深部片麻岩破坏全过程声发射时频域信号特征及前兆预警研究

针对矿山深部开采中岩石突发性灾害事故频发问题,以揭示岩石破坏前兆特征为目的,以金厂峪金矿深部片麻岩为研究对象,采用单轴压缩声发射试验,研究深部片麻岩承载过程与声发射时频域特征的关联性,并深入分析岩石失稳破坏前声发射时频域参数的前兆特征及两者的耦合性.结果表明:(1)声发射时域参数振铃计数在屈服阶段表现出明显的"单峰"型突增浮动特征;振铃计数率、累计振铃计数和能率、累计能量在临近破坏前呈现"高值突增"现象.(2)岩石破坏全过程声发射主频分为5个频带,低频带信号(0～40 kHz)占比呈现先增大后减小、再增大又减小的规律;中低频带信号(>40～80 kHz)零星分布,无明显特征;中频频带信号(>80～130 kHz)在岩石破坏全过程中占比最大,且呈现稳定变化趋势,临近破坏前呈现快速增大特征;中高频带信号(>130～160 kHz)只在岩石临近破坏前才出现;高频带信号(>160～200 kHz)占比呈现先减小、后增大的规律.(3)临界破坏前振铃计数、能率的"突增"和高频信号在相同时间所表现出的"快速增加"和"下移"特征以及低频信号"缺失"的特征可作为岩石失稳破坏的关键前兆信息.通过分析声发射时频域特征参数变化,可以更加准确地对岩石破坏前兆信息进行判断识别,这对矿山开采及工程施工安全预警具有重要的应用价值.     

基于磁致伸缩超声导波的道岔尖轨缺陷监测实验研究

尖轨缺陷是道岔系统的重要安全隐患之一。研究利用平板式磁致伸缩传感器在轨底激发30、70和100 kHz的类水平剪切波,对尖轨轨头和轨底缺陷进行监测。首先,研究了环境温度对尖轨中特征结构反射回波波包能量的影响规律,观察到波包能量随温度近似线性增长。提出利用特征信号和基准信号能量比值的方法,有效补偿温度对监测结果的影响。其次,开展了尖轨轨头和轨底缺陷体积增大过程中的导波监测实验,利用了缺陷及其后端反射波包能量“先扬后抑”的特性,增强了导波对缺陷的识别能力。以30和70 kHz导波为例,它们可分别识别出长20.0 mm、宽2.0 mm、深7.1 mm的轨底缺陷和长38.6 mm、宽2.0 mm、深10.1 mm的轨头缺陷。上述研究表明,磁致伸缩导波技术可以实现道岔尖轨缺陷的有效监测,具有重要的工程应用前景。     

有界双层结构SH导波频散特性分析

为了检测附着防腐层层状结构中是否存在剥离、孔洞等缺陷,利用超声SH导波研究层状结构频散特性的影响因素,基于弹性及粘弹性波动理论并依据Navier运动位移方程推导了附着防腐层双层结构的频散方程,并分析了防腐层剥离缺陷状态对频散特性的影响.结果表明:通过研究SH导波频散特性的变化可反映附着防腐层的双层结构是否存在剥离缺陷;防腐层产生剥离缺陷时,导波SH_0模态发生频散且向防腐层横波速度渐近.防腐层剥离缺陷尺寸增大,回波信号幅值增加,截点振动速度变慢,导波能量衰减减小.     

自由锚杆纵向超声导波特性理论计算与试验研究

基于超声导波技术的锚杆无损检测对保障工程安全具有重要意义。利用解析勒让德多项式方法研究自由锚杆纵向超声导波传播和衰减特性,该方法克服了传统勒让德多项式方法因含有大量数值积分计算致使求解时间长的问题,计算效率得到极大提高。计算钢杆的纵向导波群速度和衰减,与已有文献结果比较,证明此方法的正确性;与传统多项式方法对比,揭示此方法的高效性。通过试验研究自由锚杆导波传播特性,测得导波群速度值,与理论结果进行比较。结果表明：自由锚杆L(0,3)-L(0,10)模态下的衰减最小值和群速度最大值均随模态阶数增大而增大,且衰减最小值与群速度最大值在同一频率处。导波衰减值与回波振幅之间存在对应关系,衰减值越小,端面回波幅值越大。     

尾砂库溃坝洪水演进过程模拟

为全面评价尾砂库溃坝风险,主动应对可能出现的溃坝事故灾难,以黄荆坝尾砂库为例,建立溃坝洪水演进数学模型,经过模拟分析,得出了溃口流量过程和重要区域淹没情况.结果表明,溃坝初期溃口流量不断增加,随着库水位不断降低,溃口流量随后逐渐减小;黄荆坝上游来水越大,尾矿库发生溃决的的时间越短,淹没范围和淹没水深越大.     

