不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前特征信息试验研究

 通过对花岗岩在不同围压下循环加卸载声发射(AE)试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低频通道中AE累计振铃计数、岩石应力与时间的关系。基于此,研究岩石AE的不可逆性特征。同时运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点AE信号进行消噪,并通过FFT分析消噪后信号的频谱特征,探求岩石主破裂前特征信息。研究结果表明：(1) 两通道中接收到的AE振铃计数整体变化趋势基本相同,所揭示的Kaiser效应和Felicity效应规律基本一致;两通道中AE振铃计数特征主要区别在于数量不同;(2) Kaiser点主频分布在46.39～70.80与151.37～166.99 kHz范围内。岩石主破裂前,随轴向应力水平增加,低频通道中Kaiser点主频整体变化趋势由较低频向较高频转移,高频通道中由较高频向较低频转移;(3) 花岗岩Kaiser效应应力上限值为极限强度的65%左右。Kaiser点的主频特征及变化规律,可为岩石的损伤破坏评价提供依据。     

花岗岩单轴受压条件下声发射信号频率特征试验研究

研究分析破裂过程不同阶段的声发射信号频率特性,对于选出相应谐振频率的声发射传感器具有重要意义。通过单轴压缩试验,结果表明:花岗岩受压过程中主要经历3个受力阶段,声发射振铃计数率随相对应力的增加呈现出阶段性的变化规律,声发射信号优势频率主要发生在岩石破裂前塑性破坏和主破裂阶段,且集中在41～85kHz。在相对应力较低时,花岗岩声发射信号频率以低频为主,随着相对应力的增加,其高频、低频信号密集且幅值很大,因此高频高幅值声发射信号的突然增多预示花岗岩有破坏危险。     

花岗岩破裂过程声发射横、纵波时频特征实验研究

开展花岗岩单轴压缩声发射监测实验,利用横、纵波两种类型传感器接收花岗岩破裂过程声发射信号,从声发射事件率、能率、主频和主频幅值方面,研究花岗岩破裂过程声发射横、纵波时频特征的异同点,探索岩石破裂过程不同模式声发射波形信息的特征规律。研究结果表明:花岗岩破裂过程声发射纵波事件率在峰值载荷前出现明显声发射"平静期",而横波事件率"平静期"现象不明显;声发射横、纵波能率曲线形式一致,在临近峰值载荷时均出现陡升现象,但数值上纵波普遍高于横波。花岗岩破裂过程声发射纵波主频以低频(35～110 kHz)为主,数量占比达到96.4%,横波以高频(300～500kHz)为主,数量占比达到66.36%;对于纵波与横波,二者高幅值声发射信号均位于低频区间,意味着花岗岩破裂过程中高能量横、纵波声发射信号均表现出低频高幅值特征。研究结果扩展了对岩石破裂过程不同模式声发射特征的认识,进一步为建立基于声发射的岩石破裂预测方法提供科学依据。     

砂岩单轴压缩破坏全过程声发射主频特征分析

通过单轴压缩声发射实验获得红砂岩受压破坏全过程的声发射低频、高频信号及力学特征,对获得的信号波形采取小波阈值去噪后提取其主频,基于频谱分析理论,分析了砂岩破坏全过程的主频变化特征和频带能量占比规律。研究结果表明:声发射信号主频值分为10~25 kHz、45~60 kHz、120~135 kHz、140~155 kHz、160~175 kHz密集度明显的5个特征频段,其中45~60 kHz的频段对应着岩石试样发生破坏时的主要破坏模式,高于45~60 kHz的频段和低于45~60 kHz的频段分别对应着微小裂纹的萌生和较大裂隙的形成;主频频率变化特征在岩石变形破坏各阶段表现不同,压密至弹性变形阶段内,较为集中,主要存在于特征频段内,进入微裂隙稳定发展阶段后,分布范围由较为集中朝复杂离散方向转变,裂隙扩展至破坏阶段,在更加离散化的同时又相对集中;岩石临近破裂时,声发射信号主频段更加离散化;声发射信号频带能量主要集中在0~250 kHz,其中46.875~62.5 kHz和234.375~250 kHz频带的能量占比随荷载的增加,分别减小与增大。     

