刀具破岩声发射能量理论分析及数值模拟

根据刀具破岩过程中声发射的产生与应力场存在的耦合关系,从细观上分析了声发射能量与应力之间的关系,确定了刀具静力侵入岩石破碎时声发射能量的关系式;应用岩石破裂分析软件RFPA~(2D)进行刀具破岩声发射数值实验。结果表明:刀具静力侵入单位体积岩石破碎释放的声发射能量与加载速率、岩石抗压强度、岩石弹性模量、刀具形状以及刀具与岩石的摩擦系数等有关;随加载速率增加(一定范围内),两种刀具破岩释放声发射累积能量急剧增加,随后声发射累积能量增加缓慢;十字型刀具破碎岩石单元和声发射累积能量均大于一字型刀具,且破碎岩石所需时间减小;适当增大加载速率可以提高刀具破岩效果。     

不同加载速率下花岗岩破裂声发射试验研究

利用RMT-150C岩石力学试验系统,选用十字型钎头和一字型钎头对花岗岩进行了不同加载速率下单轴压入破碎试验,采用多通道AE信号检测系统采集了花岗岩破坏的声发射信号.结果表明:加载速率对受载岩石内部声发射活动有较大影响,岩石声发射累积能量及声发射振铃计数均随加载速率的增加而增加,到达一定程度增加幅度下降;十字型钎头与一字型钎头相比,岩石破碎声发射活动更加活跃,释放的声发射能量更多,破岩效果更加明显;适当增加施加载荷的速率以及选择合适的钎头对脆性岩石破碎有较好的效果.     

单双压头动静组合载荷破岩数值试验研究

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,以脆性岩石花岗岩为研究对象,进行了对单压头和双压头在不同加载模式下的破碎数值试验,采用声发射活动作为衡量标准表征破岩效果.结果表明:所加静载较小或动载荷应力波幅值小于岩石强度时破岩效果差;动静组合载荷加载条件下单压头和双压头均能大幅提高岩石破碎效果,且单压头破岩声发射能量大于双压头;双压头动静组合载荷破岩时压头间距对破岩效果有影响.     

滚刀破碎煤岩机理的声发射研究

应用声发射测试方法研究滚刀破岩机理，试验中采用了先进的声发射测试系统（ＡＥＴ－５５００），介绍了试验、测试方法，并对试验结果进行了分析。     

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。     

烧变岩石受压破坏全过程声发射特征试验

在对烧变岩石受压破坏全过程进行声发射试验基础上,检测了岩样从加载直至破坏过程中的声发射活动,得到了烧变岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征,探讨了声发射信号在岩石受力变形破坏过程中的变化规律,为正确利用声发射信息监测岩石破坏的前兆现象提供了理论依据。     

岩石脆性断裂试验的声发射分析

对不同岩石进行单轴受压试验,并采集岩石受压全过程的力学特征和声发射特征.通过对不同岩石声发射信号和力学参数的对比分析证实,不同岩石的声发射特征是有区别的,岩石变形损伤的声发射特征曲线与应力-应变曲线存在关联特征,岩石声发射的kaiser效应是存在的.     

应力速率对岩石声发射特征影响的试验研究

在刚性试验机上对花岗岩岩样进行单轴加载试验,在应力速率分别为20,30,40kN/min条件下对花岗岩受力变形过程中的力学特性和声发射特性进行了测试和分析。随应力速率的增大,花岗岩的抗压强度依次提高,应力速率越大,岩石的破坏越趋于剧烈;声发射活动伴随花岗岩单轴压缩破坏全过程,在压密阶段及弹性变形阶段,声发射活动不显著,声发射信号较少,而在应力水平达到岩样抗压强度的95%左右时,声发射参数出现剧增;应力速率为30kN/min时,声发射活动最剧烈,且破坏时的累积声发射数也最多。试验结果表明,应力速率对花岗岩的力学特性和声发射信号特性具有显著的影响。     

