采空区不同岩性破碎岩石压实变形及声发射特征研究

采空区不同岩性冒落破碎矸石的压实特性及承载力学性质对上覆岩层移动破坏有重要影响。采用侧限压缩试验与声发射测试试验方法,对相同级配的砂岩、砂质泥岩两种单一岩性及砂岩-砂质泥岩组合岩性破碎岩石在侧限压缩条件下的变形特征、破碎特征及不同压缩阶段的声发射特征进行了研究。结果表明：在加载前期,破碎岩石的应变随时间的变化曲线存在直线上升段,随时间增加,呈现急剧上升后趋于平缓的特征;不同单一及组合岩性破碎岩石在侧限受压过程中应力与应变均呈非线性关系;根据破碎岩石的应力-应变特征将破碎岩石的压缩变形过程划分为快速压密阶段、缓慢压实阶段及稳定压固阶段。随着轴向压力逐渐增大,破碎岩样的大颗粒骨架破坏、中等颗粒移位滑动、小颗粒填充孔隙;不同岩性的应变与应力呈正相关关系,孔隙率与应力呈负相关关系,组合岩性岩样介于单一岩性岩样之间;不同单一、组合岩性比例与破碎岩样分形维数呈指数函数关系;基于压实变形声发射测试试验结果将破碎岩石压缩过程划分为滑移流动变形阶段、压裂变形填充阶段及压密弹性变形3个阶段;不同阶段破碎岩样的累计计数及累计能量曲线均表现出阶段性的变化特征,随着应力增加,前期声发射累计振铃计数及累计能量表现...     

不同级配矸石侧限压缩过程声发射特征研究

为研究不同级配矸石压缩过程中应变与能量的关系及声发射规律,本文借助MTS815.02岩石力学电液伺服压力机与PCI-2声发射测试分析系统,对6种级配的矸石进行侧限压缩试验,建立矸石应力应变与AE能量、AE事件等声发射参数之间的关系。试验结果表明:1)连续级配矸石的抗变形能力较强,且粒径组成越均匀,承载压缩率越低。2)不同级配的矸石承压破碎后,矸石粒径组成相似,且小粒径矸石占比越高,破碎率越低。3)应变速率较快时,声发射能量较为活跃,大粒径矸石占比越高,声发射累计能量越高,说明声发射累计能量主要由破碎型AE贡献。4)不同级配的矸石在压缩过程中,应变与声发射能量均有较好的对应关系,且在不同阶段内均可拟合为一次函数。     

循环荷载模式下砂岩的力学特性及能量演化研究

基于循环加卸载试验结果,分析砂岩的应力-应变曲线特征、变形特征以及声发射能量特征,结果表明:砂岩循环加卸载曲线形成尖状滞回环,滞回环不断向后迁移;加卸载循环下砂岩峰值强度较单轴压缩降低,且与循环应力呈负相关;根据砂岩循环加卸载过程中残余应变数据,得到累计残余应变差与循环次数的变化规律;探究加卸载阶段弹性模量特征,得到卸载阶段弹性模量始终比加载阶段大,弹性模量值与循环应力呈正相关;循环加卸载下声发射能量变化呈现规律性,分析能量变化情况,得到破坏各阶段的能量释放特征。     

大采高综采工作面采空区垮落矸石刚度实验

为了揭示采空区垮落矸石刚度的变化规律,针对大采高综采工作面采空区矸石刚度取值缺乏依据的研究现状,自主设计和研发了矸石压缩实验装置,以灰岩、中砂岩、粗砂岩为样本,结合岩石力学伺服试验机,设计18组实验方案,按照矸石破碎→粒径筛分→样本装入实验装置→试验机压缩→清理压缩后的碎渣→再次盛装的实验步骤,测试(1)岩性相同但粒径(10～20,20～25,25～35 mm)不同情况下;(2)粒径组合相同、岩性组合(组合灰岩中砂岩、组合粗砂岩中砂岩)不同情况下;(3)粒径组合相同、不同单一岩性情况下破碎矸石载荷与压缩位移的关系式。然后根据相似材料实验原理,对得出的曲线关系进行转换,拟合出了采空区不同单一岩性、不同组合岩性、不同破碎程度时的矸石刚度取值公式。研究表明,当垮落带矸石产生相同的压缩位移时:(1)岩性为灰岩的垮落带矸石刚度>岩性为中砂岩的垮落带矸石刚度>岩性为粗砂岩的垮落带矸石刚度;(2)大粒径的灰岩矸石刚度>组合大中小粒径的灰岩矸石刚度>中粒径的灰岩矸石刚度>小粒径的灰岩矸石刚度;(3)组合岩性的矸石刚度介于两种岩性刚度之间,其中组合岩性中较硬的岩性刚度>...     

