基于声发射监测的双轴加载岩石破裂研究

选取中粗粒花岗岩,应用声发射技术,通过施加不同侧向压力,对双轴加载方式下花岗岩试样破裂过程中的声发射序列特征进行研究,着重分析了抗压强度、声发射活动特征与侧向压力的关系。研究表明：侧应力增大了竖向抗压强度,加载端临界侧向应变是侧向应力影响竖向抗压强度的关键。当加载端临界侧向应变为正值,即试件在该方向受拉时,侧向应力对竖向抗压强度的增强起到正作用;反之,起负作用。同时,侧压力对声发射序列特征影响也比较明显。侧压力较小时,岩石在加载初期只有较少的声发射事件,在破坏前出现大量的声发射事件,声发射序列在应力峰值前表现为单峰型;侧应力较大时,较小的应力扰动即可诱发微裂隙的产生和发展,产生较多的声发射事件,致使声发射序列表现为群震型。这对于岩石破裂失稳预报很有意义。     

花岗岩压剪破裂扩展及声发射b值的法向力影响特征

岩石作为各类地下隧洞、边坡等工程的基础介质,其稳定性已成为领域中的关键问题。工程岩体较易出现复杂的剪切破坏,除受应力边界条件影响以外,还与破坏尺度及裂隙分布密切相关。基于声发射监测技术,开展不同法向力的岩石剪切破坏实验,研究裂隙的分布及扩展方式,获取岩石最终失稳破裂的前兆特征信息。研究结果表明,剪切力峰值和雁列倾角均与法向力呈正相关;岩石剪切破坏过程中主裂隙为雁列,由主剪切力产生,局部尺度的羽列裂隙则由次生剪切力产生;b值的突然下降意味着在岩石出现了大能量的破坏,连续且异常的低b值可作为岩石剪切破坏的有效前兆特征。     

加卸荷条件下胶结充填体声发射b值特征研究

为认识胶结充填体在外界扰动下的响应特征,进行了单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加-卸载过程中声发射b值特征。试验结果表明:在胶结充填体压密阶段,声发射b值先减小后增大;在弹性阶段,声发射b值随应力的增大而有序下降;经多次加卸载后,当加载应力不断接近峰值应力时,声发射b值持续大幅度减小。在卸载阶段,胶结充填体具有明显的声发射事件。当卸载始于压密阶段时,声发射b值是逐渐增大的;当卸载始于弹性阶段时,声发射b值在小范围内波动;当卸载始于胶结充填体临界状态时,声发射b值呈现"台阶"状上升。声发射b值数值表现出的不同特征,说明在加卸载过程中微破裂处于动态演化之中。     

煤样加载过程声发射响应特征试验研究

为了探究不同裂隙发育程度、分布非均匀程度的煤样在加载过程中声发射响应规律,利用RMT-150B岩石力学伺服试验系统和声发射监测系统对寺河矿不同裂隙发育程度、分布非均匀程度的煤样进行原始渗透率和加载过程中声发射参数测试。结果表明:裂隙分布较均匀的煤样加载时,声发射能量在塑性变形阶段前期或弹性变形阶段后期快速增至最大值,后略有减小并维持在一定水平;裂隙分布非均匀性强且裂隙发育的煤样加载时,声发射能量在弹性变形初期就达较高值,后逐渐增加至最大值,随后稳定在一定值。试验结果对采煤过程中煤岩变形规律具有较好的预测作用。     

不同硬岩破裂失稳声发射及b值动态特征实验研究

为了研究不同硬岩破坏过程中声发射及b值演化特征差异,在单轴加载条件下对不同种类硬岩进行声发射实验,得到不同种类硬岩破裂失稳过程中的力学特征,分析了不同种类的硬岩声发射能量率变化特征。并基于振幅与震级之间幂律关系定义声发射b值,对比了不同硬岩破裂失稳过程声发射b值演化特征,并分析了应力水平与声发射b值演化关系。研究表明:高强度、高脆性系数的岩石,从本构关系来看,没有明显屈服点,声发射能量率量级也越大;各试件在临近破坏时的声发射b值均大幅度下降,但花岗岩下降幅度最大。     

