水对花岗岩受力灾变声发射主频特性的影响

通过对干燥、自然、饱和3种状态下的花岗岩进行单轴压缩试验,并对加载过程中的声发射信号进行同步监测,分析了3种不同含水状态下岩石受力灾变的声发射信号主频变化特征,结果表明:不同含水条件下花岗岩加载至破裂全过程的声发射信号主频区间为0~110kHz,绝大部分信号的主频值集中在35~65kHz及15~25kHz频带区间;花岗岩加载过程的声发射主频演化可分为3个阶段,水会对各个阶段的声发射信号主频特性产生不同的影响;岩石失稳破裂前,声发射主频值由密集分布转向稀疏分布,35~65kHz的主频数量骤减,超低频值及高频值开始大量出现,可以认为是岩石受力灾变的前兆信息。     

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。     

不同含水状态砂岩分级加载蠕变变形特性研究

针对矿山开采过程中矿柱在长期地应力作用下发生的蠕变破坏受其含水状态影响的问题,利用岩石蠕变-冲击试验机,开展了干燥、饱水和浸水状态下的砂岩分级加载蠕变试验。超声波特性能够反映岩石 内部结构和力学特性,因此基于超声波测试分析含水岩石蠕变过程中的声学特性,探索水对岩石力学特性弱化作用机理;研究含水状态对岩石蠕变破坏特性的影响,揭示含水矿柱蠕变破坏前兆和时间规律。基于干燥 和饱水砂岩分级加载蠕变过程超声波测试,讨论了加载过程中超声波波速、主频和幅值的变化规律。结果表明：随着应力水平增加,干燥和饱水砂岩的主频及幅值都在降低,出现“频率漂移”现象,砂岩饱水后表现 出低通滤波特性;与干燥状态下的砂岩相比,饱水状态使其损伤量增大。初始含水状态影响蠕变变形量和变形速率,浸水砂岩和饱水砂岩破坏的时间和应力水平低于干燥试样;试样破坏前都有蠕变应变从缓慢增大到 急剧增大的一个拐点,蠕变应变过了拐点后0.5 h之内试样破坏。干燥、浸水和饱水岩石蠕变破坏模式分别为X型破坏、整体破碎为多块和沿轴向张拉破坏。     

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。     

含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究

为研究分析在高地应力条件下,含水率对泥质粉砂岩损伤劣化和变形破坏规律的影响,据此在15、25和35 MPa的高围压下,通过对干燥、二种自然含水、自然饱水和强制饱水5种不同含水状态的泥质粉砂岩进行三轴压缩试验,研究岩石受到水岩作用对岩石强度、变形特性及其损伤、破坏的影响。研究结果表明:随着含水率的增大泥质粉砂岩的强度、变形特性和破坏模式等损伤劣化规律明显;基于Weibull分布,利用峰值强度和弹性模量,结合含水率与岩石损伤本构模型参数之间的关系,从而建立了可以反映多条试验曲线的统计损伤本构模型。所建立的统计损伤本构模型与试验曲线大致相吻合,可以较好地反映高应力下条件下水岩作用下岩石的水化损伤破坏。     

考虑浸泡水温影响的泥质粉砂岩破坏过程声发射特征试验研究

高地温水工隧洞、深部矿山工程中温度的变化对地下岩体的物理力学性质具有重要影响,目前不同水温浸泡下岩石破裂相关研究较少。本文将泥质粉砂岩置于自然干燥以及28℃(常温)、40℃、50℃、70℃、100℃共五种不同温度的水中浸泡至饱和,然后开展单轴压缩试验,研究了泥质粉砂岩的物理力学及声发射特征。研究结果表明:温度对泥质粉砂岩含水的影响存在一个临界转换点(本研究为40℃),当温度在28~40℃时,岩石含水能力被"弱化",当温度大于40℃时,泥质粉砂岩含水能力被"增强"。在28~100℃中,温度对泥质粉砂岩物理力学性质起"增强"作用,表现为弹性模量增加,刚度提升。当水温从28℃升高到40℃,声发射时域活动性增强,水温从40℃提高到100℃时,声发射时域活动性减弱。声发射能量b值和熵值曲线较好地体现了裂纹演化规律,水温越高,在形成主裂纹过程中,伴生裂纹出现的概率越低。     

