煤单轴压缩破坏过程声发射特征分析

声发射是监测煤岩动力灾害的重要手段,为研究煤岩破坏过程中声发射特征,采集了煤岩单轴压缩破坏过程声发射信号,提取了声发射的振幅、振铃计数、事件数和能量等参数,分别使用线性拟合和幂函数拟合分析了声发射参数对应力水平变化规律。研究结果表明,声发射信号参数变化可以将煤样变形失稳破坏声发射分为4个阶段;声发射参数与应力状态的指数函数拟合效果优于线性拟合,声发射传统参数与应力状态满足非线性关系,事件数与应力水平相关性最好。研究结果对提高声发射在煤岩动力灾害预警中应用效果有着重要的意义。     

川东北砂岩单三轴压缩过程中应力-波速变化规律的试验研究

为能够利用声波测井资料对岩石的力学参数进行反演,选取代表性埋深砂岩,对单三轴压缩过程中的应力-纵波波速之间的变化规律进行了研究,对不同围压下,压缩过程中的波速变化规律进行了比较。结果表明,在轴向压缩过程中,砂岩纵波波速显著增加,砂岩单轴抗压强度与纵波波速之间存在一定关系。砂岩压缩过程中,在低围压下波速变化相对明显;高围压下波速变化相对较小,在偏应力较小时,波速与应力基本为线性关系,当偏应力达到一定数值时,波速稳定在某一定值,即曲线出现水平渐近线。     

单轴压缩条件下砂岩的声热效应特征研究

在单轴压缩条件下对鄂尔多斯盆地煤系地层中的中砂岩、细砂岩、粉砂岩进行声发射 （ＡＥ）和红外辐射测试,分析加载过程中应力、声发射能量、平均红外温度（ＡＩＲＴ）与时间演化特 征,研究不同颗粒砂岩在破裂过程中的声热效应特征。 结果表明:同种砂岩不同区域ＡＩＲＴ在压 密弹性阶段走势相同,在塑性及破坏阶段走势并不一致,总体呈波浪下降趋势,且砂岩中部的温 度均高于上部和下部;不同砂岩破坏时温度变化与能量积聚、耗散状态相关,表面整体ＡＩＲＴ变化 呈现波浪下降趋势;ＡＥ刚开始不明显,塑性阶段后期ＡＥ由相对平静状态进入突增状态,峰后仍 有大量ＡＥ现象;红外辐射的前兆要先于ＡＥ,中砂岩的红外预警时间平均比ＡＥ提前２０*５３３ｓ, 细砂岩提前６*５１６ｓ,粉砂岩提前６*４ｓ,ＡＥ敏感性要高于红外辐射;砂岩的声热效应与颗粒大小 密切相关,颗粒越大,声热效应越明显,依次为中砂岩、细砂岩、粉砂岩。     

砂岩在单轴压缩条件下的声发射特性研究

对云南南坡铜矿两种砂岩进行了单轴压缩试验, 并利用SDAES型数字声发射仪测试了加载过程中的声发射活动。结果表明, 岩石的变形与声发射活动存在较好的对应性; 声发射活动也受岩石各向异性的影响。第一组砂岩各向异性较为显著, 试样垂直层理加载时, 弹性模量明显小于平行层理加载时的弹性模量, 强度明显大于平行层理加载时的强度, 声发射也较平行层理加载时更为活跃。第二组砂岩试样的试验结果与此类似, 但其岩石各向异性不显著, 垂直层理加载和平行层理加载时岩石的弹性模量、强度及声发射相差均相对较小。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

原煤劈裂和单轴压缩破坏声发射特性实验研究

对劈裂和单轴压缩条件下原煤损伤破坏全过程的声发射特征规律进行了对比研究。研究表明,单轴压缩破坏时,加载初期声发射信号较少;在弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射信号呈剧烈增加趋势;声发射能量和声发射脉冲数在破坏阶段达到最大值。劈裂试验时,在裂纹的加速非线性弹性变形阶段开始产生声发射信号;声发射能量和脉冲数在破坏阶段达到最大值;但是与单轴压缩相比,劈裂试验下声发射信号出现较晚,声发射能量较低,脉冲数较大;未观察到与单轴压缩实验类似的"裂隙压密"阶段声发射脉冲数较高的现象。     

单轴压缩下煤岩损伤演化及声发射特性研究

声发射是研究煤岩损伤演化的重要手段,通过开展煤岩单轴压缩声发射试验,分析了其微观裂纹演化规律,结果表明：(1)煤岩损伤演化前期为压剪破坏,后期为竖向和剪切组合破坏;当声发射参数RA（上升时间/振幅）与AF（平均频率）比例为1:70时,煤岩剪切裂纹占比大于拉伸裂纹,两者相差6.4%。(2)通过RFPA数值模拟,煤岩破坏前期主要为压剪破坏,后期拉伸破坏线性增长,压剪破坏线性减小,最终压剪破坏累计声发射事件数大于拉伸破坏,两者相差6.1%。(3)对比室内试验与数值模拟,验证了模拟结果的可靠性,为煤岩稳定性监测预警提供一定参考。     