加载角度对煤声发射特征的影响试验研究

为得到不同层理煤声发射参数并为其破裂机制和破裂前兆分析及判定提供参考,进行了层理角度为45°、90°、0°煤样单轴压缩声发射实验研究,分析不同加载角度煤样b值与应力及能量所对应关系,研究其声发射参数RA与AF值变化规律,并分析了加载角度为0°下的声发射b值与声发射r值。结果表明：峰值应力之后能量大量释放导致微裂纹贯通成大裂纹;加载角度为45°和90°的煤样b值相接近且明显大于0°煤样,各试件在达到峰值应力后b值均有下降趋势;加载角度为45°时,煤样破坏形式为张剪复合破坏;加载角度为90°和0°时煤样破坏形成为张拉破坏;b值大幅下降时段与r值大幅增加时段相同,r值可作为描述煤破坏程度的1个指标。     

矿柱破裂过程中的声发射活动时空演化特征研究

矿柱及其稳定性一直是采场稳定性研究的核心,通过应用花岗岩样人工制作三组矿柱物理模型,应用声发射仪器监测矿柱破裂过程及其声发射活动时空演化特性。结果表明:在加载的初始阶段,声发射定位事件在矿柱内部比较零乱;随着荷载的增加,在矿柱内部破裂面的声发射事件逐渐聚集、成核、剪切宏观裂纹。在整个加载过程中,声发射撞击数在弹性变形后期及即将产生塑性破坏时达到两个峰值点,在弹性变形后期产生的声发射撞击数峰值点振幅多在50 dB,在矿柱承载达到其峰值应力的90%时,声发射撞击数达到最大峰值,此后声发射撞击数逐渐减少,但大幅值(80～100 dB)声发射撞击数不断增加,宏观裂纹逐渐贯通,即将产生破坏,该实验结果对实验室预测岩石试件的破坏具有一定的指导意义。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

不同加载速率下深部砂岩的声发射与破裂响应特征

为探究深部砂岩破裂演化特征与加载速率的相关性,开展了3种加载速率下的单轴压缩声发射监测试验,深入分析了加载速率对深部砂岩微破裂集聚成核机制和多类型破裂源演化特征的影响。研究结果表明,在不同加载速率下,深部砂岩的声发射参数(声发射计数与幅度)曲线的演化趋势具有一致性,随着加载速率的增加,声发射累计计数与累计幅度呈现减小的趋势;试样在不同加载速率下的时空演化特征具有一定的相似性,在不同的变形阶段,岩样内部多类型破裂源的占比不尽相同,在裂纹扩展阶段前,多类型破裂源占比情况受加载速率的影响较小,当岩样进入裂纹稳定扩展阶段后,随着加载速率的提高,剪切型破裂源占比趋于减小,张拉型与压缩型破裂源占比趋于增加;不同加载速率下岩样的声发射矩震级与频次关系均服从正态分布规律,声发射b值随着加载速率的增加逐渐减小,声发射矩震级中值随着加载速率的增加呈缓慢增加的趋势,加载速率可以增大试样内部破裂源的整体强度。     

砂岩岩爆声发射特征及b值动态特性试验研究

在单轴加载条件下,对砂岩进行全程加载声发射试验,得到砂岩岩爆破坏过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间关系曲线。根据需要选择声发射累计数、震级-频度关系中的b值变化规律,研究了砂岩岩爆的前兆信息。研究表明,在砂岩弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射累计数快速增加,b值持续下降;在砂岩发生岩爆前,b值下降到最低值。对声发射累计数和b值进行联合分析,能更加准确地预知岩爆的发生。     

干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

利用YAG-3000微机控制岩石刚性试验机和PCI-Ⅱ声发射监测系统,对中关铁矿深部闪长岩分别进行干燥、饱和2种条件下循环加卸载过程的声发射试验,以探讨这2种含水条件下岩石的力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。结果表明:水对岩石的力学特性和声发射特征具有不同程度的影响。岩样从干燥状态到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%;整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏之前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%;干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。     

