基于巴西劈裂试验的页岩声发射与能量分布特征研究

为探究不同角度层理下页岩力学特性和声发射特征,通过对不同角度层理龙马溪组页岩的巴西劈裂试验、声发射测试以及3DEC数值模拟研究,对页岩破坏模式进行了对比分析。研究结果表明:由于页岩具有明显的层理构造,其抗拉强度具有明显的各向异性。页岩巴西劈裂应力-时间曲线可划分为3个阶段,对低角度层理,受载的累计声发射曲线表现为"平缓—陡增"增长模式;对高层理角度,累计声发射曲线表现为"台阶式"增长模式。研究物理实验与3DEC数值模拟结果均表明页岩破裂模式与层理角度密切相关,页岩声发射能量概率密度P(E)均较好的满足幂定律,层理效应并不改变声发射能量的尺度不变性。层理角度为90°时,能量概率密度曲线的临界参数最大,在低能量区间的声发射信号所占比例更大,利用临界参数可以对巴西劈裂试验过程中页岩损伤程度进行表征。研究成果可对页岩气压裂工程的设计提供借鉴。     

基于巴西劈裂实验的层状页岩断裂特征试验研究

为揭示层状页岩巴西圆盘试件破坏强度与裂纹特征关系的机理,对圆盘试件进行劈裂试验。利用高速照相机和声发射监测装置分析了试件的破断特征及声发射特征,探讨了试件的破断机理以及破断强度的影响因素。研究表明:1)圆盘试件的裂纹起裂点通常位于试件的中部或加载端处,当层理角度较小时,试件裂纹垂直于或斜交于层理面扩展,随层理角度逐渐增大,裂纹逐渐沿层理方向扩展;2)层理方向会影响试件应力场的分布,当层理角度为0°和90°时,试件中部会产生较大的水平拉应力,试件容易产生拉伸破坏,当层理角度为45°时,试件中部会产生较大的剪应力,试件容易产生剪切破坏;3)由于裂纹表面能密度的差异性,试件的破坏强度分别与总裂纹长度和相对层理裂纹长度成正相关和负相关关系;4)试件的声发射特征与其破断模式密切相关,当试件产生张拉破断时,声发射计数表现为单峰陡增特征,当试件产生剪切+张拉复合破断时,声发射计数表现为多段增长特征。     

不同加载速率下砂岩巴西劈裂声发射试验研究

利用RMT-150C电液伺服刚性试验系统和PAC声发射信号采集系统,对典型砂岩在巴西劈裂条件下变形破坏全过程的声发射特征以及不同加载速率对其的影响进行研究.试验结果表明:声发射特征与各变形阶段其内部结构损伤信息的变化是相对应的,声发射参数可表征岩石拉伸破坏微观结构损伤和演化;随着加载速率的增大,AE振铃率和AE能量率都随之增大,峰值处释放的AE能量最大值呈递增趋势,而AE累积能量呈递减趋势,这可能与加载时间有关;砂岩的抗拉强度随加载速率的增大而增大,同步监测AE能量峰值亦随加载速率的提高呈上升趋势,不同加载速率下AE能量峰值的变化能够反映岩石的抗拉能力.     

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。     

煤试样巴西劈裂的声发射特征研究

基于细观损伤力学开发的RFPA2D数值模拟软件,分析了巴西劈裂试样的应力分布特征。利用微机控制试验机进行了煤试样的巴西劈裂试验,对煤巴西劈裂全过程中的声发射特征进行了研究。试验结果表明:声发射事件伴随整个煤试样劈裂过程,在不同的加载阶段有不同的声发射特征;随着载荷的增加,煤的应力场随时发生变化,从加载初期到破坏时,再到破坏后x轴方向拉应力经历了"不明显-最明显-不太明显"的过程;在煤试样将要破坏时拉应力达到峰值,证实了煤试样劈裂是受拉破坏,此时声发射事件最为明显。     

