所占比例随节理角度的增大而减小,线性剪切破裂、混合破裂和双力偶剪切破裂所占比例随节理角度的增大而增大。3)张拉破裂主要分布于节理面上,其矩震级(能量)较小;剪切破裂和混合破裂主要分布于节理面与临空面的交线上,其矩震级较大。运用矩张量理论、P-T图法和T-k图法可有效掌握岩石破裂机理及其宏观演变规律,可为分析岩体稳定性及其发展趋势提供一种新的技术手段,是传统分析方法的有效补充。     

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，...     

预制裂纹花岗岩单轴压缩全过程声发射特征试验研究

为有效提取含有宏观构造岩体失稳破坏的前兆信息,对不同倾角预制裂纹的花岗岩进行了单轴压缩全过程声发射变化特征试验。结果表明:预制裂纹对岩样峰值强度的影响是显著的,随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩试样的峰值强度降低。随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩变形破裂过程中声发射事件数和声发射震级都增加,出现声发射前兆信息时试样的应力大幅降低,完整试样的应力为峰值应力的88.5%,裂纹倾角30°时为84.5%,裂纹倾角45°时为56.2%,裂纹倾角60°时为46.3%,声发射前兆信号出现的时间也更为提前。花岗岩变形破裂过程中声发射事件主要集中在预制裂纹区域。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,因此对含有宏观构造的岩体应加强宏观构造处的监测。     

循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律

随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用2种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向2种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合5个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。     

加载速率影响下的岩石尺寸效应及声发射特征

为研究岩石在不同加载速率条件下岩样尺寸对峰值强度、声发射时空特征等力学性质的影响,采用数值模拟和数据拟合相结合的分析方法,对5组不同高径比试件进行了不同加载速率条件下的单轴压缩模拟试验。结果表明:岩石峰值强度与加载速率呈正相关,与岩样高径比呈负相关,两者关系均可用关系式进行表述。不同高径比试件加载速率对岩石尺寸效应起主导因素,当L/D≥2时,岩样尺寸效应逐渐减弱;同时岩石在不同加载速率条件下对声发射影响也比较显著,当试样高径比L/D≤2时,声发射数在峰值强度后较多,整个过程中声发射数先逐渐增加后逐渐减少,呈现出渐进型变化规律;当L/D2时,声发射数较少,在峰值强度之后出现很明显的声发射事件,属于突跃型变化规律,对利用声发射特性预测不同尺寸岩样单轴压缩破裂来临有一定的参考意义。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

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。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°α90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究

天然岩石含多种原生缺陷,受工程扰动影响易促使载荷速率发生变化,为确保岩体工程的稳定性,需对加载速率及裂隙影响下的岩石力学特性进行研究。以均质细砂岩试样为研究对象,试样中央预制0°～90°贯通裂隙,通过单轴压缩试验和声发射试验研究加载速率影响下的裂隙砂岩力学性质变化规律。结果表明:相同裂隙倾角下,试样的抗压强度、峰值应变以及弹性模量均与加载速率呈正相关关系;加载速率对岩石力学性质的强化效应具有区间性,低数量级时加载速率的作用程度明显高于高数量级时。砂岩试样的力学性质受控于裂隙倾角α,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减小,并在α=15°时达到最低值。声发射计数特征能够准确反映砂岩试样的破坏过程,岩石加载过程中,声发射计数经历"剧烈-平静-剧烈"的过程,且随着加载速率的增加,加载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声发射事件数降低。     

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.     

不同加载速率下小纪汗煤矿煤样强度及声发射特征研究

利用材料力学试验机及声发射信号检测分析系统,对小纪汗煤矿煤样进行了不同加载速率下单轴压缩过程中的声发射试验,得到了煤样应力应变全过程的声发射特征曲线,分析了不同加载速率下煤样的强度极限、声发射能量及振铃计数等特征参数的变化规律。研究表明:随着加载速率的增加,煤样抗压强度和压缩率呈现先上升后降低的变化趋势,煤样声发射能量释放形式由孤震型向震群型转变,在低加载速率下岩样能量释放形式主要表现为孤震型,在较高加载速率下则主要表现为震群型;不同加载速率下煤样振铃计数变化趋势大致相同,都经历缓慢增加与快速增加阶段,且随着加载速率的提高,声发射累计振铃计数明显减少;单轴压缩时煤样的破坏表现为单剪及双剪破坏,煤样声发射三维定位图与破裂实物图吻合较好。     

