基于声发射概率密度函数固废胶结充填体损伤分析

固废胶结充填体是保障矿山安全回采的关键承载结构,为探究其实际承载损伤破坏过程,在RMT-150C岩石力学测试系统上对不同粗骨料含量的4组胶结充填体试样进行了单轴压缩与循环载荷下的声发射试验。结果表明：循环载荷下,4组试样均具有显著的Kaiser效应,且含块石的3组试样声发射事件数更丰富,峰值应力前达到了纯尾砂试样的152%、225%和300%。同时,利用声发射概率密度与承载应力水平间的关联性,得到了4组不同块石含量胶结充填体的声发射概率密度方程,通过声发射概率密度函数实现了声发射参数量化分析胶结充填体承载损伤过程。对比损伤变量-应力水平曲线可以看出,块石的加入能够有效减缓并抑制前期损伤,当块石含量为20%时,效果最好。     

块石对充填体强度特性及损伤演化的影响

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩试验,研究块石对充填体不同承载阶段变化规律的影响。对比应力-应变关系曲线,发现块石的加入有利于提高充填体抗压强度,延迟应力峰值出现。利用试验测试结果得到损伤本构模型表达式和损伤演化方程表达式。分析损伤变量-应变关系曲线可知,块石的加入有利于减缓损伤变量的增长速率,并对提高残余承载能力具有显著效果。     

块石含量对充填体残余承载阶段损伤演化影响研究

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩实验。试验结果显示了不同块石含量胶结充填体承载过程中残余承载阶段应力-应变变化关系。利用损伤力学理论建立了不同块石含量的损伤本构方程及损伤演化方程。对比损伤-应变关系曲线,发现随着块石含量的增加,块石胶结充填体应力峰值所对应的损伤值逐渐增加。分析认为,块石含量对充填体试件残余承载阶段的损伤增长速率的影响规律是块石含量较低（10%、20%）时加速损伤增长,块石含量较高（30%）时抑制损伤增长。     

循环荷载作用下胶结充填体声发射特征试验研究

随着开采深度的增大,采场地压显现日趋严峻。胶结充填体作为充填采矿法中采场的重要结构单元,对维护采场稳定具有重要作用,因此了解认识胶结充填体在外界荷载作用下的响应特征具有重要的意义。通过进行单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加载阶段的声发射特征,以及声发射“平静”期的分形特征。结果表明:胶结充填体存在明显的压密阶段。在压密阶段初期,声发射能率较大。而后随着应力的增大,声发射能率又逐步降低,并最终维持在较低的水平;在弹性阶段,声发射事件率和能率随应力的增大而增大,并且声发射事件率普遍大于其余加载阶段;在加载应力达到胶结充填体峰值应力前,声发射会出现“平静”期。在此时期,声发射能率出现剧烈波动,且声发射分形维数是不断减小的;试验中,下级加载声发射能率大于上级加载,并且声发射能率对充填体损伤程度的敏感性大于声发射事件率。      

循环载荷下块石胶结充填体声发射特性研究

利用RMT-150C岩石力学试验系统和PCI-2型声发射采集系统,对灰砂比为1∶4的纯尾砂充填体与块石作骨料的胶结充填体在不同幅值循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行了研究。试验结果显示：含块石充填体在循环载荷下损伤破坏过程声发射信号较纯尾砂充填体更加丰富,且均表现出在加卸载应力幅值为80%的阶段声发射活动最为平静的共性。试验数据处理结果表明：充填体Kaiser效应的有效应力区间为相对应力水平低于70%,超过这一区域后,Kaiser效应失效,Felicity效应显著。     

循环载荷下胶结充填体损伤声发射表征

胶结充填体是充填采矿法应用的关键部分,其稳定与否是充填采矿成功实施的基础和前提。实际采矿活动对充填体产生一种循环重复的加卸载扰动,通过研究循环加卸载作用下充填体损伤破坏过程的声发射特征,探求充填体的损伤演化机理,可为充填体声发射监测技术提供基础性依据。本研究利用RMT-150C电液伺服系统和PIC-2型USB数字多通道声发射仪对灰砂比为1∶4的4组试样进行多级加卸载试验,模拟充填体实际所处应力环境。通过对试验过程系统接收到的声发射信号分析处理后,发现了循环载荷下胶结充填体的损伤演化具有3个不同阶段特征;同时用经过声发射参数量化后的损伤值表征充填体的损伤,为充填体稳定性监测技术的建立提供数值依据。     

尾砂胶结充填体声发射特征的分形分析

对取自某铜矿的尾砂按不同配比制备尾砂胶结充填体试样,在单轴压缩条件下,进行尾砂胶结充填体破坏全过程声发射试验,通过对声发射基本参数序列进行理论分析,证实了充填体的声发射过程具有分形特征,并采用＂G-P算法＂计算了能率时间序列的关联维数.结果表明：低配比（1∶8）试样的关联维数在应力水平为60%时突降到最低,结构内部裂纹扩展开始变得有序,并呈宏观态势发展;高配比（1∶4）试样的关联维数是逐渐降低的,在峰值破坏时降到最小.此外,关联维数的＂突降→平静＂和＂持续降低＂两种模式可分别作为两种配比的充填体现场稳定性监测、预报的前兆判据.     