三轴压缩加载频率对花岗岩疲劳特性影响试验

通过选取岩性均一性好的北山花岗岩,并采用MTS 815岩石力学试验机对其进行三轴条件下的动态疲劳压缩试验,以探讨加载频率对岩石变形特性和损伤演化的影响。通过试验分析,得出花岗岩疲劳变形过程均可分为"疏-密-疏"三个阶段,与岩性和试验条件无关,且其损伤过程同样主要受侧向膨胀的主导作用。此外,频率的变化不会改变岩样破坏时的极限变形量,可采用弹性模量、塑性体积应变,以及横向应变等方法对岩石疲劳损伤过程进行合理描述;同时还揭示了频率变化对岩样疲劳寿命的影响规律。     

不同加载路径煤岩破裂过程声-电荷复合信号特性

通过开展不同加载路径下煤岩力学行为及其变形破裂过程声发射和电荷信号特性试验研究,从能量角度分析了加载路径影响的煤岩力学行为和承载能力的变化规律。对极化引起的煤岩表面微电势的产生和衰减进行了理论推演,理论分析结果对煤岩变形破坏过程中声发射与电荷信号产生和变化特征进行了较好的解释。试验结果表明:煤岩变形破坏过程声-电荷信号增减与承载结构破坏所致应力突降呈现出较好的一致性。受载初期两种信号幅值较低且为离散型,随载荷增加,信号幅值、密集程度显著提高且向连续型过渡,峰值前后声-电高值信号连续出现。煤岩受载变化次数越多,强度、峰前应变能越高,振铃计数变化率和能量变化率越高,电荷量变化率越大。由此提出了基于声-电荷复合信号幅值和信号变化率的煤体破坏和失稳灾变预测方法。     

基于摩尔-库伦准则的岩石材料加(卸)载分区破坏特征

材料内一点的应力状态可以用摩尔圆来表示,而同一点的不同的应力状态可以用坐标系内应力圆的不断变化来表示,应力圆的变换主要可以分为"平移"、"翻转"、"半径扩大""半径缩小"4种方式,这4种方式几乎包含了岩石材料的所有加(卸)载过程;加(卸)载速率可以用来表征不同应力状态间的转化的快慢程度,加(卸)载速率并不是单纯的单位时间的变化快慢,可以是单位空间尺度的变化,如单位长度、单位深度等;基于摩尔-库伦准则对岩石材料"双向受压"、"双向受拉"和"一拉一压"3种状态下的加卸载过程进行了分析,并获得了与之对应的临界破坏方程,在此基础上,通过引入时间加权平均加(卸)载速率,进一步分析了岩石材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系,并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对岩石材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验,模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验。结果表明,只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时,材料才会发生破坏,加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关,与最大主应力和最小主应力之比负相关。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

三轴加载充填体围岩耦合体声发射特征研究

根据矿山开采状况设计了三种不同采场规格尺寸的充填体围岩耦合体模型,采用双轴试验机、拟真三轴装置结合声发射系统对耦合体进行了三轴加载下的破裂演化监测,研究了耦合体破裂过程声发射特征。结果表明：AE事件率和AE能量在塑性阶段前处于“平静期”,塑性阶段出现突增现象,突增现象可作为应力峰值附近宏观破裂预警;AE事件率峰值、AE能量峰值随着侧压增加推迟产生,耦合体稳定性随着侧压增加逐渐增强。AE事件率峰值、AE能量峰值随着规格尺寸的增加则与之相反;AE能量峰值随着侧压增加逐渐增大,随着规格尺寸增加逐渐减小。AE能量预警阶段突增值随着侧压增加逐渐降低,随着规格尺寸增加逐渐增大;Kaiser效应出现在耦合体应力峰值的70%～85%范围内,Kaiser效应点对耦合体塑性阶段宏观破裂具有一定的预警作用。研究结果有望为充填体与围岩作用机理研究提供参考。