冻融循环对花岗岩声发射特性影响的试验研究

在高寒地区,冻融对岩石声发射特征和抗冻性指标有着重要的影响。针对这一问题,利用在寒区采集的花岗岩试件开展冻融试验和冻融岩石的单轴压缩声发射试验。试验结果表明:花岗岩试件抗冻系数随冻融循环次数的增加而逐渐减小;试件的质量损失率随冻融次数的增加而增大。随着冻融循环次数的增加,试件端部效应趋于明显,试件破坏时的声发射撞击数显著增大。声发射振铃计数可分为接触期、平静期和破坏期3个阶段,随着冻融循环次数的增加,接触期持续时间延长且振铃计数明显增加;平静期振铃计数密度变大,有较多突变点;破坏期振铃计数较大且持续时间较长。随着冻融循环次数的增加,声发射信号峰频点由分散凌乱向优势频段集中,岩石试件临近破坏时,声发射信号峰频优势频段逐渐向中高频段集中,低频段声发射信号不断减少;不同冻融循环作用次数对应的声发射能量概率密度都能较好地满足幂定律分布;表征尺度不变性的临界指数随冻融循环次数的不断增加,呈现出先减小后缓慢增大的趋势。试验结果对在寒区应用声发射技术鉴别和预报岩体的稳定性以及研究岩石冻融损伤机制有重要意义。     

岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究

 对单轴压缩条件下一种红砂岩试件变形场演化过程中声发射特征进行研究。以数字散斑相关方法进行试件加载全过程的变形场演化观测,利用声发射系统采集试件加载全过程的声发射信号,对岩石变形演化过程中的变形局部化演化、变形局部化带拉伸以及变形局部化带错动对应的声发射特征进行研究,研究结果表明：(1) 由加载曲线与声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系可知,应力突降时声发射振铃计数和声发射能量出现激增,但振铃计数激增和声发射能量激增,应力不一定突降;(2) 加载应力与声发射振铃累计计数在演化趋势上具有较好的对应关系,但声发射振铃累计计数增幅与对应的应力降低量值无关;(3) 声发射峰前“平静期”并不代表岩石变形场演化处于平静阶段,此阶段变形局部化带的宽度、长度以及变形量值在不断增加;(4) 变形局部化带的宽度、长度以及变形量值的演化对声发射振铃计数及声发射能量影响很小,变形局部化带的拉伸速率及变形局部化带的滑动速率变化对声发射振铃计数和声发射能量影响较大,其中变形局部化带滑动影响最大。     

不同岩石声发射时频特性实验研究

通过对变粒岩、花岗岩、石灰岩、粉砂岩等四种岩石进行室内单轴加载声发射试验,获取岩石破裂全过程的应力-应变曲线、声发射参数及声发射信号。根据岩石破裂过程,从时、频域对声发射信号进行分析,着重对比了不同岩石的力学性质、声发射信号频域特征。研究结果表明:采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;随着加载的进行,根据岩体变形及破裂程度的不同,不同岩石破裂阶段的声发射信号的频带范围也在不断发生变化。结合声发射时间序列参数特征和频谱特性,可得出岩石破裂时的损伤特性,为现场岩体的稳定性监测提供技术支持。     

