岩石受载破坏前兆特征——声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石破坏全过程力学特性--岩石的全应力应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的耗时现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些问题进行了总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供了理论依据、方法和手段。     

初始损伤下砂岩的破坏与声发射特性研究

为研究隧道爆破开挖过程中,围岩在循环冲击荷载作用下产生的损伤对隧道稳定性的影响,利用受损伤后的砂岩进行单轴压缩试验,并辅以声发射设备进行全程监控,研究不同损伤因子下砂岩的强度特征、声发射特性以及破坏模式.研究结果表明:岩石损伤因子大小与抗压强度呈现负相关特征,在已知未受损伤岩石的抗压强度下,通过损伤因子能预测损伤岩石的...     

基于颗粒流GBM模型的花岗岩声发射相对平静期特征研究

为了研究不同晶体粒径大小对花岗岩声发射相对平静期的影响,基于颗粒流软件PFC2D构建花岗岩等效晶体模型GBM(Grain-based model,GBM)数值计算模型,通过室内试验结果对细观参数进行标定,模拟花岗岩试件单轴压缩声发射试验.分析了不同晶体粒径大小对试件应力—应变、峰值强度的影响规律,着重分析了试件破坏过程...     

不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析

对直径相同、高径比不同的4组红砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验, 获得了各试样的力学基本参数及试验全过程所释放的全部声发射原始波形信号, 在对每个声发射信号逐一去噪的基础上, 通过快速傅里叶变换提取其主频, 联合时频域共同分析尺寸效应对岩石力学性质及声发射信号主频特征的影响。结果表明, 随着高径比增大, 试样的脆性破坏程度明显, 破裂时的延性减弱;红砂岩声发射信号主频分布范围为10~175 kHz, 明显成频段分布;尺寸效应对声发射信号主频的影响主要体现在频段分布的差异上, 30~60 kHz、140~155 kHz和160~175 kHz为各尺寸试样所共有的频段, 其中30~60 kHz频段占比最大, 对应着岩石损伤演化的最主要破坏模式;岩石变形破坏过程中, 主频分布特征朝复杂离散方向持续转化。     

岩石破坏过程的声发射特征研究

通过对岩石受力破坏过程的声发射试验，研究了岩石破坏全过程的声发射特征，包括声发射与时间、声发射与应力水平之间的关系。研究表明，岩石声发射事件率在不同应力水平的变化很大；岩石在接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小、声发射事件率出现明显下降。     

不同强度煤样加载过程声发射及损伤特征分析

为了研究不同强度煤样破坏时声发射响应差异性,对不同强度煤样,开展了单轴加载过程声发射测试实验。测试结果显示:声发射变化呈现阶段性特征,可以分为零星声发射产生阶段、声发射逐渐增加过渡阶段、声发射快速增加阶段、声发射趋于稳定阶段;并且随着强度的增加,零星声发射产生阶段变长,声发射计数参数峰值增加。     

双向压缩下岩石声发射特性损伤力学分析

用阜平大理岩进行了双轴压缩试验,研究了其破坏过程中的声发射特性,根据连续损伤力学理论建立了双向压缩直声发射与损伤变量之间线性关系式;分析了声发射的发生机制。     

双向压缩下岩石声发射特性损伤力学分析

用阜平大理岩进行了双轴压缩试验,研究了其破坏过程中的声发射特征,根据连续损伤力学理论建立了双向压缩下声发射与损伤变量之间线性关系式;分析了声发射的发生机制.     

单轴压缩条件下岩石试样声发射特征研究

借助加载控制系统和声发射检测系统,对某矿煤层顶底板砂岩试样进行单轴加载,同时利用声发射检测设备同步进行监测,从而获得砂岩试样在单轴加载条件下的声发射振铃总计数、振铃计数率、各通道幅值、能量、能量率、幅值等声发射特性参数。结果表明:试验砂岩结构组成单一,强度高且表现为脆性;试样的AE能率与声发射事件率吻合,AE能率在岩石破坏前的声发射相对平静期更加明显;相对平静期的特征点可作为岩石破坏的前兆特征点,岩样相对平静期特征点的应力强度百分比为90%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。     

岩石声发射源机理的激振模型研究

半岩石裂纹产生时的声发射源筒经为振弦的振动，推导出振动方程并求解，得到了声发射频率与裂纹长度，声发射振幅与裂纹宽度之间的关系，与实验结果相符合，结论作为预警岩体破坏的准则有重要参考价值。     

冻融循环作用下砂岩受拉损伤特性的声发射试验

在煤矿井巷冻结法施工工程中,地下工程结构的破坏常始于受拉区域,因此开展冻融岩石的抗拉强度劣化机理研究有一定意义.对不同冻融循环作用下的砂岩进行巴西劈裂实时声发射监测,从细观层次探讨了冻融作用对砂岩劈裂损伤过程的影响.结果表明:冻融作用引起砂岩物理性质改变,抗拉强度降低;冻融砂岩劈裂损伤在时间域具有连续演进的特征,损伤发...     

