单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了砂岩在单轴压缩条件下应力-应变全过程的声发射特征以及加载速率对其的影响。获得了岩石轴向应力与轴向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线,以及全应力-纵向应变过程曲线中4个阶段的声发射特征;在初始压密和弹性阶段,声发射撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;在应变硬化阶段,撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;在应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。由于岩石每个变形阶段具有不同的声发射特征,因此,可用声发射来表征岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。另外,随着加载速率的提高,岩石裂纹扩展速率会加快,损伤加大,从而产生更多的声发射;但峰值处释放能量的最大值呈递减趋势,产生强烈声发射的应变值变小。     

含瓦斯煤体单轴压缩电阻率变化规律实验研究

建立了含瓦斯煤体单轴压缩电阻率实时测试系统,测试并对比分析了含瓦斯煤体和不含瓦斯煤体在单轴压缩过程中的电阻率变化,并对瓦斯对电阻率变化的影响机制进行了探讨。研究结果表明:2种实验条件下煤体电阻率均呈现先减小后增大的变化规律;电阻率减小阶段,游离态瓦斯对电阻率的减小有延缓阻碍作用,即电阻率随加载应力的增大呈持续平缓减小趋势,未出现不含瓦斯煤体实验中出现的突降现象;电阻率增大阶段,游离态瓦斯对电阻率的增大有促进作用,即电阻率"拐点"处所对应的加载应力水平较之不含瓦斯煤体更小;煤体发生破裂之后,电阻率增长幅度普遍小于不含瓦斯煤体。     

单轴压缩煤体电阻率变化各向异性实验研究

为了研究单轴压缩过程中煤体电阻率变化各向异性特征,分别以0°、30°、60°、90°的取样角度取鲍店气煤做成ф50 mm×100 mm的标准试样,进行电阻率测试,分析总结了鲍店煤样的电阻率变化与各向异性的关系。实验结果表明:鲍店气煤煤样属于离子导电型煤样,电阻率具有明显的各向异性特征,不加载时,离子导电型煤样电阻率随着取样角度增大呈现增大的情况,鲍店气煤煤样垂直层理方向的电阻率小于平行层理方向的电阻率;加载过程中煤样电阻率随着加载而增大,达到峰值强度时煤样破裂,电阻率突降。取样角度β为0°、30°、60°时增长模式为线性增长,取样角度为90°时,电阻率在加载过程中表现为斜S曲线增长模式。     

煤体电阻率受压变化规律实验研究

通过对煤样进行单轴压缩电阻率测试实验,对比分析了不同硬度煤样的电阻率变化特性,阐述了煤样电阻率的各向异性特征,以及煤样在循环受载情况下电阻率与应力变化的关系。     

单轴压缩破坏下分层型煤电阻率响应分析

地层电阻率是地球物理勘探考察的重要参数,不同结构煤体受载破坏过程中电阻率变化特征存在差异。建立受载煤样电阻实时测试实验系统,对所压制未分层及不同厚度、不同强度的2分层型煤试样进行了单轴压缩实验,得出试样破坏过程的力学强度及电阻率变化规律,研究分层界面影响下不同结构型煤的电阻率响应特征。实验结果表明:型煤单轴压缩破坏下的电阻率呈现阶段性变化,未分层试样在压密后存在“U”型变化过程,最低点接近试样应力应变曲线屈服点;不同强度分层试样破坏过程中电阻率曲线先增加后呈现“U”型,破坏后电阻率为初始状态的2~4倍;不同厚度分层试样破坏过程中电阻率表现为先增后减,两分层厚度差异大的试样厚分层破坏更为剧烈,整体表现出的宏观电阻率值更大。分层试样弹性模量及抗压强度均较未分层试样小,峰值应力处的电阻率变化率为1~2,未分层试样则小于0.5;试样两分层厚度及强度越接近,压缩破坏产生的剥离部分越均匀,更容易产生区域“串-并联”现象,破坏后电阻率变化率越大。煤样本身或分层面空隙骨架的挤压破碎会导致煤层电阻率的增加。分层型煤试样破坏后表现出表面剥离,裂隙均匀连通的破坏形式,根据型煤受载破坏过程得出试样存在“纵向裂隙”和“纵向+横向裂隙”影响下电阻率变化数学模型。两分层及贯通界面的裂隙使试样呈“串-并联”形式连通电路,试样整体电阻率与裂隙电阻率及裂隙体积占比呈正相关。对分层型煤单轴压缩规律的描述反映了部分煤矿区地层物探过程中的电学各向异性特征。     

