单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

单轴压缩煤岩变形损伤及声发射特性研究

煤岩是一种具有内部结构的非均匀介质,在外裁荷作用下,煤岩内部微缺陷的成核、扩展以及相互之间的作用决定了煤岩的宏观变形、破裂特性.为了更好地了解受载煤岩体的变形损伤规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害发生机理,本文对煤岩单轴压缩变形损伤及声发射特性进行了研究,研究表明煤岩单轴压缩应力应变全过程可分为四个阶段,各个阶段的声发射不同,且不同于一般岩石的有关特性;煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性.     

含隐裂隙柱状节理玄武岩单轴力学特性研究

 对含原生隐裂隙的玄武岩试样开展单轴压缩试验,并同步采集岩样变形破坏过程中的声发射信息,结合试样的结构特征对试验结果进行系统分析,研究结果表明：(1) 隐裂隙影响试样的压缩破坏特征,试样受原生隐裂隙的切割,其压缩变形破坏模式为隐裂隙尖端裂纹的扩展、裂隙面之间的剪切滑移以及由裂隙面剪切变形而引起张拉破裂等构成的剪切–张拉型变形破坏模式。(2) 受原生隐裂隙的影响,试样在变形破坏阶段,应力–应变曲线呈“锯齿”状;(3) 含隐裂隙的玄武岩天然平均单轴抗压强度为106 MPa,低于同场地完整的隐晶质玄武岩;且试样中隐裂隙越发育,其强度越低;(4) 加卸载过程中,不同类型的变形所引发的声发射信号特征不一样,永久应变所引发的声发射信号幅值比弹性应变所引发的高;(5) 试样在破坏之前,内部破裂较少,声发射数保持平稳,进入变形破坏阶段后,声发射数激增;试样中的隐裂隙对声发射能量具有吸收效应,而当隐裂隙闭合时,吸收效果减弱。     

花岗岩破裂全过程的声发射特性研究

声发射是许多材料发生脆性破坏(包括其微裂纹的初始、扩展)过程中伴随的很普遍的现象。应用两套声发射系统,研究在单轴压缩荷载条件下10个花岗岩样(70mm×70mm×150mm)破裂过程中,随加载时间、应力变化其声发射活动的特性;通过应用单纯形算法对声发射事件定位,分析岩样破裂过程中其内部微裂纹初始、扩展过程的空间演化模式。试验结果表明:(1)在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;(2)在初始加载阶段直至初始裂纹形成之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在其加载时间点和相应的应力点处声发射事件明显增多;(3)在裂纹初始形成之后到微裂纹扩展之前,声发射活动处于一段平静期,裂纹稳定扩展直至岩石完全破坏,声发射活动变得异常活跃,特别在微裂纹扩展的非稳定阶段,声发射事件随加载时间及应力变化率非常显著。对于岩样内部初始裂纹形成之后的“平静区”而言,初始裂纹形成之后,并非裂纹随着荷载或者应变的变化而直接扩展,而需要蓄积一定的加载能量,在能量蓄积一定程度之后再进行扩展,即岩石初始破裂之后,其内部应力场需要寻求新的平衡,新应力平衡达到之后裂纹才开始进一步扩展;同样,当岩石完全破坏之后,应力也没有立即完全释放,亦是达到新的应力平衡之后,才完全失去其强度。声发射事件定位结果直观的反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态,这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

非贯通裂隙岩体单轴压缩破坏的数值模拟研究

为了研究非贯通裂隙岩体在单轴压缩荷载作用下的损伤破坏情况,采用二维的真实破裂过程分析软件RFPA2D进行了相应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:(1)由于RFPA2D软件考虑了岩石材料的非均匀性,所以模拟出的宏观单轴抗压强度小于细观单元平均单轴抗压强度;(2)在弹性加载阶段,最大剪应力的最大值出现在预制的两条裂隙的尖端,随着轴向应力的不断增大,最大剪应力的最大值也随之不断增大,待加载到峰值附近,宏观裂隙形成;(3)破坏过程声发射模拟结果,有效地反映了预制非贯通裂隙岩样在受到单轴压缩荷载时,内部累积损伤、形核、宏观裂纹出现直至断裂失稳的过程。     