含水率影响下煤体巴西劈裂特性与弱化机制

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3^#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈裂强度弱化程度、劈裂破坏特征和声发射演化规律;借助CT扫描浸水前后煤样孔隙特征,探究其内在影响机制。研究结果表明：干燥煤样圆盘表面的主要裂纹沿劈裂面存在,而饱和煤样的裂纹偏离劈裂面,形成许多不规则的剪切裂纹。随着含水率的增加,圆盘表面劈裂裂隙平整度降低,从干燥到饱和,裂隙分形维数由1.066升高至1.298;煤样抗拉强度随含水率增加呈线性减小,但峰值应变则呈先增大后减小的抛物线变化;煤样声发射累计计数随含水率增加而逐渐减小,破坏阶段低含水率煤样产生张拉为主的拉剪复合裂隙且尺度较大,高含水率煤样产生小尺度张拉裂隙。煤样浸水后原生裂隙扩张,孔隙率提高2.55%,煤样孔隙率升高使煤样损伤发育加速,进而导致在劈裂过程中更易形成贯通裂隙;水的存在弱化了原生裂隙胶结强度,使劈裂裂隙沿强度较小的节理裂隙面扩张,初始劈裂面粗糙度增加。新增裂隙的减小也同样使...     

高温-水冷作用下花岗岩巴西劈裂试验及启裂模式研究

在深部采矿、超深钻井、增强型地热系统(EGS)等工程中，高温岩体受冷水热冲击产生损伤，热损伤岩体的物理力学性质受到了广泛关注。通过对经200～800℃高温-水冷处理后的花岗岩圆盘进行巴西劈裂试验，发现高温-水冷作用使花岗岩体积膨胀、P波速度降低、抗拉强度减小。通过对圆盘加载过程中的表面应变场监测和声发射监测，发现高温处理会使花岗岩圆盘的启裂模式发生变化。较低温度(400℃以下)处理后圆盘为端部启裂，较高温度(600℃和800℃)处理后圆盘为中心启裂。热冲击导致花岗岩微裂纹增加，使巴西劈裂过程中的b值随处理温度升高而增大。     

巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及声发射特征

新城金矿新主井计划建设深度1 527 m，为了探究该主井1 300 m左右似斑状粗粒花岗岩受拉破裂的力学特征，取新主井工勘孔似斑状花岗岩岩样，借助应变检测装置及声发射检测设备等对劈裂受载的似斑状花岗岩进行加载过程的实时监测。试验结果表明：①花岗岩试样的横向应变变形分3个阶段，且临近破裂前应变变化趋势表现出非稳定性运动特征；②随着加载进程的推进，声发射计数整体活动性逐渐增强，计数的变化随时间进程呈现出起伏上升的规律，并且逐渐由稀疏变得密集；③结合运动稳定性理论、振动能量分析及试验结果，得到一次破裂过程中平均每个声发射信号携带的能量出现峰值的现象可以作为似斑状花岗岩劈裂破坏加剧前兆之一。     

巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及声发射特征

新城金矿新主井计划建设深度1 527 m，为了探究该主井1 300 m左右似斑状粗粒花岗岩受拉破裂的力学特征，取新主井工勘孔似斑状花岗岩岩样，借助应变检测装置及声发射检测设备等对劈裂受载的似斑状花岗岩进行加载过程的实时监测。试验结果表明：①花岗岩试样的横向应变变形分3个阶段，且临近破裂前应变变化趋势表现出非稳定性运动特征；②随着加载进程的推进，声发射计数整体活动性逐渐增强，计数的变化随时间进程呈现出起伏上升的规律，并且逐渐由稀疏变得密集；③结合运动稳定性理论、振动能量分析及试验结果，得到一次破裂过程中平均每个声发射信号携带的能量出现峰值的现象可以作为似斑状花岗岩劈裂破坏加剧前兆之一。     

松软煤体巴西劈裂试验研究及应用

为了获得厚径比和含水率对松软煤体劈裂强度的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,进行不同厚径比和不同含水率条件下型煤的巴西劈裂试验,并将实验结果代入考虑垫条与试样接触角的抗拉公式计算。试验结果表明:含水率相近时,随着试样厚径比的增大,抗拉强度逐渐减小,厚径比-抗拉强度曲线下降趋势不断减缓,厚径比大于0.6后曲线近似水平;厚径比相同时,随着含水率增加,煤样抗拉强度总体呈下降趋势。     

基于单弱面理论对板岩巴西劈裂试验研究

为了揭示板岩这种层状岩体抗拉强度的各向异性,笔者根据层状岩体巴西劈裂试验圆盘平面应力的弹性力学解析解,并结合单弱面理论,建立了不同层理角度θ与抗拉强度的关系式。通过对不同层理角度θ下的试件进行巴西劈裂试验,得到：随着θ从0°变化至90°,强度因子呈现两端大中间小的趋势;运用单弱面理论得到的强度关系式可以较好地反映出在含有层理面时巴西劈裂试验抗拉强度随层理角度变化的规律;当0°≤θ＜25.2°或72.6°＜θ≤90°时,属于纯拉伸破坏;当25.2°≤θ≤72.6°时,岩块受层理面影响,属于沿层理面剪切破坏。     