煤与砂岩复合岩声发射统计效应的试验与最大似然理论

岩石类材料破裂损伤的声发射统计效应近年来在理论、试验和模拟方面已开展了大量研究,并且近年来以声发射为实验基础,采用统计物理学的方式分析声发射信号,继而关于材料内部损伤机制的相关研究也得到了发展,但是针对不同材料声发射统计效应及其相互作用与临界行为研究还较为缺乏。为此在实验室条件下采用日本岛津AGI-250高精度材料试验机对由分别取自内蒙古和重庆地区的煤与砂岩组成的复合岩开展了单轴压缩试验,利用DISP系列全数字声发射工作站采集压缩条件下试样中煤与砂岩层位的声发射信号,对信号进行了概率密度分布分析,并建立了考虑叠加效应的幂律指数最大似然估计方法。研究发现:复合岩在单轴压缩条件下煤层和砂岩层的声发射信号与纯煤和纯砂岩表现出了不同的统计性质,其整体声发射能量概率密度分布受煤层影响较大,砂岩层整体服从单幂律分布,而煤层则服从双幂律分布;叠加效应的幂律指数最大似然估计方程由上下限幂律指数α,β,与声发射数量比例x三参数控制,方程预测结果与试验中拥有较低幂律指数层位的分析结果一致,且随着声发射能量的增加逐渐趋近于下限幂律指数值;随着声发射能量级的增加,复合岩中煤层对整体统计结果的影响程度逐渐增加,而砂岩层的影响程度变化不明显。     

不同温度作用后灰岩声发射特征研究

研究灰岩在不同温度作用后进行单轴压缩时的声发射特征。通过试验得到灰岩破坏全过程中应力-声发射数量曲线。试验结果表明:声发射现象能很好地表现岩石单轴压缩的过程;高温下,灰岩的力学性质与岩石所含矿物质含量有密切关系。     

底板硬岩多轴条件下的力学特性和冲击倾向性

为研究深部煤矿顶底板围岩在高应力下的冲击危险性,以跃进煤矿为工程背景,取自23092工作面的底板硬岩作为试验对象,应用真三轴试验机进行了一系列多轴(常规三轴和真三轴)条件下的压缩力学特性试验,部分试验还同步了破坏过程声发射信号测量。借助光学显微镜和场发射扫描电镜辅助分析试样微观特性表征。多轴压缩力学试验表明23092工作面底板硬岩具有明显弹脆性变形破坏行为,底板硬岩在单轴压缩情况下的脆性程度最高,中间主应力与脆性破坏指数负相关。最小主应力恒定时,中间主应力增加情况下的岩样的全应力-应变曲线、宏观破坏模式、岩样破裂角、脆性指数以及破坏岩样的SEM图像的变化特征均表明底板硬岩的脆性破坏特征与应力状态有关,即中间主应力增加促进其脆性破坏行为。底板硬岩在多轴应力状态下表现出峰值强度较大离散性,这与成岩过程中软弱矿物夹杂汇聚造成的岩石均质性差异有关。底板硬岩的冲击倾向性受真三向应力状态影响,最小主应力接近零的巷道底板表层附近硬岩表现为无或弱冲击危险性,但在中间主应力较高的深层硬岩则表现强冲击危险性,且随中间主应力增加而增强。多轴条件下压缩破坏的声发射信号具有前兆释放性,声发射信号伴随峰后多阶段破...     

原煤劈裂和单轴压缩破坏声发射特性实验研究

对劈裂和单轴压缩条件下原煤损伤破坏全过程的声发射特征规律进行了对比研究。研究表明,单轴压缩破坏时,加载初期声发射信号较少;在弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射信号呈剧烈增加趋势;声发射能量和声发射脉冲数在破坏阶段达到最大值。劈裂试验时,在裂纹的加速非线性弹性变形阶段开始产生声发射信号;声发射能量和脉冲数在破坏阶段达到最大值;但是与单轴压缩相比,劈裂试验下声发射信号出现较晚,声发射能量较低,脉冲数较大;未观察到与单轴压缩实验类似的"裂隙压密"阶段声发射脉冲数较高的现象。     

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。     

油气钻井组合载荷破岩数值试验研究

机械破岩是各类油气井钻进工程中重要的基础技术。运用岩石破裂分析系统RFPA,对不同组合载荷加载条件下压头侵入破碎硬岩(花岗岩)和软岩(页岩)情况进行了数值试验,采用声发射能量作为表征岩石破碎效果的指标。结果表明:较小的单一静载荷或动载荷破碎软岩可取得良好的破岩效果,但对硬岩则效果不佳;不论软岩还是硬岩,静、动组合载荷破碎岩石单元数量和声发射能量均大于单一静载荷或动载荷;声发射能量可以作为衡量最终破岩效果的指标。     

