深部岩爆的声发射监测及数值模拟

应用声发射技术对红透山铜矿深部岩爆过程进行监测，系统地分析实测数据并与巷道收敛结果对比，同时，利用边界元程序对岩爆发生地点的应力分布状态进行模拟计算，结果表明，采用声发射技术监测深部岩爆状态是一种行之有效的方法。     

圆形硐室岩爆发生机制及预测预防

从微观角度分析了圆形硐室片帮型岩爆发生机制。用灰绿色闪长岩模拟了双向受载下硐室岩爆的发生 ,记录岩爆发生过程中的声发射 ,二者在一定程度上具有一致性。提出了监测方法以及对岩爆的防治措施。     

地下磷矿开采岩爆机理及防治对策

随着地下工程的不断发展,岩爆成为严重影响施工安全的地质灾害,为了研究岩爆发生机理及防治措施,以宜昌后坪磷矿岩爆灾害为工程背景,现场采取后坪磷矿岩爆区域岩样,运用GCTS系统岩石三轴仪进行室内岩石三轴试验,分析围岩物理力学参数,通过岩爆预测深度判据,预测岩爆发生的深度,并利用三轴试验下的声发射三维定位技术,分析岩爆发生机理,并为工程岩爆预防及处理提供对应措施。     

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。     

用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制

文中介绍了利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式 ;用不同孔隙率的阜平大理岩进行了双轴压缩试验 ,模拟了双向受力状态下的岩爆 ,研究了其破坏过程中的声发射特征 ,并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。     

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。     

基于声发射测试的岩爆倾向性预测研究

为研究岩石岩爆倾向性与加载过程中声发射特征的关联,建立了不同岩爆倾向岩石加载过程中声发射累积数与应变的定量关系,并对3种不同岩爆倾向性岩石单轴加载下的声发射特征进行了实验室试验,验证了其正确性。当岩石岩爆倾向性较强时,随着应变量的增加,主破裂之前只有零星的声发射出现,并且能量非常小,主破裂之后的声发射几乎没有,而主破裂时的声发射数目和能量都非常显著。当岩石岩爆倾向性较弱时,加载不久就有少量声发射出现,在时间上呈现无规则型、没有声发射率显著变化的阶段出现。     

花岗岩岩爆微观断裂与声发射分析对比研究

采用双向加载系统可模拟不同水平应力下圆形硐室卸荷岩爆的发生。根据实验后岩屑样品的电子显微镜照片,及岩爆过程中的声发射参数,分析其破坏过程的微观断口裂纹。结果表明:随着水平应力的增加,岩石拉破裂随着水平应力增加而减小,剪破裂随着水平应力的增加而增加。将卸荷岩爆的微观断裂现象与岩爆过程中声发射参数的裂纹分析相对比发现,结果基本一致。     

屈曲型岩爆的发生机制及其时效性研究

为分析深部巷道围岩层裂薄板结构的形成机制和屈曲型岩爆发生的力学机理,采用数值模拟方法对深部巷道开挖过程中围岩主应力的分异演化规律进行了研究。基于三参量黏弹性本构关系,以屈曲型岩爆的层裂薄板结构为力学模型,推导出了二向受力下屈曲型岩爆的压屈时效方程,探讨了不同应力状态下屈曲型岩爆的时效特征。结果表明:在以垂直应力为主导的巷道在掘进过程中,巷道顶部和底部的主应力水平在逐步减小,岩体能量逐步释放;而巷道两侧边墙的主应力出现严重的分异现象,切向应力变大而轴向应力减小,岩体能量向两侧转移并大量积聚。以水平应力为主的巷道在掘进过程中,围岩应力状态的演化过程及能量积聚特征与此相反。围岩层裂薄板结构形成后,在切向应力和轴向应力的二向应力作用下发生蠕变弯曲变形,经过一段时间,当变形达到某一限值时,层裂薄板结构就会发生屈曲失稳破坏并释放岩体内积聚的弹性变形能,产生延迟岩爆现象。     

有岩爆倾向岩石的声发射特征试验研究

在一次循环加卸载条件下,通过对有岩爆倾向的石英闪长岩破坏过程的声发射试验,研究了声发射事件数(AE数)、能量、事件率、能率与应变、时间的关系以及AE信号的频谱特征。试验结果表明：岩石经历了初始压密段和非弹性塑性破坏段2个阶段。卸载条件比初始加载条件下的声发射活动要强烈,卸载作用进一步促进了岩石非稳定性破坏;岩石在发生破坏前,AE率与能率突然急剧增大;在加载-卸载-加载过程中,声发射活动的主频表现出了先低频再中频,最后到高频并伴随次高出现的这样一个发展过程;这为此类岩体的岩爆预报提供了一定的依据。     

高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律,通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验,利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统,分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段,岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符,围岩曲屈破坏时σ_(θmax)≈(1. 38～1. 85)σ_c;随着侧向载荷的升高,孔洞在平静期积累的弹性应变能增加,颗粒弹射期能量释放率增大,岩爆进程加快,稳定破坏期持续时间先增加后减小,侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号,围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中,孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合,形成以圆孔为中心的"X"型共轭剪切破裂,稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加,高频比例降低,低侧向载荷时破坏以中高频为主,高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高,呈现高温区嵌套低温条带的特点,岩爆时高温区由表面浅部向深部运移,在孔洞整体失稳坍塌前,岩爆坑温度急剧上升。     