不同加载速率下砂岩的单轴压缩试验力学特性及能量演化规律

从能量的角度出发,通过单轴压缩试验和单轴分级加卸载试验分析了砂岩在破坏过程中能量积聚和耗散的特点,并定量分析了弹性能和耗散能之间的关系。研究结果表明：( 1 ) 不同试验条件下,砂岩试样都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段4个阶段,随着加载速率的增加,弹性模量和峰值强度也呈现增加的趋势;( 2 ) 砂岩试样在各个阶段内都存在弹性能和耗散能,整体随加载速率的增加呈非线性增长的关系,弹性能和耗散能相互抑制的阈值为20 MPa,20 MPa之前,弹性能对耗散能抑制作用明显,20 MPa之后,耗散能对弹性能抑制作用显著;( 3 ) 单轴分级加卸载试验下,试样因疲劳损伤和裂纹界面摩擦产生的塑性变形对弹性能无影响,表现为加卸载曲线的逐渐右移,吻合单轴压缩试验对应弹性能的同时,证明了本研究方法的合理性。     

煤岩单轴压缩破坏PFC2D数值反演模拟研究

煤岩材料作为一种天然非均匀不连续材料,实验室里很难获得其可重复性实验结果.文章基于PFC2D离散元软件,采用数值实验反演煤岩材料参数,得到煤岩材料变形破坏的主控参数.利用软件模拟煤岩单轴压缩变形破坏过程,对比数值模拟结果和实验室实验结果,验证了数值反演模拟对于研究煤岩类天然材料变形破坏的可行性数值模拟结果,可以为工程实际应用提供理论及数据支持.     

砂岩单轴压缩破坏的临界慢化特征

为了从临界慢化的角度研究岩体破裂失稳产生的声发射信号特征,进行了砂岩单轴压缩实验。基于临界慢化原理,对砂岩单轴压缩破坏产生的声发射信号进行了处理分析,结果表明:在整个加载过程中,砂岩破坏产生的声发射信号呈现出明显的阶段性特征;不同的窗口长度、滞后步长对于表征砂岩破坏临界慢化临界点的自相关系数及方差的波动稳定性有影响;可以将砂岩加载破坏过程中产生的声发射计数自相关系数、方差的突然增大作为砂岩破坏的前兆特征,相对于自相关系数而言,方差更具明显性,且前兆点无论是在时间上还是应力上都达到了总时间及应力峰值的80%以上,具有较好的时效性。     

单轴压缩下破裂岩样强度及变形特征

巷(隧)道围岩的显著特点为破裂后承载,破裂围岩强度及变形特征的正确评价对其围岩稳定控制意义明显。以从已破坏返修段巷道现场采集的破裂岩样为研究对象,根据其现场多处于近似零围压或低围压的应力环境,借助MTS伺服试验机对其单轴压缩下再破坏时的强度及变形特征进行系统研究。结果表明:破裂面对岩石的峰值强度产生明显的影响,对残余强度无直接决定性的影响;破裂岩样全应力-应变曲线总体可分为单峰型和多峰型2类;破裂面对岩石的割线模量及泊松比、峰值轴向应变影响不明显,但对峰值环向及体积应变影响明显;破裂岩样破裂面扩展过程及最终的破坏模式与原主破裂面的角度有关,主破裂面与加载方向近乎平行时,多发生竖向劈裂破坏,当两者垂直时,多发生竖向劈裂与横向主破裂面贯通破坏,其他情况大多发生竖向劈裂与剪切组合破坏模式;破裂岩样表面破裂面分布具有明显的分形特征,且其单轴压缩峰值强度与其表面破裂面盒维数两者之间总体符合线性单调减函数关系。     

不同层理煤破坏过程声发射RA-AF特征研究

为研究不同层理煤破坏声发射RA-AF特征,开展了0°、30°、60°、90°层理夹角煤单轴压缩破坏试验,同步采集了煤体力学和声发射数据,分析了RA-AF特征与裂纹扩展模式的关系。结果表明:第Ⅰ和第Ⅱ阶段,声发射计数水平较低,第Ⅲ阶段,计数值逐渐增加,在第Ⅳ阶段,α=0°和60°时,声发射计数更多,峰值较高;α=0°和90°时,张拉破坏占比分别为58.44%和58.06%,裂纹以张拉破坏为主;α=30°时,张拉剪切破坏占比相当,裂纹表现为张剪复合破坏;α=60°时,试样剪切破坏占比68.14%,裂纹以剪切破坏为主。     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了砂岩在单轴压缩条件下应力-应变全过程的声发射特征以及加载速率对其的影响。获得了岩石轴向应力与轴向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线,以及全应力-纵向应变过程曲线中4个阶段的声发射特征;在初始压密和弹性阶段,声发射撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;在应变硬化阶段,撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;在应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。由于岩石每个变形阶段具有不同的声发射特征,因此,可用声发射来表征岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。另外,随着加载速率的提高,岩石裂纹扩展速率会加快,损伤加大,从而产生更多的声发射;但峰值处释放能量的最大值呈递减趋势,产生强烈声发射的应变值变小。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的声发射特性离散元模拟