地表动态沉陷变形规律与计算方法研究

为了全面揭示地表动态沉陷变形的全过程,通过分析相似材料模型实验结果和实测资料,针对地表动态沉陷变形的发展变化特点,将地表动态沉陷盆地发展变化的全过程划分为下沉发展、下沉充分和下沉衰减3个阶段．结果表明：3个阶段的走向主断面上地表下沉表达式可以用负指数函数表示;下沉发展阶段地表下沉表达式中W,L,a和b动态形位参数随推进距的变化分别为对数、线性和指数函数,下沉充分阶段地表下沉表达式中的W,L,a和b为常数值5460mm,440m,5．57,5．1,下沉衰减阶段地表下沉表达式中4个动态形位参数随时间的变化符合对数函数;最大下沉速度的变化过程也分发展、充分和衰减3个阶段。     

门式刚架工字钢柱应力集中与磁记忆效应对应关系的试验研究

通过对Q235门式刚架进行拟静力试验,检测其中钢柱表面的法向漏磁场,得到了不同荷载作用下磁记忆信号的法向分量,研究了磁信号在不同受力阶段的变化特征,建立了磁信号及其梯度值与应力集中部位的对应关系.试验结果表明:随着荷载的增加,磁信号法向分量先增加后减小,转折处可以较好的判断构件是否进入屈服阶段;H_p(y)值出现极值和反转现象,可以较好的判断应力集中部位;用梯度值出现极值判断应力集中位置,会出现偏差很小的延后现象,可以用来辅助判断应力集中.     

积分时间对TOF激光雷达测距误差影响

结合飞行时间(time of flight, TOF)激光雷达测距的原理和基本模型,着重分析积分时间对于测距误差的影响。TOF激光雷达采集的原始数据包含噪声,故按照如下方法对数据进行处理:(1)利用上位机软件采集TOF激光雷达在不同积分时间下的原始数据;(2)采用均值滤波算法对采集得到的原始数据进行预处理,降低噪声导致的误差;(3)根据信号相对强度进一步滤除低幅值的像素区域,选取有效区域的数据,并根据选取的有效区域进行距离的计算;(4)根据计算结果详细分析不同积分时间对测距误差的影响。在固定距离为0.6 m时, TOF激光雷达测距在最佳积分时间下平均绝对误差下降为22 mm,误差下降率为97.23%,均方根误差为0.8 mm;在0.3～1.0 m的不同距离下,误差下降率达到97%以上,测距准确度大大增加。     

循环射流混合槽压力波动时间序列差异性分析

为了研究循环射流混合槽内压力波动信号的前向和后向符号时间序列的动力学特征的差异性,利用等概率原则对PFS(pressure fluctuation signals)时间序列进行符号化转换,通过修正的Shannon熵选取最佳符号集大小和子序列长度。利用子序列编码图、时间不可逆转性、秩次图和秩次距离等参数对PFS时间序列进行STSA(symbolic time series analysis)研究。研究结果表明:修正的Shannon熵最小时确定优化符号化参数为n=2和L=10。前向与后向时间序列的子序列编码分布相似但其频数不等,表明CJT(circulating jet tank)内湍流流动呈现多尺度混沌确定性特征。PFS的时间不可逆性值随着周向角的增加不断增加,随z/H的增大呈现先降低再上升最后降低的趋势,随雷诺数的增加呈现"W"型分布。时间不可逆性值与秩次距离对PFS前后向序列动力学特征的差异性判断相互吻合。     

基于声发射事件b值变化规律的岩石破坏前兆识别及其局限性

利用多道声发射采集系统记录了不同岩性的岩石试件变形破坏过程中的AE全波形,由扫描算法求得试件变形全过程的声发射b值动态曲线.声发射b值在岩石加载前期和中期阶段b值总体呈上升趋势,上升过程中有不同程度和次数的起伏,到岩石接近破坏时,b值迅速降低.但是,声发射b值的下降并不一定代表岩石即将失稳破坏,仅依靠声发射频率和强度参数并不能完整准确地反演岩石内部结构,也不能实现对岩石失稳破坏的预测预报.岩体的动力失稳破坏的机理异常复杂,要实现准确的预测预报,应对声发射信号所包含的信息进一步挖掘,并对比分析其它岩石状态参数的变化规律.     