复杂加卸载路径下闪长玢岩强度特征及声发射特性试验研究

选取典型深部矿山脆性岩石进行加卸载岩石力学试验,对复杂应力路径下脆性岩石的力学及破裂特征进行对比分析。采用声发射设备对破裂过程中声发射演化特征进行研究。研究表明,岩石的力学性质和变形特性与围压有密切的关系,围压的增加使围岩逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;对试件进行卸围压操作,容易造成岩石的突然破坏,同时造成了岩石强度的降低;由破裂形式素描图可知,卸载造成破坏更加剧烈,岩石表面出现大量竖向裂纹,卸载往往造成岩石的复合拉压破坏,且卸载破坏的的声发射计数率远远加载破坏。卸载破坏过程中,岩石声发射演化过程总体分为3个阶段,包括峰前平静期、活跃期及峰后平缓期,每个时期都有一个应力、应变及振铃计数临界值,需要通过大量试验及现场测试。     

基于EMD的粉砂岩单轴压缩破裂损伤分析

通过RMT-150C岩石力学测试系统与SAEU2S型声发射仪器,对粉砂岩进行了单轴压缩声发射试验。运用荷载—时间—振铃累计计数关系对岩样损伤阶段进行划分,利用经验模态分解法(EMD)对不同损伤阶段的典型信号源进行了分解,并结合EMD能量熵分析声发射信号能量分布,进而对岩体损伤阶段进行描述。结果表明,粉砂岩单轴压缩破裂可分为起始损伤期、损伤发展期、损伤加剧期、试件屈服期及试件断裂层剥离期五个阶段,其EMD能量熵主要能量所占优势频率分布情况呈现先往高频发展、再往低频发展的趋势。利用EMD能量熵能有效分辨岩样损伤过程中的声发射源信号特征,为评估岩体损伤变化奠定了基础。     

裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究

冲击地压等动力灾害是含裂隙结构面岩体破裂发育、成核的动态演化结果,借助声发射监测可精确感知破裂演化过程进而实现灾害的有效预警。测试不同加载速率下含平行贯通雁行裂纹砂岩声发射行为的全程动态时变演化规律,借助声发射三维定位重点分析裂纹扩展关键特征点处声发射时–空–频–非线性响应及其加载速率效应。结果表明:(1)裂隙砂岩裂纹扩展及声发射响应行为存在着明显的加载速率效应:随着加载速率增大,声发射计数峰值、多重分形谱宽度Δα及主频幅值均逐渐增大,Δf(α)和主频则逐渐减小,岩体破裂过程的动力显现及非线性特征也越来越明显,破裂模式也由剪切破坏过渡为张拉破坏。(2)裂隙砂岩受载全程中随着应力增大声发射计数、分形谱宽度Δα、主频幅值及低频成分占比逐渐增大,多重分形参量Δf(α)逐渐减小;特别在亚失稳阶段,声发射计数表现出多次"突增+平静"特征,频谱及多重分形参数表现出波动特性,可以根据声发射信号动态时变趋势和"突增+平静"特征对动力灾害做出临灾预警。(3)裂隙砂岩宏观裂纹起裂、扩展形成主破裂过程就是锁固体不断破裂的过程,每一次锁固体断裂均对应着宏观裂纹发育、应力突降、声发射计数高值响应、频谱及多重分形参数极值。基于微破裂演化成核多锁固体破裂理论定量地解释裂隙砂岩力学性质的加载速率效应及亚失稳阶段声发射信号几起几落的"突增+平静"前兆行为。     

钢管混凝土界面黏结破坏的声发射特征及时空演化机制

为研究钢管混凝土界面黏结 滑移的破坏机制,采用声发射(AE)监测系统对9个钢管混凝土试件的推出试验进行了声发射测试,获得了撞击计数、能量释放和频谱特征等AE信号特性。结果表明：荷载 滑移曲线可分为胶结段、非线性滑移段和滑移段。AE撞击计数率、能量释放率与黏结 滑移演化过程形成良好的对应关系。AE频谱特征中,胶结段的AE信号较少,其峰频和幅值分布带在0~80kHz和0~55dB区间;非线性初滑移段的AE信号不断增多,主要来自黏结界面中不断拓展的破坏裂纹,出现高频高幅值AE信号,其分布带集中于150～400kHz和60~90dB区间,非线性初滑移段中高频高幅值信号可作为界面发生黏结破坏的前兆信息;滑移段的AE信号较多,主要来自界面滑移摩擦,以低频低幅值信号为主,其峰频和幅值分布带集中于0～150kHz和0~60dB区间。AE信号源柱面定位结果揭示了推出试验下钢管混凝土界面黏结破坏裂纹从两端开始形成、逐渐向中部拓展的时空演化机制。     