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。     

不同层位砂岩单轴压缩过程中的声发射特征研究

利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,以余吾煤业3号煤层顶板不同层位的两组砂岩为研究对象,在单轴压缩条件下进行声发射实验。实验结果表明:A组砂岩达到峰值前的应力应变曲线近似于直线,达到峰值后直线迅速下降到零,B组砂岩的应力应变曲线先下凹再直线上升(斜率小于A组),达到峰值后,先保持一定承载力后才下降到零。初始压密阶段,两组岩样的声发射计数很少且能量很低;弹性阶段,A组砂岩的声发射事件略有增加,但能量、计数率和能率几乎为零,而B组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃;塑性阶段,A组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃,B组砂岩发生片帮,声发射参数跳跃式增大;峰后破坏阶段,达到应力峰值时,两组岩样的声发射计数、能量、计数率和能率都达到最大值,B组砂岩峰后还有一定地声发射事件发生。两组砂岩的声发射规律差异可为判断声发射源和监测预报何处岩石失稳破坏提供参考依据,对提前做好防护工作减少灾害发生和未来进一步研究具有一定意义。     

红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

对红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究,根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了全过程应力-应变、应力-时间-累计计数率、应力-时间-绝对能量率以及峰值前、后的应力-应变-累计计数率、应力-时间-绝对能量率曲线。据所得应力-应变曲线将该类砂岩破坏分为2种形式:一种为传统4阶段岩石破坏形式,另一种为5阶段破坏形式。5阶段破坏模式在应变软化阶段后出现了应力不变,应变继续增大的胶结延性阶段。对比2种破坏模式的声发射特征,峰值后的声发射现象较峰值前的均有量级的变化,抗压强度相近时,弹性模量小的试样产生更多的声发射现象,但产生的绝对能量属于同一量级。累计计数率能够作为判断试样是否发生完全破坏的参数。     

常规压缩下砂岩的声发射与损伤演化

采用MTS815.02岩石力学试验系统和AE21C声发射监测系统,研究了常规压缩下砂岩试样的声发射和损伤演化特征。试验结果表明:砂岩试样的声发射振铃计数与能量计数的变化规律相同,相关系数在95%以上;岩样应力-应变曲线中,每一次应力跌落都伴随有较大的声发射振铃计数率产生;声发射振铃计数间接反映了岩样内部微裂隙的萌生、扩展和贯通过程,采用声发射振铃计数定义的损伤变量能很好地反映岩石损伤演化过程。     

不同层理方向煤岩单轴压缩声发射特征试验

为了研究不同层理方向的煤岩体变形破坏规律及声发射特性,选取同忻煤矿3-5#煤作为研究对象,对垂直层理和平行层理2种煤样进行单轴压缩下的声发射监测试验,分析二者在强度、变形特性、声发射计数、累计计数,能量以及累计能量特征方面的差异。结果表明:二者的破坏类型不同,垂直层理煤样呈现出崩解破坏的特性,而平行层理煤样以塑性破坏为主;平行层理煤样相较垂直层理煤样,其单轴抗压强度、弹性模量、变形模量以及极限应变均呈一定程度的降低;二者的应力-应变曲线很好地与声发射计数-时间曲线、能量-时间曲线相对应,瞬时计数峰值或瞬时能量峰值可作为煤岩破坏的前兆;2种煤样声发射特征值虽具有一定的离散性,但可以认为平行层理煤样累积能量更大,计数、累计计数和能量相对更低。     