圆盘试样巴西劈裂试验的空间应力分布及破坏过程

利用离散元数值计算方法,研究了圆盘试样径向加载时的空间应力分布及劈裂过程的裂隙扩展情况。结果表明:1)径向加载圆盘试样横截面上的应力分布规律与二维解析计算的结果相同,中轴线上的拉应力并不是常数,而是呈两端高、中间低分布,具有明显空间效应;2)不同高径比对拉应力的分布具有重要影响,试样两端最大拉应力随高径比增加而增大,中间拉应力随高径比增加而减小,当高径比大于1以后,最大和最小拉应力数值不再变化,因空间效应引起的拉应力增高程度最大为25%左右;3)由于拉应力分布不均,圆盘试样破坏裂隙首先在试样轴向两端产生,然后向试样内部延伸,试样宏观裂隙在中轴线贯通并不代表试样失去径向承载能力;4)由于空间效应影响,试样的最大径向承载应力随高径比增加而减少,由二维圆盘计算公式得到的巴西劈裂强度明显偏小,对于试验中常用的高径比为0.5的试样,建议使用系数k=1.25~1.30进行修正。     

三轴卸围压条件下砂岩声发射统计特征

为深入探究深部开挖过程中岩体卸荷致灾过程的内部响应特征及其灾变规律,利用自主研发的三轴声发射采集系统,对砂岩进行不同围压、不同卸荷速率下的常规三轴卸围压声发射试验,并采用地震统计学方法对声发射绝对能量E,等候时间δ等参数进行统计分析。结果表明:(1)卸荷过程释放绝对能量的概率密度函数在10~1～10~4aJ 4个能级内服从幂律分布;(2)随着卸载速率减小,出现在小能量区间的声发射事件可能性增大,相同卸压速率下随着围压的增大也会出现类似的变化趋势;(3)声发射"余震"事件在不同围压和卸荷速率下遵循同一线性关系,且不受"主震"事件能量大小波动的影响;(4)在小等候时间区间内(0. 1 s),幂指数不受围压和卸载速率的影响,对于大等候时间区间( 0. 1 s),幂指数在1. 3到1. 9区间波动,并且不同能量阈值下的等候时间分布具有一致性。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

牛蹄塘组与龙马溪组页岩细观结构特征研究

我国页岩气储量居世界首位,随着能源的日益紧缺,页岩气开采日渐迫切。页岩内部的孔隙、裂隙结构不仅是页岩气的储存空间,更是影响页岩气产出的关键因素。针对湖南牛蹄塘组和四川龙马溪组页岩样品进行了细观观察,分析了两组页岩的层理、裂隙及孔隙特征,统计了两组页岩的孔隙尺寸及分布特征。实验结果表明:牛蹄塘组页岩层理特征更为明显,沿层理发育有少量大孔;龙马溪组页岩层理特征不明显,层理多发育小孔;牛蹄塘组页岩主要发育黏土矿物粒间孔和不同矿物粒间孔,龙马溪组页岩中主要发育不同矿物粒间孔;两组页岩内主导孔隙均为小孔孔隙,与龙马溪组页岩相比,牛蹄塘组页岩直径小于16μm与直径大于100μm的孔隙出现的频率较高,而直径16～100μm之间的孔隙出现频率较低。     

含不同预制裂隙相似试样的注浆诱发劈裂裂隙扩展规律研究

为了研究煤岩中不同位置、角度和尺寸的裂隙对注浆诱导裂隙劈裂的影响,采用物理相似模拟试验的方法,在煤岩相似试样中设置不同的预制裂隙进行注浆试验,并基于相似试样断面情况、声发射监测结果和泵压曲线,对含预制裂隙相似试样的裂隙劈裂扩展规律进行研究。研究表明:预制裂隙与注浆孔不相交时,含预制裂隙的煤岩相似试样注浆劈裂裂隙的发育过程包含劈裂贯通、浆液填充、裂隙劈裂、劈裂扩展4个阶段;随着预制裂隙尺寸的增大,劈裂裂隙越易向着预制裂隙的方向发育;与预制裂隙贯通后,新发育的劈裂裂隙更倾向沿着预制裂隙的角度向外扩展;相交时,无劈裂贯通阶段;预制裂隙位置、角度和尺寸影响甚至决定着劈裂裂隙的发育方向。