花岗岩岩爆的声发射试验研究

通过对不同含水深部巷道花岗岩进行双轴加载声发射试验,利用声发射检测技术监测岩爆孕育、发生与发展的整个过程,对比分析水对岩爆的影响,并通过分析声发射事件率和声发射绝对能率研究岩爆发生的规律,为岩爆监测提供研究基础和技术支持。模拟试验结果表明:干燥饱水花岗岩都有明显的岩爆现象发生,饱水花岗岩岩爆发生时间有所滞后,岩爆发生爆裂程度有所降低;干燥花岗岩弹性能大,饱水花岗岩弹性能略小;干燥和饱水花岗岩声发射事件率和绝对能率在主破裂前都有一小段平静期,饱水花岗岩绝对能率有双峰性。     

不同含水状态下花岗岩岩爆模拟声发射实验研究

采用双轴伺服控制系统开展自然和饱和状态下的花岗岩岩爆模拟实验,同时采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射系统监测并采集声发射数据,研究了水对巷道岩爆的影响。研究结果表明：含水的区别对应着不同的花岗岩岩爆实验中的声发射特性;饱和花岗岩比自然状态花岗岩颗粒弹射时间滞后;自然和饱和花岗岩均在轴向载荷达到峰值荷载的65%～80%时声发射事件进入平静期,自然状态下花岗岩的声发射事件率平静期比饱和状态下平静期稍长;饱和花岗岩岩样的声发射平均事件率要比自然状态下高,而且高声发射事件率持续时间较长,自然状态花岗岩较大声发射能率出现时间滞后于饱和花岗岩;花岗岩岩爆过程中声发射事件率与能率变化规律呈现此消彼长的特点;自然状态花岗岩出现初始损伤的时间滞后于饱和花岗岩。     

不同含水状态砂岩三轴压缩声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验机对不同含水状态下的砂岩进行了三轴压缩声发射试验,得到自然状态及饱水状态下砂岩的应力-应变曲线、声发射振铃计数率、能量及振幅分布曲线。试验结果表明,在水的影响下砂岩的力学特性和声发射特征都有较大变化:饱水状态岩样的平均峰值强度为自然状态岩样的84.4%,且在试验过程中整体变形及弹性模量都较小;在岩样三轴压缩的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率、能量及振幅值均比自然状态岩样小;对比饱水岩样和自然岩样的宏观破裂时间及声发射信号最大值出现的时间,饱水状态岩样都存在"滞后"现象;此外,两种含水状态下岩样的声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍"滞后"于砂岩宏观破坏时刻。研究结果对含水岩层工程设计及施工具有指导意义。     

石英二长闪长玢岩单轴岩爆试验声发射前兆特征研究

采用MTS 815电液伺服测试系统与PCI-Ⅱ型声发射监测系统,对石英二长闪长玢岩样进行单轴加载岩爆模拟试验。根据试验过程中声发射信号的活跃程度,将声发射振铃计数划分为4个时期,分别为初始密集期、平静期、峰前密集期和岩爆期,并结合非均匀性指标Cv值的峰值及增长趋势,研究试件在岩爆模拟试验过程中的声发射信号前兆特征。结果显示,在平静期内声发射振铃计数表现为低值稀疏,峰前密集期表现为密集增长,及其非均匀性指标Cv值的"突增"现象,可作为该类岩石岩爆发生的声发射前兆特征信号。     

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。     

饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究

为了探讨水对岩石岩爆性能的影响,采用双轴微机控制伺服压力系统及PCI-2声发射监测系统对干燥及饱水花岗岩进行了室内岩爆模拟声发射试验。研究结果表明:水对花岗岩的强度、变形特征有较大影响。饱水使花岗岩峰值强度下降了12.69%,变形模量下降了8.24%;水在一定程度上抑制了花岗岩内部原生裂纹的孕育进度,降低了岩爆过程中声发射的活跃程度。水平卸荷后,干燥花岗岩累积振铃计数近似直线增长,饱水花岗岩则呈"台阶"状上升;干燥花岗岩岩爆过程中b值历经孕育区、发展区、下降区;饱水花岗岩b值第三阶段则为群聚区,意味着水可以软化岩样,降低岩爆烈度;水改变了花岗岩岩爆过程中内部裂纹的破坏机制,饱水花岗岩水平卸荷后的Ra值呈束状分布,内部裂纹以拉—剪—拉共存的形式破坏,而干燥花岗岩则呈张拉破裂为主,剪切为辅的破坏形式。     