不同岩性巴西劈裂试验的声发射特征

应用声发射及其定位技术,系统研究了10 种不同岩石的巴西劈裂失稳过程,分析了随应力时间变化其声发射活动规律,并从内部细观结构对其破坏机制进行了分析,得到了顶板岩层不同高度不同岩性的微观破裂机理。结果表明：由于不同岩性岩石内部微观组成存在差异,砂性岩石劈裂抗拉强度和竖直方向的压缩极限应变约为泥性岩石的1.60倍。峰值强度时,砂性岩石的振铃计数和能量远大于泥性岩石,且其振铃计数和能量时间曲线比较均匀,而泥性岩石曲线“阶跃”现象明显;岩性不同,内部初始裂纹的位置也不同,裂纹初始及其扩展方向是诱发岩样裂纹贯通的主要原因。砂性岩石破坏前兆点早于泥性岩石出现,且大部分处于不稳定裂纹扩展阶段(含粗砂细砾岩和砂岩除外);顶板岩石在受拉变形过程中,泥性岩石失稳破坏时更加剧烈和突然,预警时间较短,可能带来安全隐坏,因此必须做好相应的支护措施。     

磁铁矿原矿单轴挤压破碎力学过程与声发射特征

为研究磁铁矿原矿挤压破碎机理,采用TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机和PCI-2声发射检测系统,进行磁铁矿原矿单轴挤压破碎试验,分析磁铁矿原矿单轴挤压破碎的力学过程和声发射特征。试验结果表明,裂隙压缩阶段的变形量占总变形量的45%,弹性变形阶段和裂隙扩展阶段应力与峰值应力的比值范围大于一般坚硬岩石在相同阶段的应力比值范围;不同阶段之间转变时,声发射信号会出现大幅度跃升或下降,之后出现一段时间的平静期;声发射振铃计数率和事件计数率在各阶段的变化规律相反,能量计数率跃升反映试件发生显著破坏,能量计数率的最大值不一定发生在峰值应力过后的某一时刻,振铃计数率、事件计数率和能量计数率的变化特征可反映试件损伤、破裂和破碎的发展过程和发生速率;累积振铃计数的增长率在时间上表现出先增大后减小的发展特征,累积事件计数的增长率之相反,各加载阶段声发射信号参数表现的时域特征与力学变形破碎特征基本一致。     

破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

岩石声发射振铃累计计数与损伤本构模型的耦合关系探究

为探讨岩石不同破坏模式下声发射特征及其参数与应力、应变、损伤变量之间的关系,通过RMT-150C型测试系统及SAEU2S声发射系统对砂岩、变粒岩、花岗岩和石灰岩4类岩石单轴压缩下声发射特征进行实验研究。研究表明:在峰值应力之前,脆性破坏、脆-延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数均有剧烈增加的现象,延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数则是先激增而后有一段"平静期",可作为岩石即将进入破坏阶段的前兆信息。以时间为中间变量,建立了脆性破坏、脆-延性破坏及延性破坏模式下岩石声发射振铃累计计数与应变的关系模型;基于威布尔分布岩石损伤本构模型,进一步推导出声发射振铃累计计数与损伤变量、应力的耦合关系。经实测数据与所建模型对比验证,延性破坏、脆性破坏模式本构模型精度较高,可为岩石损伤评估提供依据。     

白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究

对从青川县东河口滑坡区采集的白云岩进行了单轴压缩试验,测得了白云岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数,并在单轴压缩试验的全过程运用了声发射测试技术,研究了岩石损伤破坏过程中的声发射参数(振铃计数、能量)演化规律及其与岩石的应力响应之间的相关性,并尝试对岩石损伤破坏前兆的声发射特征点进行了分析。研究结果体现了白云岩的初始缺陷对其力学特性及声发射特性会产生较大的影响。分析表明:1)白云岩的变形破坏过程大致可分为五个阶段,且不同阶段出现了与之相对应的声发射信号特征;2)白云岩的声发射振铃计数和能量在反映岩石损伤演化过程方面有较高的一致性。明显的声发射活动主要出现在岩石加载的中后期,在岩石进入裂纹非稳定扩展阶段后出现振铃计数和能量激增的现象,在临近破坏阶段,个别岩样进入声发射活动的相对平静期;3)对比声发射特征点和应力屈服点出现的时刻,两者的差值与岩样的初始缺陷密切相关。但无论是累计振铃计数还是累计能量,基于两者识别出的特征点时间都是超前于或接近应力屈服点出现的时刻。基于本次研究结果,如果作为岩石破坏前兆信息识别,选用累计能量参数会使得安全储备更充足。     