用突变理论预报巷道岩爆发生的可能性

文中进行了巷道岩爆模拟试验,记录岩爆发生过程中的声发射参数,应用空变理论对声发射参数进行分析,建立了巷道岩爆预测预报模型。     

不同扰动频率下砂岩冲击岩爆声发射特征研究

利用自主研发的冲击岩爆设备,设计并开展了真三轴条件下含圆形孔洞砂岩在不同周期荷载扰动下的岩爆实验。实验采用图像采集装置、声发射装置,模拟了类似实际巷道结构模型的动态荷载诱发的岩爆现象。主要结论:声发射幅值随着周期扰动荷载呈现先增加然后减小,最后再增加的趋势,扰动频率越大,较低幅值（40～60 dB）占比越小,而较高幅值（60～100 dB）越大;声发射累积计数可以划分为快速小幅增长、低速稳定增长及快速大幅增长3个阶段,扰动频率会影响3个阶段的增长速率,频率越大,增速越快;声发射b值随着扰动荷载处在动态变化过程中,不同扰动频率的试样在岩爆破坏时b值均下降到最小值,扰动频率越大,岩爆破坏时声发射b值降低的越多。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的“两高两低”特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的“三高一低”特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的“四低”特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的“三高一低”特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。     

加载速率效应下圆形硐室岩爆特征模拟试验研究

利用RLW-3000伺服岩石力学试验系统,对深部高应力条件下的圆形硐室岩爆过程进行室内双轴加载模拟试验研究。通过研究不同加载速率条件下试样破坏的声发射时序特征,并结合其力学特性和宏观现象。研究结果表明:随着加载速率的增大,岩屑开始弹射时的荷载有明显的下降趋势,同时岩屑开始弹射时的时间也明显提前;模拟圆形硐室两侧岩爆的开始时间、剧烈程度有明显差别,这可能是试样的应力集中位置改变引起的,应力集中位置改变的原因可能是试样的离散性、加载偏心等,这些尚需要进一步的试验来验证;加载速率会影响岩爆的孕育时间、剧烈程度。速率越大岩爆的孕育时间越短,同时岩爆也越剧烈,且岩爆时声发射的振铃计数率、累计振铃计数、能率、累计能量陡增点越提前,最大值也越大。研究内容对研究岩爆过程中加载速率的作用具有重要意义,同时为预防岩爆发生提供一定的借鉴。     

不同含水状态下花岗岩岩爆模拟声发射实验研究

采用双轴伺服控制系统开展自然和饱和状态下的花岗岩岩爆模拟实验,同时采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射系统监测并采集声发射数据,研究了水对巷道岩爆的影响。研究结果表明：含水的区别对应着不同的花岗岩岩爆实验中的声发射特性;饱和花岗岩比自然状态花岗岩颗粒弹射时间滞后;自然和饱和花岗岩均在轴向载荷达到峰值荷载的65%～80%时声发射事件进入平静期,自然状态下花岗岩的声发射事件率平静期比饱和状态下平静期稍长;饱和花岗岩岩样的声发射平均事件率要比自然状态下高,而且高声发射事件率持续时间较长,自然状态花岗岩较大声发射能率出现时间滞后于饱和花岗岩;花岗岩岩爆过程中声发射事件率与能率变化规律呈现此消彼长的特点;自然状态花岗岩出现初始损伤的时间滞后于饱和花岗岩。     

灰色突变理论及声发射在岩爆预测中的应用

根据声发射机理,将灰色理论和突变理论相结合,建立声发射参数的灰色尖点突变模型。在刚性试验机上,通过单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征,研究岩石破坏规律。利用建立的模型和试验中的声发射参数,对某矿岩爆进行预测,并得到了巷道发生岩爆的声发射参数临界值。     

石英二长闪长玢岩单轴岩爆试验声发射前兆特征研究

采用MTS 815电液伺服测试系统与PCI-Ⅱ型声发射监测系统,对石英二长闪长玢岩样进行单轴加载岩爆模拟试验。根据试验过程中声发射信号的活跃程度,将声发射振铃计数划分为4个时期,分别为初始密集期、平静期、峰前密集期和岩爆期,并结合非均匀性指标Cv值的峰值及增长趋势,研究试件在岩爆模拟试验过程中的声发射信号前兆特征。结果显示,在平静期内声发射振铃计数表现为低值稀疏,峰前密集期表现为密集增长,及其非均匀性指标Cv值的"突增"现象,可作为该类岩石岩爆发生的声发射前兆特征信号。     

砂岩岩爆声发射特征及b值动态特性试验研究

在单轴加载条件下,对砂岩进行全程加载声发射试验,得到砂岩岩爆破坏过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间关系曲线。根据需要选择声发射累计数、震级-频度关系中的b值变化规律,研究了砂岩岩爆的前兆信息。研究表明,在砂岩弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射累计数快速增加,b值持续下降;在砂岩发生岩爆前,b值下降到最低值。对声发射累计数和b值进行联合分析,能更加准确地预知岩爆的发生。     

某矿深部灰岩蠕变声发射试验与特性研究

对某矿深部灰岩进行了蠕变声发射试验,研究灰岩在不同应力水平状态下的蠕变声发射特征。结果表明：声发射参量在恒载初期变化较活跃,灰岩的泊松比也有较大波动;进入长期恒载蠕变阶段后,声发射参量和灰岩的泊松比波动较小;当加载应力达到灰岩单轴抗压强度的90%左右时,灰岩的声发射特征参量出现突增现象。根据声发射参量的变化以及灰岩在不同蠕变阶段的应变特征,在一定程度上可对灰岩蠕变破坏进行有效预测。