煤系地层弹性波阶段性衰减特性分析

微震监测技术在矿山动力灾害预警、水力压裂增透效果评价等方面发挥着显著作用.煤系地层是典型的层状介质，介质各向异性和层间界面是弹性波在煤系地层中传播和衰减的重要影响因素.结合弹性波传播理论，采用有限元数值模拟为手段，研究了层状介质中弹性波传播的阶段性衰减特征.研究结果表明：相同试验条件下，层状介质中弹性波传播的信号幅值随着传播距离的增加呈指数衰减.由于层间界面的反射和透射作用，雷克子波速度幅值在100～400 Hz频带内显著衰减，在低频段(100～200 Hz)内的垂直衰减系数约为水平衰减系数的1.5倍，测点有效监测范围为8～12 m.雷克子波作用1个周期内，穿层方向的垂直应力场在近震测点(距离≤13 m)范围内具有相同的波动规律，应力响应表现出传递特性；随震源作用时间和传播距离增加，层间不连续界面阻断弹性波应力传递过程，弹性波幅值在主应力方向表示出阶段性衰减规律，应力状态呈现“正—负—正”交替变化特征.通过数据拟合分析发现，层状介质中的衰减系数介于单层介质吸收衰减系数的最小值与最大值之间.     

轻轨隧道下穿建筑物爆破震动试验研究

以重庆轨道交通环线体育公园站浅埋轻轨隧道工程为研究背景,进行了施工通道钻爆循环掘进下穿"两江春城"的爆破震动效应试验。在钻爆初期,通过监测参数计算出爆破振动衰减参数,并通过测量轻轨隧道下穿建筑物时,爆破引起的建筑物不同楼层处的振动速度波形,探讨建筑物的震动特性及爆破地震波传播和衰减规律。研究发现,其爆破振动衰减参数为=1.88,k=99.43;浅埋轻轨隧道钻爆掘进过程中,其垂直方向的爆破振速明显大于水平方向的,因此在研究爆破振动传播和衰减规律及其对建筑物振动的影响时,主要以垂直方向的爆破振速为依据;建筑物的爆破振速在底层随着楼层的增加而增大,中层随着楼层的增加而减小,顶层又随着楼层的增加而增大,而不是随楼层的增加而减小,即不满足传统萨道夫斯基衰减规律。同时测得轻轨隧道下穿建筑物后的爆破振速相比下穿前的,存在放大效应,其放大倍数约为1.32~1.69。     

电阻点焊接头超声波C扫描检测分析

运用超声波扫描显微镜对点焊接头进行超声波C扫描检测,分析了不同焊接工艺条件下的C扫描图像及其演变特征,同时研究了C扫描图像各特征区域A扫描信号的变化特征;通过拉剪试验获得了接头抗拉强度、峰值位移以及能量吸收值等力学性能参数,探讨了点焊接头C扫描图像与各力学性能参数之间存在的对应关系.结果表明:超声波C扫描图像能够反映点焊接头内部形貌特征;通过A扫描信号可以甄别C扫描图像的特征区域;当供给压力为0.15 MPa时,超声波C扫描图像可以呈现飞溅、过烧等焊接缺陷;随着供给压力的增大,焊核直径逐渐增大,接头能量吸收值、峰值位移与抗拉强度等力学性能均呈现先增大后减小的变化趋势.     

河谷坡度对岩体地应力场影响的数值模拟

通过选取河谷坡高及谷宽作为引起坡度变化的主要因素,采用FLAC3D计算程序,并结合河谷发育演化史,研究了坡度变化对河谷岩体地应力的大小、方向及分布的影响。研究结果表明：(1)谷底应力集中现象明显,呈现河谷区典型的“应力包”分布特征,应力集中区范围及最大主应力量值均随坡度的增加而增大;(2) 谷坡上方浅部属于低应力区,最大主应力值随坡度的增加而减小,而谷坡下方靠近坡脚附近的最大主应力值随坡度的增加而增大;(3) 主应力方向分布特征在河谷不同部位存在明显的差异,且坡度越大,差异越明显。最后,以南水北调西线工程阿达坝区为例,对坝区地应力场分布特征进行分析,进一步验证了数值模拟结果的正确性及合理性。     

π平面上冻结黏土破坏函数适用性试验研究

为了研究冻土在π平面上的强度特征,利用冻土空心圆柱仪对冻结黏土开展了-6.0℃条件下4个平均主应力p(1.0,3.0,4.5和10.0MPa)和5个应力Lode角θσ(-30.0°,-16.1°,0°,16.1°和30.0°)的定向剪切试验.结果表明:定向剪切路径下冻结黏土的应力-应变曲线均呈现应变硬化特征;随着中主应力系数b值的增加,轴向强度逐渐降低;随着平均主应力p值的增大,中主应力系数b值对广义剪应力-剪应变曲线的影响逐渐减弱;在平均主应力p值较小时,中主应力系数b值的变化对破坏应力比的影响较大,而在平均主应力p值较大时,这一影响则较小;在相同中主应力系数b值下,破坏应力比随着平均主应力的增大而减小.随着平均主应力的增加,π平面上冻结黏土的破坏曲线形状从光滑外凸三角形渐变为圆形,非线性广义强度理论能较好描述这种演化规律.     

