岩石变形破坏过程中的能量传递和耗散研究

岩石变形破坏的过程是和外界产生能量交换的过程.从理论上分析了用能量方法研究岩石破坏问题的合理性,以及岩石在变形过程中弹性能、塑性能、表面能、辐射能、动能之间相互转化的过程、计算原理、以及对岩石破坏所起的不同作用.并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中岩石能量耗散与释放问题.在宏观上,岩石变形前期以弹性应变能的方式存储外界提供的能量,同时又通过损伤演化等向外界耗散能量;变形的后期以剧烈的能量释放为主.微观上,存在多种引起岩石应变硬化和应变软化的机制,岩石存储能量还是向外界释放能量取决于这些微观机制竞争的最后结果,基于此推导了岩石变形中能量的传递方程,用试验研究了能量的转化和平衡,以及耗散能和释放能之间的比例关系.结果表明能量耗散导致岩石强度的降低,而能量释放是造成岩石灾变破坏的真正原因.从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,可以从本质上把握岩石变形和破坏的物理机理,寻找岩石破坏的真正原因,为实际工程提供参考.     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究 （研究生论坛）

利用 MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行了单抽加卸载试验,得到了岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并且从能量与声发射的角度研究了纯岩盐变形破坏过程的基本特征。通过研究表明,岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个实验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个实验过程中,弹性应变能占的比例非常的小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率便大量产生,而后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定地且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

基于声发射事件b值变化规律的岩石破坏前兆识别及其局限性

利用多道声发射采集系统记录了不同岩性的岩石试件变形破坏过程中的AE全波形,由扫描算法求得试件变形全过程的声发射b值动态曲线.声发射b值在岩石加载前期和中期阶段b值总体呈上升趋势,上升过程中有不同程度和次数的起伏,到岩石接近破坏时,b值迅速降低.但是,声发射b值的下降并不一定代表岩石即将失稳破坏,仅依靠声发射频率和强度参数并不能完整准确地反演岩石内部结构,也不能实现对岩石失稳破坏的预测预报.岩体的动力失稳破坏的机理异常复杂,要实现准确的预测预报,应对声发射信号所包含的信息进一步挖掘,并对比分析其它岩石状态参数的变化规律.     

岩石材料破裂过程中声发射信号的应力状态及能量演化研究

岩石受载破裂过程中能量不断积累和释放,而岩石材料非均质性等细观组构特征对其破裂产生的声发射具有显著影响.通过岩石力学试验建立不同非均质、非均匀岩石强度和能量参数的评价方法,分析了不同非均质性岩石的声发射特征与应力状态和能量水平之间的关系.研究表明：岩石在不同应力阶段有不同强度的成分发生破裂,不同应力水平所产生的声发射信号由不同成分的破裂所致;岩石破裂损伤后,剩余能量与总能量、能量降有关,声发射监测到的弹性波能量是能量降的一部分,此能量降与应力状态及材料特性有关;将粉砂岩细分为均质且均匀、不均质而均匀、不均质且不均匀三类,不同非均质、非均匀程度的岩石在不同应力状态下破裂及能量释放情况不同,其中均质且均匀的岩石强度和蓄能水平最高.建立的基于声发射的应力状态和能量水平判别理论可应用于工程中微震监测数据分析,为识别矿山开采过程中区域煤岩体临界状态与超前预警提供了理论基础.     

岩石声发射特征的分形分析

通过岩石单轴压缩声发射实验，利用G-P算法计算了不同应力水平下的声发射时间序列的关联维数。研究发现关联维数值随相空间维数m的增大而增大，当m较大时趋于稳定。实验发现多数岩样在应力水平为极限应力的60％以前，分维值呈增大趋势。当达到破坏应力时，分形维数降低到一个最小值。这表明岩石声发射关联维数的变化反映了岩石内部损伤演化情况，分形维数的降低意味着主断裂或破坏的发生。     

岩石变形破坏过程的光纤光栅传感检测方法研究

为探索岩石变形破坏过程的新检测方法,研究了光纤光栅表面粘贴法在岩石单轴压缩实验中的应用.将裸露的光纤光栅分别沿试件的轴向和环向进行粘贴封装,并在同一位置粘贴应变片以对比结果,在MTS伺服机上进行单轴压缩实验,对加载过程中峰前阶段的轴、环向应变变化进行检测研究.结果表明,光纤光栅测试效果明显优于应变片,沿轴向方向与MTS位移计精度相当,相对误差仅为2.8%;环向测试优于MTS的环向应变计。光纤光栅表面粘贴法可以用于岩石的单轴压缩实验,通过应变传递换算后可以实现与MTS相当的测试精度。这对于提高岩石变形检测水平,实现在线监测具有重要意义.     