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%。     

水对粉砂岩渐进破裂过程影响实验研究

通过对干燥、自然和饱水粉砂岩进行单轴压缩声发射实验,基于声发射方法确定岩石渐进破裂指标—损伤强度σcd,研究水对粉砂岩渐进破裂过程的影响规律。研究结果表明:粉砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随含水率的增加而减小,两者与含水率的关系可以用指数函数进行拟合,相关度在0.8左右,残余强度随含水率的增加而增大;随着含水率的增加,粉砂岩破裂前声发射事件率密集的程度降低,破坏时的累计声发射事件数减少,水降低了岩石的破裂程度;粉砂岩破裂失稳前声发射活动的一个重要特点:累计声发射事件数ΣAE的增长模式符合Exponential函数,含水率增加,其增长的速率降低;水对粉砂岩渐进破裂过程的影响主要表现在含水后粉砂岩损伤强度与峰值强度的比值(σcd/σc)增加,粉砂岩裂纹开始不稳定扩展的应力水平提高,水可以加速粉砂岩从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程。     

水对玄武岩破裂过程声发射及红外影响试验研究

为研究水对硬脆性岩石破裂的影响,采用玄武岩进行饱水、自然、干燥处理,开展单轴破坏试验。以美国Flir Therma CAM SC3000红外热像仪以及美国物理声学PCI-2型声发射监测系统为研究监测手段,开展水对玄武岩破坏过程的声发射以及红外影响试验的影响研究。结果表明:水对玄武岩破裂声发射及红外造成了一定的影响。含水率的提高,减少了玄武岩破裂过程中声发射平静期所占的相对时间,其中干燥、自然、饱水状态分别为9.44%、4.04%、3.76%。水的存在可以促进岩石破裂过程中的红外辐射现象。研究成果对于了解玄武岩在不同含水状态下受力灾变的声发射、红外特征具有重要理论意义,也为进行岩石灾变的预测预报奠定了实验基础,进而能为矿山灾害和岩石工程监测、预警提供理论指导与技术基础。     

基于HHT的粉砂岩破裂声发射信号频率特性研究

通过对粉砂岩进行单轴加载声发射实验,基于HHT分析方法,研究岩石破裂过程的声发射信号频率特性。研究结果表明:HHT是一种基于主成分分析的信号时频分析方法,可以确定信号的主次成分,用瞬时频率来精确描述信号的时频特性;粉砂岩破裂过程中声发射信号的时频分布有3个阶段,即初始区、波动区、沉寂区;粉砂岩破裂过程中声发射信号的主频与所处的应力水平有关,在岩石破裂前,随着应力水平的提高,主频逐渐降低;粉砂岩破裂过程中,从裂纹稳定扩展到不稳定扩展,直到岩石破裂,高能量声发射信号由高频率向低频率转移,且持续的时间增加;粉砂岩破裂过程中声发射信号适宜监测频段为20~120 k Hz。     

基于声发射时频特性的花岗岩各向异性实验研究

为了更好地将声发射/微震等手段应用于岩石破裂监测,为工程岩体的稳定性评判提供技术依据,考虑到岩石材料所固有的各向异性等属性,本文拟从声发射监测角度探究岩石各向异性,通过对花岗岩进行水平卸荷破坏试验,开展材料各向异性和应力各向异性对声发射时影响研究。结果表明,各向异性(包括材料各向异性和应力各向异性)是引起不同位置声发射时频域差异性的主要原因,偏应力的存在是岩石出现应力各向异性的重要原因。加载初期以材料各向异性为主,随着损伤破裂的发展,应力各向异性开始占主导作用。声发射时域中绝对能量受材料各向异性的影响较大,幅值受应力各向异性的影响更为显著。声发射频域中不同频段的主频分量对材料各向异性和应力各向异性的敏感程度不同,低频(约20kHz)在试验初期受材料各向异性影响,试验后期由应力各向异性所控制;中频(40～50kHz)不受各向异性的影响,在整个阶段均有较高的响应;次高频(50～60kHz)受应力各向异性和材料各向异性的共同影响;高频(80～110kHz)对应力各向异性的表现较为敏感。     