构造煤受载破坏过程电阻率响应的方向性差异特征

开展了配比软煤正方体试样的单轴压缩试验,分析了构造煤受载破坏过程的应力应变特征,得到不同方向上煤体的电阻率响应特征。结果表明:试样从加载到破坏分为4个阶段,依次为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;煤体受载过程中,煤体呈现劈裂破坏形态,裂纹从试样底部向上方扩展,部分裂纹贯穿试样的上下表面;试样在竖直方向和水平方向上的电阻率响应特征呈现明显的差异性,竖直方向上试块的电阻率呈现先减小后增大的趋势,而水平方向上试块的电阻率呈现缓慢增大、快速增大和急剧增大3个阶段;试块发生破坏后,竖直方向的电阻率变化远不如水平方向电阻率的变化幅度大,而且水平方向电阻率呈现持续增大的特征。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

单轴压缩条件下水泥砂浆块声发射实验研究

利用RMT-150岩石力学试验系统和AEwin-USB型声发射系统做了水泥砂浆块在单轴压缩条件下声发射特征实验。实验研究结果表明:声发射信号与水泥砂浆块内部损伤破坏情况有密切关系。对应全应力-应变曲线中4个阶段声发射特征各不相同,伴随着试样初始压密、弹性变形、屈服破坏和峰后破坏4个阶段,声发射活动少量发生、平稳增长、急剧增加、趋于稳定,因此可用声发射活动来表征岩石的微观损伤演化及预测其宏观破裂失稳过程。     

煤单轴压缩破坏过程声发射特征分析

声发射是监测煤岩动力灾害的重要手段,为研究煤岩破坏过程中声发射特征,采集了煤岩单轴压缩破坏过程声发射信号,提取了声发射的振幅、振铃计数、事件数和能量等参数,分别使用线性拟合和幂函数拟合分析了声发射参数对应力水平变化规律。研究结果表明,声发射信号参数变化可以将煤样变形失稳破坏声发射分为4个阶段;声发射参数与应力状态的指数函数拟合效果优于线性拟合,声发射传统参数与应力状态满足非线性关系,事件数与应力水平相关性最好。研究结果对提高声发射在煤岩动力灾害预警中应用效果有着重要的意义。     

单轴压缩条件下类岩石不同加载速率的力学特性

通过对类岩石进行不同加载速率下的单轴压缩试验,探究加载速率变化对类岩石应力-应变曲线的影响.研究结果表明：在一定范围内,随着加载速率的增加,类岩石的峰值应力呈递增趋势;在恒速率试验中,不同速率所对应的应力-应变曲线不相同;在变速率试验中,当速率突然增大时,应力-应变曲线会有明显的向上突变;不同速率也会影响类岩石的裂纹发展.     

单轴压缩下煤体表面电流试验研究

试验研究了在单轴压缩条件下煤体受压产生电流的性质及变化规律,并对产生这种电流变化的原因进行了分析。实验表明,煤在受载破坏过程中,表面有微电流产生。在加载初期,电流产生不明显。当载荷δc≈0.75δmax时,电流开始出现较快增长,并且和载荷的相关系数达0.8~0.9以上,呈高度相关。载荷发生突变或卸压时有较强电流信号出现。根据电流和载荷的对应关系,可以用电流信号来反映煤体受载程度,从而为煤岩体稳定性监测提供一种新的思路。     

单轴受压条件下煤岩非均质性对其破坏特征的影响

以忻州窑14号煤为研究对象,基于波速测试、CT扫描和三维重构技术,分析了煤岩内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布的非均质特征,研究了单轴受压条件下,沿不同方向加载时,煤样内部结构分布的非均质性对煤岩破坏特征的影响。研究发现,煤样内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布方向的非均质性是造成不同加载方向上煤岩破坏特征差异性的原因:煤样内部原生裂隙、矿物夹杂沿层理方向分布和延伸,造成沿垂直层理加载煤样的单轴抗压强度、总声发射计数等参数的均值高于沿平行层理加载的煤样;割理的横向截割作用使沿垂直割理加载煤样整体性低于沿平行割理加载煤样,并造成其单轴抗压强度,总声发射计数等参数的均值以及加载过程中声发射现象的规律性略低于后者;煤样单轴抗压强度与纵波波速呈指数函数关系,煤样内部非均质性对其单轴抗压强度的影响可由非均质系数表示,且2者呈负相关。     