冲击矿压危险性评价的地音法

岩石的声发射与岩石在载茶作用下的破坏程度有关,声发射的较在张持续时间长说明同岩体平衡状态的变化和危险性的变化－－危险性增加或降低。根据此原理可对冲击矿压危险性进行评价和预报,冲击矿压危险性评价及预报指标可选用８个与开采有关的参数,根据这些参数的偏差值,来预报冲击矿压的危险,进而提出了冲击矿压危险性评价及预报的地音法,实践证明,这种方法可靠、有效。     

三轴应力下盐岩声发射特征研究（研究生论坛稿件）

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI–2声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展不同围压下盐岩的三轴压缩声发射定位试验,探讨盐岩轴向加载过程中声发射特征的围压效应。研究结果表明：盐岩AE定位点多少与振铃计数率大小、能率高低具有良好的一致性。声发射高计数、高能率、定位点集聚段等随围压增加而滞后。低围压下,盐岩发生剪切破坏,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要出现在屈服阶段和峰值应力前阶段;高围压下,盐岩呈塑性大变形特征,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要在峰值阶段及峰后阶段出现。围压增加,累计计数和定位点的总量呈减少趋势;最大能率和累计能量随围压增加而减小,5MPa约分别为30MPa的43倍和22倍。     

煤岩体中弹性比能分布的有限元计算分析

冲击地压发生的前提是矿山井巷和采场周围的煤岩体中储存了足够的弹性能．摸清围岩体中弹性能的分布规律是有效地进行冲击地压预测预报的前提，文中探讨了井巷和采场围岩体处于弹塑性变形状态下其弹性比能的计算方法，提出了用有限元法分析计算处于弹塑性变形状态下的煤岩体中弹性比能分布的理论与方法，以及产生冲击地压的弹性能判据．结果表明，蝶层巷道两帮煤体中弹性比能的最大值与采深的平方近似成正比，与其弹性模量近似成反比．对鲁村煤矿2217区段运输平巷的具体条件进行的有限元计算分析表明，该巷道不满足产生冲击地压的条件，与现场实际情况相吻合．     

隧道掘进机在我国应用的进展

为了研究隧道掘进机（tunnel boring machine,TBM）滚刀破岩试验过程中的声发射特征,采用北京工业大学自主研制的大型机械破岩试验平台并结合声发射监测技术进行试验.试验中利用常截面盘形滚刀,对北山花岗岩进行不同贯入度下的线性切割破岩试验,并采集试验过程中的声发射信号.分析声发射能率与能量特征,对信号进行小波去噪处理后,利用Geiger算法给出岩石损伤的声发射定位.研究发现：声发射能率与滚刀法向力具有相近的变化趋势;声发射能量随贯入度增大而增加,可用于表征滚刀切削岩石所消耗的能量;声发射定位点大致描述损伤的分布范围,较好地反映出岩石在滚刀切割作用下损伤积累到形成岩片的过程.

     

大理岩破坏起裂应力及断裂能特征试验研究

根据大理岩常规三轴试验数据,探讨不同围压下大理岩破坏的起裂应力和起裂断裂能变化规律.大理岩起裂应力位于峰值应力的53％～76％之间,随围压升高向峰值强度逐渐逼近.起裂断裂能与围压、峰值强度呈正线性关系.起裂应力对应的声发射能量计数率出现突跳,起裂点之后声发射能量计数率和累计释放能量增加速度明显变快,理论计算求得的起裂点和声发射监测数据吻合较好.大理岩常规三轴破坏符合Mogi-Coulomb强度准则.     

单轴压缩条件下花岗岩声发射事件空间分布的分维特征研究

基于声发射事件空间分布的柱覆盖分形模型,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射（AE）三维定位实时监测系统,对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究。结果表明,声发射事件随应力增加逐渐活跃,加载初期声发射数量较少,应力接近峰值强度时,声发射事件累计数曲线呈指数上升。声发射事件的空间分布随应力增加是一个降维过程,其空间分维D在3~2内变化,峰值强度时,其值最小。弹性阶段后期,岩石内部微破裂开始向破坏面集聚,声发射空间分维D下降幅度明显增大。声发射空间分维恰当地表征了声发射事件空间分布的复杂程度。研究结论揭示了岩石声发射事件空间分布的分形特征,室内试验结果与文献对岩爆研究结果相吻合,可为现场监测应用提供理论指导。     

基于声发射技术的高韧性水泥基复合材料开裂损伤特性

研究了同等抗压强度等级的普通混凝土和高韧性水泥基复合材料的抗弯拉力学性能,采用声发射(AE)技术对比检测和分析了二者在三分点弯曲荷载作用下的开裂损伤规律。力学测试结果表明,高韧性水泥基复合材料具有较高的抗弯拉强度和应变硬化能力。AE检测结果表明,随着普通混凝土强度的增大,AE信号幅度增大,但其AE事件总数增长规律和幅值分布规律与强度无明显关系;高韧性水泥基复合材料AE信号的幅值和分布密度均比同等抗压强度等级的普通混凝土小;普通混凝土试件的断裂过程区主要集中在断裂面附近,而高韧性水泥基复合材料基本已覆盖了整个纯弯段,在细密裂缝的扩展过程中高强纤维对裂尖能量进行了有效的吸收和传递。     

单轴压缩作用下岩石混凝土一体两介质体破裂过程数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统,结合实验室试验对岩石混凝土一体两介质体单轴压缩作用下的破坏过程进行了数值模拟研究,其模拟结果再现了岩石混凝土一体两介质体破坏的全过程及其声发射分布规律。结果表明:一体两介质模型表现为一体特性,强度低的混凝土材料首先出现裂缝,裂缝逐渐扩展穿越混凝土与砂岩两种介质的界面,两介质协同横向变形,最终一起破坏。