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。     

含水状态对红层软岩力学特性影响机理

饱水状态下,红层软岩力学特性的劣化直接影响相关工程的变形稳定。考虑干燥、自然和饱水3种状态,对红层软岩抗压和抗拉强度特性、变形破坏特征及微观结构特征进行了比较系统的试验和检测分析。研究表明:①饱水状态下红层软岩的软化特征明显,破坏时的延性特征更加明显,不同围压下岩样的抗压强度软化系数为0.36~0.65,相对于干燥状态,弹性模量和变形模量逐渐降低分别降低了35.60%~75.53%,44.57%~69.64%,而且围压越小,抗压强度和模量降低趋势越明显;②相对干燥状态,饱水状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了47.77%和12.68%,岩样的黏聚力对含水状态更为敏感;③饱水状态下岩样抗拉强度软化系数为0.40,加载线附近局部破坏特征明显;④岩样内部矿物颗粒间泥质胶结物的溶解破坏,伊利石、蒙脱石等黏土矿物吸水膨胀、分解,使得岩体结构由相对密实状态逐渐变得多孔、松散,而且孔隙多被水充填,这些微观结构的改变直接导致了红层软岩力学性质的劣化。     

基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究

为探究含水煤样冲击倾向指标与其声发射时频特征的关联性。采用物理试验和信号处理分析方法,以河南耿村煤矿7609工作面煤样为研究对象,考虑饱水、自然含水和烘干24 h三种含水条件,深入研究不同含水煤样冲击倾向的变化规律;建立不同含水率煤样冲击倾向与其声发射时频信号的对应关系。结果表明:煤样加载破坏过程监测获得的声发射时频信号分布特征能够反演其受载阶段,声发射幅频信号的变化不仅能够判定煤体结构的破坏尺度,而且可利用不同频率范围声发射能量分布推断其冲击倾向强弱和发生动力破坏的可能性。定义了煤体结构冲击倾向的声发射反演能量比值Kae和频率幅值相对值比值Kaf;以河南耿村矿7609工作面煤样为例,验证了声发射信号时频特征和关键参数反演煤体结构冲击倾向的可行性。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

摆型波传播过程块系岩体频域响应反演岩块间黏弹性性质

基于深部非连续自应力等级块系岩体构造理论,研究在冲击扰动下块系岩体中岩块加速度的频域响应反演岩块间黏弹性性质。将块系岩体划分成3个区域,即初始区域,中间区域和末端区域,分别研究各区域中间块体加速度的频域特性,通过不同区域内块体加速度频域响应的综合特性反演岩块间的5种黏弹性性质变化。通过研究发现：各区域中间块体的频带范围依次减小对应着块体间黏性同时增大;各区域中间块体频带范围几乎没有变化对应着块体间黏性周期性变化;各区域中间块体高频谐波部分向低频平移对应着各块体间弹性同时减小;仅末端区域中间块体的高频谐波部分向低频平移对应着各块体间弹性周期性变化;各区域中间块体的频域曲线简单光滑,且近似对称单调变化对应着块体间弹性阶梯性增大。同时,给出块体间具有5种黏弹性性质时各区域中间块体加速度频域响应的中心频率及中心频带宽度数值特征。     

变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究

通过变粒岩单轴压缩下声发射试验, 采集了应力-应变曲线与声发射数据。联合应力曲线, 总结了声发射积累计数和积累能量的演化特征。利用Welch谱估计法与小波能谱系数法分别对试件声发射信号功率谱密度及能量分布特征进行了分析。研究表明, 声发射积累能量比振铃积累计数能更好地预测岩石破坏; 在试件破坏前或产生较大裂纹时, 声发射信号峰值频率会有所下降, 其能量集中频段也在扩大; 在[78 kHz, 156 kHz]频段能谱系数持续增大且其值超过50%的声发射信号出现频繁的现象, 可作为试件破坏失稳的前兆信息。结合岩石声发射信号时频特性, 可为预测岩体破坏提供一种新思路。