岩石声发射定位技术及其实验验证

岩石是典型的非均匀脆性材料,其内部富含各种缺陷(微裂纹、空隙、节理裂隙等),在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。对含不同预制裂纹及完整岩样进行单轴压缩实验,应用声发射仪器及其盖格尔(Geiger)定位算法对岩样破裂过程的裂纹扩展过程进行实验验证。实验结果表明:在单轴压缩加载条件下,含预制裂纹的岩样发生剪切破坏;完整岩样发生劈裂破坏。声发射事件的定位达到较高的精度,很好地反映了岩样内部微裂纹孕育、萌生、繁衍和扩展的三维空间演化模式,不论是含裂纹还是完整试样的声发射定位结果与实际破坏模式非常吻合,这为研究岩石破裂失稳机理提供有力的工具。     

单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对砂岩、砂质泥岩和戊组煤试样进行了实验研究。对砂岩、砂质泥岩和戊组煤的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:煤岩全应力-应变过程可分为四个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余变形阶段。初始压密阶段,声发射计数都比较低,累计计数增加的趋势特别缓慢;准弹性阶段,声发射计数有所增加,累计计数变化趋势相对较快;塑性变形破坏阶段,声发射计数都出现了跳跃式上升,声发射累计计数都出现了激增现象,但是砂岩的特别明显;残余变形阶段,声发射计数水平比较低,累计计数基本不增加了。煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征,分形维值在煤岩破坏前会出现突降现象,可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。     

粒度对砂岩力学及声发射特性的影响研究

对取自重庆地区的不同粒度的砂岩进行单轴压缩条件下的声发射试验,并以时间为参考变量,得到力学与声发射参数之间的耦合关系,对其进行分析研究,以研究粒度对砂岩在单轴压缩破坏过程的影响规律,并以此进一步揭示岩石破坏的微观机制,结果表明:(1)粒度越大,砂岩的抗压强度越大,弹性模量越大,峰值应变越小。表明粒度越大,砂岩的抗压和抗变形能力越强。(2)砂岩的声发射现象可以分为三个阶段:初始压密期、平静期和爆发期。粒度对砂岩的声发射初始压密期和平静期影响不明显,但对爆发期有显著影响,粒度越大,砂岩在破坏阶段的声发射越剧烈。(3)从砂岩声发射RA值可以看出,砂岩破坏时的裂纹为张剪混合裂纹,以剪切裂纹为主,粒度越大,张拉裂纹越多。并且砂岩声发射RA值在破裂发生前都有突然增大,并达到峰值的现象,预示着破裂即将发生,因此可以将声发射RA值的突然增加作为砂岩破裂前兆信息。。     

直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性

采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置,对砂岩和石灰岩2种岩样进行直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验。试验结果表明,2种岩石的声发射活动情况大体相同。在单轴压缩条件下,加载早期的声发射活动较为活跃,随着荷载的增加,许多试样的声发射率较加载初期有所下降,这通常被认为与试样中的裂隙压密有关。劈裂试验条件下岩样的声发射活动规律与单轴压缩条件下基本一致,所不同的是：在劈裂试验条件下,声发射活动在整个加载过程中持续不断,直至临近破坏时,声发射活动大量增加,即劈裂试验条件下未观察到与单轴压缩试验类似的“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象,也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时,声发射累计事件数出现阶跃、变形曲线上出现拐点的现象。在直接拉伸条件下,试样的声发射活动又有很大不同,在破坏发生前的整个加载过程中,观察到的声发射事件数和能率远少于单轴压缩和劈裂试验的结果。对于大多数试样,声发射事件仅在试样破坏时才能观察到。     

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。     

煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制

 利用MTS 815试验机和声发射监测系统对单体岩石、单体煤和煤岩组合体进行单轴试验下的声发射测试,找出三者之间破坏机制的差异,从而为现场微震监测提供指导。试验结果表明,随着荷载的增加,单体岩石、单体煤及煤岩组合体的累积声发射数都增加,并且煤及煤岩组合体单位体积的声发射数要比岩石的声发射数高1个数量级,这主要是煤的强度较低且内部结构松软破碎所致。通过区分不同时段的声发射特征,得出三者破坏存在本质差异：随着荷载的增加,岩石的时段声发射数逐渐增多,煤的时段声发射数逐渐减少,而煤岩组合体的时段声发射先逐渐增加后逐渐减少。岩石的抗拉强度最高,煤的最低,而煤岩组合体的位于单体岩石和煤之间。对于煤岩组合体,岩石内部的声发射数约占声发射总数的10%～30%,煤体占70%～90%;并且声发射的空间分布主要受煤体结构及原生裂隙的影响。     