单轴压缩条件下岩石试样声发射特征研究

借助加载控制系统和声发射检测系统,对某矿煤层顶底板砂岩试样进行单轴加载,同时利用声发射检测设备同步进行监测,从而获得砂岩试样在单轴加载条件下的声发射振铃总计数、振铃计数率、各通道幅值、能量、能量率、幅值等声发射特性参数。结果表明:试验砂岩结构组成单一,强度高且表现为脆性;试样的AE能率与声发射事件率吻合,AE能率在岩石破坏前的声发射相对平静期更加明显;相对平静期的特征点可作为岩石破坏的前兆特征点,岩样相对平静期特征点的应力强度百分比为90%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。     

煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

我国深部开采过程中,围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究,是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明：砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强,这种依赖性在较高加载速率时更加显著;砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段;随着加载速率的升高,试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存,碎块平均体积逐渐减小,破坏程度逐渐提高;试验过程中,试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加,并且其占输入能量的比例逐渐提高,即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。     

砂岩变形率与水理效应的力学特性研究

通过不同变形加载速率下干燥和饱水岩样的单轴压缩试验,研究了砂岩抗压强度、 弹性模量、峰后应变和声发射特性的变形率效应和水理效应,定义力学参数的强化和弱化 因子,建立考虑砂岩变形率和水理效应的一维本构模型并进行验证。 结果表明:① 干燥砂 岩的应力-应变曲线包括弹性、弱塑性和破裂三个阶段,饱水砂岩则出现较长压实阶段,同 时弹性阶段缩短,塑性阶段增长。 ② 加载速率对干燥和饱水砂岩的抗压强度均具有强化作 用,抗压强度的率效应强化因子随加载速率的增大而增大;水对砂岩抗压强度具有弱化作 用,且水理效应弱化因子随加载速率的增大而增大;随着加载速率的增大,干燥和饱水砂岩 抗压强度的差值逐渐减小。 ③ 加载速率对干燥和饱水砂岩的弹性模量均具有强化作用,且 随加载速率呈线性增大趋势;水对砂岩弹性模量具有弱化作用,不同加载速率下砂岩弹模 的弱化因子变化不大。 ④ 加载速率对砂岩峰后应变的影响较小,饱水砂岩的峰后应变远大 于干燥砂岩,峰后应变的水理强化因子对加载速率不敏感。 ⑤ 砂岩的声发射信号随着加载 速率的增大而增多;相对于干燥砂岩,饱水砂岩的声发射能量累积速度明显推迟,但能量累 积的总量增大3~5 倍。     

加载速率和初始损伤对砂岩能量演化影响的试验研究

为研究加载速率和初始损伤对砂岩能量演化特性的影响,通过预压使部分岩样产生初始损伤,并进行原始岩样和含初始损伤岩样不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了砂岩试件加载速率和初始损伤影响下的能量演化特征。试验结果表明,预压产生的初始损伤较为真实地反应岩石内部随机分布的微裂隙损伤,声发射技术能较为准确地表征损伤量及其位置信息;加载速率的不同对弹性能演化过程基本无影响,但造成岩样破坏前积聚的最大弹性能增加;初始损伤的存在使弹性能增长较无损伤岩样变缓,破坏前积聚的最大弹性能减少;从能量耗散的角度建立了岩石损伤演化方程,验算结果表明基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以很好地描述岩石的损伤演化过程。     

不同加载速率下粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量变化规律试验研究

为研究加载速率对粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量的影响,定量分析粉砂岩加载过程红外辐射能量变化规律;开展了不同加载速率下粉砂岩单轴压缩红外辐射实验。研究结果表明：峰值应力随加载速率的增加而减小,不同加载速率下,差值模式下红外辐射温度最大值ΔT_max与应力变化具有较好的对应性,更能反映试样的破坏情况,ΔT_max的最高温差突增范围为1.0～1.7℃;主破裂时,累计红外辐射能增量ΔQ随时间变化呈缓慢增长趋势,破裂时对应的累计红外辐射能增量随加载速率的增大逐渐减小;ΔQ与机械功之间呈幂函数关系,随着机械功的增加,累计红外辐射能量增量呈现出先增大后缓慢增长趋势;不同加载速率下试样损伤红外前兆比的范围为0.02～0.285,且随加载速率逐渐减小。