突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比试验

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统,对突出煤体和砂岩进行单轴压缩全应力-应变和分级加载蠕变状态下的声发射试验.研究结果表明,由于试样初始损伤程度的差异,单轴压缩作用下煤样的声发射现象贯穿整个试验过程,而砂岩在弹性阶段声发射信号较少.分级加载蠕变试验过程中,前3级应力水平处于典型的第1,2蠕变阶段,期间声发射振铃事件比快速递减,其均值和递减时间随应力水平升高而增加.声发射累计振铃数变化曲线能较好地体现原煤试样蠕变特性的变化趋势.第4级荷载水平时,前期声发射曲线基本保持稳定,但数值明显高于前3个应力水平.在破坏前的极短时间内,声发射曲线急剧上升,预示试样即将完全破坏.     

大尺寸节理煤体单轴压缩力学行为的离散元模拟研究

为研究结构面对节理煤体单轴压缩力学行为的影响,首先基于结构面实测与参数标定试验构建合成煤体模型,然后分别针对REV尺寸煤块与煤体进行不同加载方位的单轴压缩数值试验,分析结构面对节理煤体力学行为的影响机制以及裂隙的形成机制。结果表明:① 所构建的合成煤体模型可表征研究煤体,其REV为1.0 m×1.0 m×2.0 m;② 结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量,增大煤体单轴压缩变形,弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系;③ 结构面决定煤体单轴压缩破坏方式,煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏,加载方位不同劈裂形态不同;④ 提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比;⑤ 平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙,并在其端部发育出翼裂纹,形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体,裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体,贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。     

不同层理煤破坏过程声发射RA-AF特征研究

为研究不同层理煤破坏声发射RA-AF特征,开展了0°、30°、60°、90°层理夹角煤单轴压缩破坏试验,同步采集了煤体力学和声发射数据,分析了RA-AF特征与裂纹扩展模式的关系。结果表明:第Ⅰ和第Ⅱ阶段,声发射计数水平较低,第Ⅲ阶段,计数值逐渐增加,在第Ⅳ阶段,α=0°和60°时,声发射计数更多,峰值较高;α=0°和90°时,张拉破坏占比分别为58.44%和58.06%,裂纹以张拉破坏为主;α=30°时,张拉剪切破坏占比相当,裂纹表现为张剪复合破坏;α=60°时,试样剪切破坏占比68.14%,裂纹以剪切破坏为主。     

预制裂纹煤样单轴压缩表面电位实验研究

实验研究了预制裂纹煤样单轴压缩条件下表面电位及其变化规律,初步探讨了预制裂纹对表面电位的影响机理。研究结果表明：预制裂纹试样承载强度以及表面电位幅值显著降低,在峰值应力处载荷卸载幅度加大,表面电位随之大幅升高;峰值应力过后,存在明显的残余电位。表面电位变化规律与载荷变化及预制裂纹密切相关,能够很好地反映含宏观缺陷煤样受压时内部破裂发展情况。     

单轴压缩下低温冷冻原煤的变形及声发射特征试验研究

分别对自然和自然饱水状态下冷冻处理后及未经冷冻处理的煤样开展单轴压缩声发射试验,分析了煤样的强度及变形特征,并对加载过程中的声发射特征与损伤演化规律展开分析。研究表明:低温冷冻后自然和饱水煤样的抗压强度会降低,分别降低13.93%和25.02%;其变形特征和撞击率演化规律基本不变,但压密阶段应力-应变曲线斜率会降低,且最大撞击率会出现增高,分别增加10.20%和22.45%;3种状态下煤样损伤演化规律依次可分为初始损伤阶段、损伤缓慢阶段、快速损伤阶段和峰后损伤阶段,但低温冷冻处理后峰后损伤阶段明显缩短;低温冷冻处理后煤样在峰值载荷处损伤演化明显不同,自然状态下呈多级台阶上升;而冷冻处理后呈单级台阶上升,损伤增长较快,对应破坏越剧烈,煤样破碎程度越高。