采用离散单元法研究了横观各向同性岩石在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程及声发射特性。结果表明：由于层面倾角的变化,导致横观各向同性岩石破裂过程具有不同的声发射特性。声发射特性与应力存在一定的耦合关系。且声发射空间响应集中在两种岩石的交界面上。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。裂纹的萌生位置和扩展模式直接决定了岩体的最终破裂形态。     

单轴受压条件下煤岩非均质性对其破坏特征的影响

以忻州窑14号煤为研究对象,基于波速测试、CT扫描和三维重构技术,分析了煤岩内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布的非均质特征,研究了单轴受压条件下,沿不同方向加载时,煤样内部结构分布的非均质性对煤岩破坏特征的影响。研究发现,煤样内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布方向的非均质性是造成不同加载方向上煤岩破坏特征差异性的原因:煤样内部原生裂隙、矿物夹杂沿层理方向分布和延伸,造成沿垂直层理加载煤样的单轴抗压强度、总声发射计数等参数的均值高于沿平行层理加载的煤样;割理的横向截割作用使沿垂直割理加载煤样整体性低于沿平行割理加载煤样,并造成其单轴抗压强度,总声发射计数等参数的均值以及加载过程中声发射现象的规律性略低于后者;煤样单轴抗压强度与纵波波速呈指数函数关系,煤样内部非均质性对其单轴抗压强度的影响可由非均质系数表示,且2者呈负相关。     

类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的相关性

类岩石锚固体声波波速与其强度特性的研究较少,针对类岩石锚固体试样制作的特殊性,结合室内单轴压缩试验,利用声波测试技术分析类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的关系特点.无论标准试样有无锚固或相似原料配比变化,纵波波速增大,单轴抗压强度也相应随着增大.锚杆轴向布置和横向布置均能提高试样的单轴抗压强度,但提高的幅度很相近,这可以通过两种加锚方向的试样纵波波速变化不大来反映.对比类岩石锚固体试样单轴抗压强度随试样密度和纵波波速的变化关系,纵波波速的影响更显著.     

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80 dB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...     

含层理岩石单轴损伤破坏声发射参数及能量耗散规律

层理构造普遍存在于煤矿地下矿柱岩体中,对其稳定性造成一定的威胁。通过含层理及均质岩石试件单轴压缩实验和CT层析扫描测试,分析了含层理岩石破坏特征,损伤演化过程中的声发射参数特征、能量耗散与传递规律,根据改进后的Duncan模型建立基于声发射、能量耗散参数的单轴损伤破坏模型。结果表明:均质岩石试件整体失稳的主要原因为纵向拉伸破坏,含层理试件宏观主裂纹为单一剪切破坏形式,具有明显的剪切破碎带,层理的软弱结构面会在一定程度上削弱矿柱的承载能力;含层理构造岩石试件失稳破坏主要发生在塑性变形阶段(cd),对应于AE剧烈期,耗散应变能出现明显的起伏波动,轴向荷载60%σ_c~σ_c区间内,63%t_c~t_c时间阶段内;而均质岩石试件的失稳性破坏预测的重点在屈服点前后时间区间内,该区间内耗散应变能的趋势为缓慢下降(屈服点c前)→上升(屈服点c后)→骤增(破坏点d)。建立基于声发射和能量耗散参数的单轴损伤破坏模型,对于含层理试件理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为8.2%和9.5%;均质试件的理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为18.4%和19.3%。     

单轴压缩下混凝土孔洞内壁表面电位特征

通过建立的孔洞混凝土表面电位测试系统,测试了含孔洞混凝土内壁单轴压缩下的表面电位变化特征。结果表明,混凝土在受载破坏过程有表面电位产生,载荷前期表面电位随载荷的增大而增强,载荷增长越快,电位幅值变化越大;电位信号变化较载荷具有超前性,混凝土主破裂时电位波动最剧烈;电位信号的突增和电位幅值增长率的突变可作为孔洞混凝土破裂的前兆特征。通过对孔洞混凝土内壁表面电位的研究,加深了对孔洞混凝土破坏微观机理的认识,为将来用表面电位技术监测巷道及隧道围岩的稳定性做了基础性实验研究。