片麻岩破裂演化机制的颗粒流模拟研究

以杏山铁矿-45水平为工程研究背景,运用颗粒流理论,建立了片麻岩颗粒流数值模型;在分析区域岩体粒径分布规律和岩石物理力学特性的基础上,进行了PFC模型参数对宏观参数的敏感度分析,确定合理的模型输入参数;采用PFC^2D程序,对片麻岩的单轴压缩试验进行了数值模拟。将模拟结果与室内试验结果进行对比,借助声发射技术,分析单轴压缩试验中岩石从微观裂纹到宏观破裂的演化过程,获得单轴压缩条件下岩石破裂的演化规律及破裂模式。研究结果对完善岩体的本构模型具有一定参考价值。     

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

 采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生II类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生II类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部：单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。     

Crack evolution of soft–hard composite layered rock-like specimens with two fissures under uniaxial compression

Acoustic emission and digital image correlation were used to study the spatiotemporal evolution characteristics of crack extension of soft and hard composite laminated rock masses (SHCLRM) containing double fissures under uniaxial compression. The effects of different rock combination methods and prefabricated fissures with different orientations on mechanical properties and crack coalescence patterns were analyzed. The characteristics of the acoustic emission source location distribution, and frequency changes of the crack evolution process were also investigated. The test results show that the damage mode of SHCLRM is related to the combination mode of rock layers and the orientation of fractures. Hard layers predominantly produce tensile cracks; soft layers produce shear cracks. The first crack always sprouts at the tip or middle of prefabricated fractures in hard layers. The acoustic emission signal of SHCLRM with double fractures has clear stage characteristics, and the state of crack development can be inferred from this signal to provide early warning for rock fracture instability. This study can provide a reference for the assessment of the fracture development status between adjacent roadways in SHCLRM in underground mines, as well as in roadway layout and support.     

煤岩破裂过程中电荷感应机理分析

利用自主研制的电荷感应仪,建立单轴压缩条件下煤岩电荷感应试验系统和温度对煤岩电荷感应影响试验系统对煤岩电荷感应进行研究。得出煤岩温度升高能形成热电子发射,使煤岩产生电荷,但煤岩破裂过程中产生的主要电荷不是热电子发射产生的。根据电荷-能量联系定律,提出了煤岩变形破裂过程中产生的电荷信号是因煤岩能量释放而产生的观点。认为煤岩产生电荷量可作为煤岩释放能量的量度。煤岩释放能量越多,产生电荷越多,即测得煤岩电荷信号越强,说明煤岩释放能量越多。还解释了煤岩强度越大,破裂时产生电荷量也越多的现象,解释了不同性质煤岩体,破裂过程中释放能量相同而产生电荷信号不同的现象。可为进一步的研究提供参考。     

Estimation of cracking and damage mechanisms in rock under triaxial compression by moment tensor analysis of acoustic emission

In highly stressed conditions, the excavation damaged zone induced by stress redistribution and disturbance must be evaluated after tunnel excavation. Therefore, the deformation and fracture characteristics of rock must be investigated. In this study, the fracture and damage mechanisms of rock induced by the accumulation of microcracks were investigated by moment tensor analysis, as well as by the moving point regression technique, both of which were applied to acoustic emission (AE) and strain data obtained from triaxial compression tests. Damage thresholds before the peak strength of rock under triaxial compression were determined by the moving point regression technique using acoustic emission data. The results showed that damage thresholds, except the crack closure stress, increased linearly with confining pressure. The results of the moment tensor analysis showed that shear failure was a major microscopic failure mechanism of rock under triaxial compression. In addition, shear failure became more dominant as the confining pressure increased. In this analysis, the expression of the damage magnitudes in each AE source as relative crack volumes leads to accurate prediction of macroscopic failure mechanisms, as well as major failure planes in the rock. In addition, the orientation of the macroscopic failure plane could be estimated by the orientational distribution of microcracks.