不同开挖洞径深埋隧洞岩爆模型试验研究

为研究开挖洞径对深埋隧洞围岩岩爆破坏的影响,开展3种不同洞径的类岩石材料大尺寸试件真三轴岩爆模型试验,利用智能摄像机和声发射监测系统对试件加载破坏进行全过程监测,对比分析不同洞径对试件岩爆的影响规律。结果表明：不同开挖洞径试件在加载过程中皆经历了初始损伤(Ⅰ)、损伤发展(Ⅱ)与损伤破坏(Ⅲ)3个阶段。洞径增大,试件隧洞破坏荷载减小,岩爆破坏范围与碎屑质量增大,大块碎屑质量占比增加。加载过程声发射事件能量最大值随洞径增大呈递减趋势,而累计能量呈递增趋势,反映小洞径试件破坏时能量释放更集中,破裂剧烈程度更高,洞径越大,试件内部产生裂纹的总体规模越大。加载过程声发射b值在进入损伤发展(Ⅱ)和损伤破坏(Ⅲ)阶段时皆有显著减小,反映在此阶段大裂纹事件的产生增多;声发射总体b值随着洞径的增大而减小,反映试件随洞径的增大,破碎程度降低及大尺度破裂增多。在损伤破坏(Ⅲ)阶段,低、中频高幅值声发射事件比例随着洞径的增大递增,反映试件随洞径增大在此阶段围岩大尺度破裂增多。声发射各阶段时频特征参数反映的试件各阶段的损伤破裂尺度与试件宏观破坏现象一致。     

离心泵快速启动过程的瞬态水力特性——外特性研究

介绍了水泵瞬态试验装置和试验过程，对一台叶轮直径为125 mm的管道离心泵进行了试验，通过快速响应测试仪表和高速数据采集系统实现瞬态参数的采集。给出在4种不同管路参数下离心泵启动过程的试验结果，并与基于准稳态假设的结果进行比较。试验结果表明，在启动过程中，离心泵的扬程随着转速的迅速上升而迅速增大，并在转速最大时达到最大值，转速稳定后的瞬态性能与稳态性能完全对应。在转速到达最大前的瞬态过程中，后阶段的性能与基于准稳态假设的结果基本吻合；在启动初始阶段，无量纲扬程呈现很大值，继而迅速减小到低于准稳态假设值，表现出明显的瞬态效应。     

冻结砂土改进开尔文蠕变模型分析

对砂土采用分级加载的方式在不同温度下进行单轴蠕变试验,分析试验结果发现蠕变变形值随加载应力的增加而增大,随温度的降低而减小。根据应变-时间曲线变化特征,采用开尔文模型来描述冻结砂土蠕变的衰减阶段和稳定阶段,构建一种能反映冻结砂土整个蠕变过程的改进开尔文蠕变模型。采用最小二乘法对模型参数进行优化识别,并对优化参数与温度进行回归分析,得到考虑温度的冻土蠕变模型。发现使用参数优化识别考虑温度效应的改进开尔文蠕变模型相较传统开尔文模型能更好地描述冻结砂土蠕变规律。     

Ultra 2020功率放大器的计算机控制

为了调节Ultra 2020功率放大器以用于超声信号的放大,针对一般情况下功率放大器的放大倍数无法调节的特点,利用PC机、Powernap数据采集板及Visual Basic语言编制软件,完成了对Ultra 2020功率放大器的实时控制,不仅可以调节功率放大器还可以对其参数状态监控,其特点是输出功率稳定、可控,使用方便、应用界面友好. 并为下一步用超声导波监测试件奠定了一部分实验基础.     

基于时间反转法的管道周向裂缝损伤检测

目的 研究采用超声导波检测管道中可能存在的周向裂纹的损伤形式,验证时间反转法在管道超声检测中的应用效果.方法 建立了一套试验系统,将不同传感器接收到的声源发射信号,按其时间历程的反向过程重新向介质发射回去,使得信号先到后发、后到先发,同时回到波源处,可以有效地实现声源信号的重构,然后进行参数分析.结果 缺陷深度贯穿壁厚时,导波的反射系数随周向长度的增加而同比线性增加,要比反转前反射系数增加5倍以上,通过分析缺陷周向长度对导波的反射系数的影响,可以近似估计缺陷的尺寸.结论 应用信号时间反转法可以实现信号的聚焦增益,可以提高声波信号在固体介质中的信噪比,对于超声导波在管道缺陷的无损检测的进一步应用,具有很重要的现实意义,对实际工程具有具体指导作用.