基于声发射监测的含水岩石动态损伤演化过程试验研究

为研究含水状态对岩石破裂失稳过程声发射事件动态演化的影响规律,进行了干燥、天然与饱水闪长岩单轴压缩过程的AE试验,采用基于最小二乘法组合定位算法对裂纹扩展过程中AE事件进行定位。结果表明:干燥、天然及饱水闪长岩的定位误差分别为3.46,4.44mm和2.44mm。天然、饱水岩样的AE事件数分别为干燥岩样的37.2%和17.6%;在低应力阶段,干燥岩样内部产生的AE事件多于天然与饱水岩样;在0.5~0.9σc应力区间内,各岩样内部均有一定数量的AE事件产生;在失稳破裂阶段,干燥、天然、饱水岩样内AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增。     

基于煌斑岩遇水软化的声发射特性研究

为研究煌斑岩遇水前后在破裂过程中的声发射特征,设计了干燥和饱水2种状态的煌斑岩,利用YAW-1000型压力机和PCI-2声发射信号采集系统对其进行单轴加载作用下的声发射试验,分析煌斑岩的声发射特征。结果表明:2种含水状态煌斑岩的声发射特性明显不同,饱水状态煌斑岩的最大振铃计数率为干燥状态的69.2%,饱水状态煌斑岩的最大能率为干燥状态的68.2%。     

高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律,通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验,利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统,分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段,岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符,围岩曲屈破坏时σ_(θmax)≈(1. 38～1. 85)σ_c;随着侧向载荷的升高,孔洞在平静期积累的弹性应变能增加,颗粒弹射期能量释放率增大,岩爆进程加快,稳定破坏期持续时间先增加后减小,侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号,围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中,孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合,形成以圆孔为中心的"X"型共轭剪切破裂,稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加,高频比例降低,低侧向载荷时破坏以中高频为主,高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高,呈现高温区嵌套低温条带的特点,岩爆时高温区由表面浅部向深部运移,在孔洞整体失稳坍塌前,岩爆坑温度急剧上升。     

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。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。     

浸水时间对饱水岩石损伤破坏过程中声发射特征影响的试验

为研究不同浸水时间饱水岩石损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对天然及不同浸水时间的饱水闪长岩进行单轴压缩力学试验和声发射试验,研究单轴应力状态下其力学特性和声发射特征,结合累积声发射数与损伤变量一致的观点,建立了基于浸水时间的饱水岩石声发射损伤模型。结果表明:饱水岩石的单轴抗压强度和弹性模量随浸水时间的增加呈指数的变化规律逐渐减小,浸水60 d后其值均趋于稳定;在加载的各个阶段不同浸水时间的饱水岩样均有声发射事件产生,声发射事件率与岩样的应力-应变关系趋势均具有较好的一致性;声发射累积数的变化规律与岩样内部损伤演化规律具有一致性。     

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。     

不同层位砂岩单轴压缩过程中的声发射特征研究

利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,以余吾煤业3号煤层顶板不同层位的两组砂岩为研究对象,在单轴压缩条件下进行声发射实验。实验结果表明:A组砂岩达到峰值前的应力应变曲线近似于直线,达到峰值后直线迅速下降到零,B组砂岩的应力应变曲线先下凹再直线上升(斜率小于A组),达到峰值后,先保持一定承载力后才下降到零。初始压密阶段,两组岩样的声发射计数很少且能量很低;弹性阶段,A组砂岩的声发射事件略有增加,但能量、计数率和能率几乎为零,而B组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃;塑性阶段,A组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃,B组砂岩发生片帮,声发射参数跳跃式增大;峰后破坏阶段,达到应力峰值时,两组岩样的声发射计数、能量、计数率和能率都达到最大值,B组砂岩峰后还有一定地声发射事件发生。两组砂岩的声发射规律差异可为判断声发射源和监测预报何处岩石失稳破坏提供参考依据,对提前做好防护工作减少灾害发生和未来进一步研究具有一定意义。     

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。     

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。     

石英岩加卸载声发射特性研究

为了研究岩体在掘进过程中其内部破损的过程,采用TYP-500型三轴压缩试验机和PCI-2声发射系统对灵宝金矿石英岩进行单轴和三轴压缩声发射试验,以分析岩石破坏过程中的声发射特征。试验结果表明:在声发射试验过程中,石英岩的振铃计数与能量释放近似成正比例关系;当岩样发生破裂时,主破裂之前能量提高,表明岩样内部裂隙裂纹增多,释放大量能量,岩体承载力迅速下降;单轴压缩下声发射信号峰值和应力峰值基本同时发生,而三轴压缩下声发射信号峰值滞后于岩样应力峰值,因此认为,主破裂前围压加强了岩样的峰后承载能力,主破裂后单轴压缩下的岩体较三轴压缩条件下相对稳定。     

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。     

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。     

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。