不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

粉煤灰优化破碎矸石充填材料承载压缩力学特性试验研究

为揭示破碎矸石充填材料在承载压缩过程中的破碎机理,提高充填材料的承载力学特性,通过破碎矸石侧限压缩试验和声发射试验,研究了承载压缩过程中破碎矸石不同应力状态下的声发射(AE)频率,揭示了破碎矸石承载压缩过程中的破碎损伤机理,分析了粉煤灰掺量对破碎矸石充填材料承载压缩率的影响,得到了最佳粉煤灰掺量。试验结果表明：随着应力逐渐增大,累计AE事件逐渐增多;在1～8 MPa的应力段,发生的AE事件数较多,矸石变形破坏比较严重;掺入粉煤灰后,充填材料承载压缩特征得到了一定程度的改善,试验条件下的粉煤灰最佳掺量为30%,其2 MPa应力下的应变为0.248,容重为18.67 kN/m³。     

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。     

砂岩三轴加载过程中力学特征与能量耗散特征

为了获得岩石加载过程力学特性与能量演化特征,开展了不同围压下砂岩力学特性试验。基于能量平衡理论,分析不同围压下砂岩加载过程能量转化规律,研究不同围压下砂岩特征应力、裂纹演化与能量耗散之间的关系。结果表明:砂岩三轴压缩加载过程中,试样的裂纹闭合应力、起裂应力、扩容应力及峰值应力均随围压增大呈线性增加;起裂应力和扩容应力可以较好的描述岩石稳定状态,起裂应力可以看作为岩石出现新生微破裂的初始应力,而岩石扩容应力可以认为是进入塑性屈服状态的标志。岩石加载过程中能量演化特征与应力-应变曲线和特征应力呈现较好的对应关系,压密阶段对应的原生裂纹压密过程能量转化率低;弹性变形及微裂纹稳定扩展阶段,外力做功转化的应变能大部分储存为弹性应变能,岩石内部损伤和塑性变形耗散的能量较小;扩容应力后的裂纹非稳定扩展阶段,岩石内部损伤和塑性变形耗散能量明显增大;峰值应力附近,积聚弹性应变能迅速转化为用于岩石破坏的耗散能。耗散比(U^d/U)随轴向应变的增加,呈现增大-减小-再增大的规律,耗散比趋势变化的转折点与裂纹闭合应力和扩容应力对应。耗散能随着轴向裂纹应变的累计逐渐增大,扩容应力前,耗散能随...     

级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

不同加载速率下小纪汗煤矿煤样强度及声发射特征研究

利用材料力学试验机及声发射信号检测分析系统,对小纪汗煤矿煤样进行了不同加载速率下单轴压缩过程中的声发射试验,得到了煤样应力应变全过程的声发射特征曲线,分析了不同加载速率下煤样的强度极限、声发射能量及振铃计数等特征参数的变化规律。研究表明:随着加载速率的增加,煤样抗压强度和压缩率呈现先上升后降低的变化趋势,煤样声发射能量释放形式由孤震型向震群型转变,在低加载速率下岩样能量释放形式主要表现为孤震型,在较高加载速率下则主要表现为震群型;不同加载速率下煤样振铃计数变化趋势大致相同,都经历缓慢增加与快速增加阶段,且随着加载速率的提高,声发射累计振铃计数明显减少;单轴压缩时煤样的破坏表现为单剪及双剪破坏,煤样声发射三维定位图与破裂实物图吻合较好。