北山深部花岗岩不同应力状态下声发射特征研究

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展北山深部花岗岩不同应力条件下岩石破坏的声发射特征研究。试验得到北山花岗岩的直接拉伸强度为9.53 MPa,仅为其单轴平均抗压强度的1/17。试验结果表明,在拉伸应力条件下,由于无原生微裂隙闭合过程,声发射事件出现时间较晚并集中出现于破坏阶段;峰值应力后,声发射信号的继续增加说明花岗岩并未立刻破断,而仍具有一定拉伸承载能力。在压缩应力条件下,初期加载阶段即有声发射信号出现并随加载应力增加而持续增长,反映原生裂纹闭合及新生裂纹扩展演化的过程;随着围压增加,花岗岩在峰值应力阶段延性变形特征显著增强,其内部裂隙(损伤)在该阶段渐进式发展,导致声发射事件的集聚量远高于其他阶段;同时,围压增加使北山花岗岩的非线性特征增强,特别是破坏前的显著延性变形特征与其他工程常见花岗岩特性具有明显不同。研究得到北山花岗岩在不同应力状态下的变形特征和声发射特征,为北山花岗岩在不同应力条件下损伤演化机制研究奠定基础。     

Rock burst process of limestone and its acoustic emission characteristics under true-triaxial unloading conditions

The rock failure process is associated with acoustic emission (AE). Hence, violent rock failure processes such as rock burst under different stress paths in laboratory can be studied using the AE monitoring technique. In this paper, single-face dynamic unloading tests under true-triaxial condition were carried out for Paleozonic marine sedimentation limestone samples produced by blocks cored from 1140 m depth in Jiahe coal mine of China. Frequency-spectra analysis was conducted for the full-wave AE data and figures showing the relationship of frequency–amplitude of AE signals in rock burst stages were obtained. The dynamical damage process and characteristics of limestone under the test condition are summarized. It is found from the fast Fourier transformation (FFT) analysis of the AE signals that there exist two main frequency ranges, i.e. lower (60–100 kHz), and higher (170–190 kHz), for the samples. When the limestone samples are under relatively lower stress, the AE signals are characterized by high frequency and low amplitude. As the stress increases, the AE signals tend to shift more towards a signature of high amplitude. Near the bursting failure of the rock samples, it is observed that there are much higher amplitude and lower frequency events. The AE accumulated energy release rapidly increases from the unloading state of the rock samples to its failure. The dynamic unloading test facility provides a useful tool to gain an insight into the characteristics of rock bursts.     

高温作用下花岗岩的声发射特征研究

 通过MTS810材料测试系统及AE21C声发射检测仪对山东临沂花岗岩在20 ℃～800 ℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力–应变之间的关系。研究表明：升温及加载过程中,花岗岩声发射振铃计数率随着温度升高而增大,声发射活动也变得更频繁;其声发射参量在400 ℃～800 ℃高温后与高温下有较大差别,高温后的声发射参量明显低于高温下,岩样内部裂纹较少以致高温后花岗岩的强度等力学指标要优于高温下;各温度段高温下声发射振铃累计数都要高于高温后,尤其在800 ℃时,两者相差超过1倍;800 ℃前花岗岩岩样主要呈劈裂和剪切破坏为主的脆性破坏,未出现强烈的塑性破坏;高温使储存的能量显著增多并加速能量耗散,能量的耗散和弹性能的释放使岩石的强度减小,宏观裂纹增多并最终破坏。     