砂岩单轴压缩下声发射特征与损伤演化

为获取钨矿砂岩矿柱岩石破坏过程中声发射特性及损伤演化规律,对其进行单轴压缩条件下同步测试应力-应变曲线、声发射参数-时间变化曲线的室内声发射试验,通过分析声发射参数与应力变化关系,并试用声发射振铃计数、能量计数来表征岩石损伤。结果表明:该岩石的声发射分布可分为三个不同阶段;第Ⅰ阶段为相对平静期,振铃计数较小、幅值较小,能量释放值较低;第Ⅱ阶段为活跃期,声发射活动分布逐渐密集,但大多数信号值都处于低级别水平,岩石仍处于稳定阶段;第Ⅲ阶段为失稳前兆期,振铃计数、幅值均值和弹性能释放迅速增大,且分布更为密集,出现多个峰值,峰值处都对应着应力-应变曲线上的拐点,岩石失稳时各声发射参数都达到最大值。用声发射振铃计数或能量计数能较好的反应岩石内部的损伤演化过程。     

单轴加载条件下砂岩声发射特性分析

通过单轴加载条件下砂岩破裂过程的声发射试验,采集了砂岩变形各个阶段的声发射信号,得到了应力-时间-累计振铃计数、应力-时间-声发射事件率曲线.结合应力-应变曲线,对整个破坏过程中的声发射信号特征参数进行了分析,同时采用快速傅里叶变换,对其中按时间序列选取的110个声发射信号进行了频谱分析,得到了声发射信号对应的主频,对主频随应力的变化情况进行了分析.结果表明:在峰值强度50%之前,主频随压力随机变化,在峰值强度50%之后主频有降低的趋势,且主频主要集中在140~180 kHz之间.     

拉伸试验中充填体声发射特性及数值模拟研究

下向胶结充填采矿过程中, 胶结充填体顶板的破坏不仅受抗压强度的影响, 而且还表现为张拉破坏, 为了充分探索充填体顶板张拉破坏过程中的损伤演化规律, 对胶结充填体试件进行了单轴抗拉破坏声发射试验, 并利用RFPA2D软件对其拉伸破坏过程及声发射信号进行了数值模拟.模拟分析表明, 胶结充填体的抗拉破坏是始于试件圆盘中部, 沿着加载轴线方向出现裂隙萌生与扩展, 并汇聚成宏观的裂隙带, 最终导致整体失稳的破坏过程.模拟结果还再现了抗拉破坏时声发射的分布规律, 其结果对比室内试验的声发射特征规律, 具有很好的一致性.      

砂岩单轴压缩变形规律及声发射特性

为准确确定岩石岩爆倾向性,对砂岩进行单轴压缩条件下声发射检测试验,研究岩样单轴压缩变形规律与声发射特征.对荷载-变形曲线、AE参数进行统计分析,结果表明,压密阶段和线弹性阶段声发射振铃计数较少,累积能量曲线十分平缓,释放弹性应变能较低,从塑性变形阶段开始,AE活动频繁,累积能量呈指数级释放,损伤加快,声发射类型由之前的突发型变为连续型,应变曲线拐点处,往往出现AE参数峰值.分别对AE振铃计数、累积能量和岩石损伤进行监测分析,能较准确判断砂岩岩爆倾向性.     

单轴压缩下不同尺寸充填体能量损伤演化特征试验研究

对4种不同尺寸（40,70.7,100,150 mm）的充填体试件进行了室内单轴压缩试验,研究了尺寸变化对充填体能量演化规律和损伤破坏机制的影响,并得到了基于弹性能耗比的充填体破坏前兆判据。研究结果表明：单轴压缩下不同尺寸充填体的能量演化规律相似,体现为峰前以弹性应变能积蓄为主,峰后耗散能占比不断上升并迅速超越弹性应变能;随着试件尺寸的增加,充填体在峰值应力处总输入应变能、弹性应变能和耗散能均呈非线性下降趋势;根据耗散能曲线,可将充填体能量损伤演化过程划分为初始损伤、损伤加速、损伤稳定发展和损伤破坏4个阶段;试件尺寸越大,弹性能耗比K值变化幅度越大;弹性能耗比K值曲线整体先上升后下降,持续到一个较低值,在临近峰值应力处再转为上升。弹性能耗比K值曲线的这一变化规律可作为充填体临界破坏前兆特征。