加载速率对砂岩和花岗岩声发射事件宏微观形成机制的影响

分析了砂岩、花岗岩在不同加载速率下声发射事件的分布特征,并对有、无声发射事件区域的岩石碎片进行电镜扫描,从宏微观并结合声发射信号特征分析了加载速率对声发射事件形成机制的影响。研究表明:随加载速率的增加,镜面区特征逐渐减弱,即其对应的颗粒间的滑移以及岩石内部微裂隙共同作用产生的破坏变少,同时岩石越易发生脆性破坏,其产生的声发射信号多为连续型(或似连续型),不利于形成声发射事件,所以声发射事件数逐渐变少;对于砂岩,微破坏及小的宏观破坏是声发射事件形成的根源,对于花岗岩,颗粒间的位错是声发射事件形成的根源;花岗岩镜面区特征及范围较砂岩明显,即颗粒间的滑移及微裂隙共同作用更加明显,同时宏观上砂岩的破碎程度和规模也远小于花岗岩,所以砂岩的声发射事件数远少于花岗岩;镜面区特征明显说明颗粒间的滑移以及岩石内部微破坏是岩石的主要破坏组成,所以花岗岩从加载开始便有声发射事件,而砂岩没有。砂岩和花岗岩声发射事件的形成机制有着明显的区别。     

加载速率与裂隙倾角复合作用下类岩材料破断试验及声发射特征分析

通过对含0.1mm预制裂隙的类岩材料进行静态到准静态的不同加载速率单轴压缩试验,分析加载速率与裂隙倾角复合影响的裂隙体类岩石材料破断规律。基于声发射测试技术,分析加载速率和裂隙倾角复合作用下,含预置裂隙类岩材料起裂强度变化规律及岩体破裂全程动态频域变化特征。试验结果表明:类岩试件的峰值强度受预置裂隙倾角和加载速率共同影响,相同加载速率条件下,含预制裂隙类岩石试件的劣化系数随裂纹倾角增大呈现先增大后减小的趋势,裂隙倾角为45°时,劣化系数最大,倾角为90°时,劣化系数最小;不同加载速率下,裂隙体劣化系数随加载速率的增大而减小。声发射测试数据表明,依据声发射特征参数分析岩石破裂全过程是可靠的,且在峰值强度过后,仍然有大量的声发射事件产生;通过能量率分析,可得到类岩试件的起裂强度,进而得到裂隙体起裂应力水平,得出起裂应力水平与预制裂隙倾角、加载速率的回归方程。     

砂岩声发射信号的功率谱分析

通过对砂岩进行单轴加载声发射实验,获取声发射信号。经研究发现采集到的声发射信号能量-时间曲线与试件的载荷-时间曲线密切相关。根据载荷、能量时间曲线,将整个声发射过程大致分为I、II、III和IV四个阶段,对4个阶段的部分声发射信号进行FFT变换,发现随着加载的进行,声发射信号的主频有向低频段迁移的趋势;用Welch法做功率谱估计,发现第I、III阶段声发射信号的功率谱与第II、IV阶段声发射信号的功率谱存在明显差异,越接近破裂出现B类型功率谱的几率越大。研究结果表明:结合FFT变换,采用Welch法分析岩石声发射信号的功率谱,可得到岩石整个破裂过程的声发射信号特性,这为分析岩石破裂全过程的力学及声发射特性提供了一条新的思路,也为声发射应用于岩石破裂失稳预报奠定了一定的工作基础。     

花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究

通过声发射仪、红外热像仪观测有水压条件下的花岗岩试样单轴加载实验,研究加载过程中试样的声发射与红外辐射特征以及花岗岩破裂与渗水的红外及声发射异常前兆。研究结果显示：随着应力的逐步增加,试样的红外辐射表现为早期均匀上升、中期局部高温异常、后期渗水区低温异常;在破裂及渗水过程中,红外辐射表现为高温辐射场包围低温辐射场;花岗岩破裂-渗水的红外异常前兆为渗水点出现明显的“先升后降”红外辐射现象; 32～128 kHz频段是花岗岩破裂渗水时声发射信号的特征频带,且在渗水前夕该频带能量呈百分比下降趋势,并在渗水发生时降至最低点。上述实验结果对巷道开挖过程中透水事故的遥感监测预警具有重要的意义。     

岩石静力特性与声发射相关关系的试验研究

研究岩石在单向压缩和剪切条件下的声发射特性，给出了试样岩石的压和和剪应力与声发射关系曲线，所在经探讨了声发射信号在岩石受力、变形、以至破 的变化规律，从而为岩体的稳定性分析提供了依据。