花岗岩灾变声发射信号多参量耦合分析及主破裂前兆特征试验研究

 通过开展花岗岩单轴压缩声发射试验,提取花岗岩破裂过程声发射信号的能量、主频和主频幅值,分析花岗岩破裂过程中3种耦合关系：破裂尺度和能量、能量和主频幅值、能量和主频的关系。以能量为媒介,探讨破裂尺度和声发射信号特征(能量、幅值和主频)之间的对应关系,研究花岗岩破裂过程中不同破裂尺度对应声发射信号的演化规律,探索岩石破裂的声发射前兆规律。研究结果表明：花岗岩破裂过程中存在4种模式声发射信号：低频高幅值、低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值。花岗岩破裂过程中大尺度破裂声发射表现为低主频、高幅值和高能量的特征,对应低频高幅值声发射信号;小尺度破裂表现为低幅值和低能量,低、中和高主频共存的声发射特征,对应低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值3种模式声发射信号。中、高频低幅值和低频高幅值3种模式声发射信号,适合作为花岗岩破裂预测的主要信号源,前兆特征表现为：中、高频低幅值信号逐渐消失,低频高幅值信号出现,即出现中、高频低幅值信号平静,而低频高幅值信号不平静的现象。高频低幅值和低频高幅值信号的前兆响应系数为0.2,中频低幅值信号前兆响应系数为0.14,相比中频低幅值信号,高频低幅值和低频高幅值信号的前兆响应时间早,前兆响应能力较强。     

高温下盐岩的声发射特性试验研究

 利用MTS 810材料测试系统和AE21C声发射检测仪对受高温作用的喜马拉雅山盐岩在加温及加载过程中声发射的演变过程进行试验研究,分析其在20 ℃～600 ℃高温下以及高温后不同受力阶段的声发射特征。研究结果表明：加温过程中,50 ℃～400 ℃盐岩的声发射率较50 ℃时明显下降,超过400 ℃后随温度的升高盐岩的声发射活动越频繁。单轴压缩过程中,20 ℃～150 ℃时盐岩的声发射活动频率及强度随温度升高而增大,而在170 ℃～600 ℃其声发射率随温度升高而降低。170 ℃～400 ℃是盐岩自愈性得到充分体现的温度区间。在相同温度下,高温下盐岩的声发射活动弱于高温后。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

 以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论：(1) 在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2) 声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3) 每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4) 声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。       

不同含水率煤岩受压变形破坏全过程声发射特征试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层的无烟煤为研究对象,运用京岛AG–250kN刚性岩石试验机、数字式应变数据采集仪、声发射监测系统和自行研制的煤岩固–气耦合细观力学试验装置,进行不同含水率煤样在常规单轴压缩下的声发射特征试验。结果表明,含水率的不同使煤样的强度和声发射特征产生明显差异,随着含水率的增加,煤样的单轴抗压强度逐渐减小。干燥状态的煤样强度较大,整个破坏过程中的变形较大,弹性变形阶段持续时间较长。在密实阶段,不同含水率的煤样几乎没有出现声发射信号,干燥状态的煤样只出现少量的信号且基本没有变化,干燥状态的煤样声发射平均事件率为不同含水率煤样的4～10倍。进入弹性阶段后,不同含水率的煤样和干燥状态的煤样的声发射事件率均比较稳定,声发射平均事件率相差不大,但干燥状态的煤样声发射事件率持续时间更长。进入塑性阶段,不同含水率的煤样与干燥状态的煤样的声发射信号均明显增大,与弹性阶段相比,煤样的声发射平均事件率是弹性阶段的5～7倍。进入破坏阶段后,不同含水率的煤样声发射事件率低于干燥状态的煤样。含水量增加使声发射累积振铃计数减少,同时使产生明显声发射的时间滞后,试验结果表明水对煤样的力学特性和声发射特征有明显影响。