煤岩组合体变形破裂声发射特征及损伤演化规律研究

为研究煤岩组合体变形破裂过程中煤厚对其声发射特征和峰前损伤特性的影响,对煤厚分别为20mm、33.33mm和60mm的三种煤岩组合体进行室内单轴压缩声发射试验。研究表明：随着煤厚的增加,煤岩组合体的单轴抗压强度和声发射峰值计数均下降,且煤厚与声发射峰值计数满足指数函数关系;组合体的破坏持续时间随煤厚的增加而变长;声发射累计数的变化情况可分为缓慢增长阶段、快速增长阶段和声发射峰值及破坏后阶段,前两个阶段,累计数增长的速度与煤厚呈正相关,最后一个阶段,呈负相关。组合体峰前损伤演化可分为初始损伤、损伤稳定发展和损伤突增不稳定发展三个阶段;损伤变量与应变满足幂指数函数关系,且随着煤厚的增加,组合体D=1时对应的峰值应变也增加。     

某铝煤共生矿顶板砂岩声发射及破坏特征研究

针对某铝煤共生巷道顶板易离层垮塌的问题,选取顶板稳定性控制关键砂岩层为研究对象,开展砂岩的轴向动静态压缩声发射试验,分析巷道顶板砂岩的变形特性、声发射特征及破坏模式。研究结果表明：静荷载作用下巷道顶板砂岩的变形经历了压密—弹性—屈服—破坏四个阶段,且动态冲击荷载作用下压密阶段不明显;声发射事件大量出现的阶段为屈服阶段和破坏阶段,尤其是峰值应力前后,表征巷道顶板失稳前会释放内部存储的能量;顶板砂岩的动态抗冲击强度远大于静态抗压强度,且其静态破坏模式为层状剪切滑移破坏和压剪圆锥形破坏,动态破坏模式为拉—剪多次耦合型破坏;同时还发现静荷载作用下砂岩的脆性性质凸显,而动态荷载作用下的塑性性质明显。最后,基于试验研究结果,提出了适合铝煤共生矿巷道顶板的支护技术,即中空锚杆—注浆—扩浆一体化联合支护方案。     

深井中砂岩力学特性的声发射信号特征分析

试验得到了深井中砂岩的基本力学性质参数,同时监测声发射信号,分析得到振铃计数率与应力释放(应变能释放)水平成正比,且当中砂岩主破断发生时达到最大值。按照中砂岩变形过程中的声发射信号特征,将破坏前的中砂岩形变过程划分为A、B、C三个阶段:A阶段形态上凸,峰值水平约300次/s,对应了岩石应力应变关系中的原生裂隙压密阶段;B阶段的声发射信号强度比较均匀,平均约100次/s,与应力应变关系中的弹性阶段相对应;C阶段开始时的声发射信号强度即高于B阶段,至主破断发生时台阶式升高,中砂岩破断前的振铃计数率达到最大值700次/s,该阶段主要对应于应力应变关系中的塑性变形阶段。结合应力应变曲线与声发射信号图,得到中砂岩的kaiser点,即该中砂岩在现场位置所承受的历史最大压力约为47 MPa,有利于指导深部地下工程设计。     

砂岩单轴蠕变声发射能量统计与断面形貌分析

为了研究砂岩蠕变过程声发射信号的统计特征,在实验室条件下进行了砂岩的长期和阶梯加载蠕变试验,并采集了全过程声发射信号。利用直方统计和最大似然估计分别分析了声发射能量统计特征,并对破裂断面进行了三维激光扫描重构,结果表明:长期与阶梯加载蠕变具有相似的声发射信号形貌,但是阶梯加载蠕变声发射率明显大于长期蠕变结果;长期蠕变和阶梯加载蠕变所产生的声发射信号的能量概率密度都满足幂律分布,且利用直方统计与最大似然估计两种方法都得到相似的幂律指数,可信度较高。蠕变的幂律指数不同于已有的单轴压缩结果而更接近于地震幂律指数结果;相较单轴压缩的较光滑破裂面,蠕变破坏面光滑度欠缺并伴有阶梯状断痕,和包含弹性-损伤混合纤维的纤维束模型的假设与结果相吻合。     

An acoustic emission study of damage development and stress-memory effects in sandstone

As part of a study of damage development and stress-memory effects, we have carried out a series of laboratory acoustic emission (AE) experiments on dry Darley Dale sandstone under triaxial compressive loads. In particular, we studied the shape of damage surfaces in stress space. Like the yield surface in the theory of plasticity, a damage surface is defined as the locus of points in 3D stress space beyond which additional permanent damage develops. The shape of a damage surface thus provides a means of characterising the state of damage corresponding to the state of stress to which the material has previously been subjected.In our experiments, which were limited to the cross-section of stress space where σ₂ = σ₃ = P_c (P_c being the confining pressure), the points of the damage surface were indicated by the onset of AE. The damage surface in (P_c, σ₁)-space corresponding to an initial stress state (P_cⁱ, σ₁ⁱ) is almost linear in the region where P_c > P_cⁱ. In the region where P_c < P_cⁱ the gradient of the damage surface becomes clearly larger. We compare the experimental results with predictions based on a 2D model of secondary microcrack (wing-crack) formation from frictional surfaces. According to this model, the damage surface is predicted to consist of two linear parts connected by a vertex (or “knee”) located at the point (P_cⁱ, σ₁ⁱ). The comparison shows that the model, although relatively simple, explains many features of the experimentally observed damage surfaces. The results also have implications in terms of a stress-memory effect. If the initially applied stress state (P_cⁱ, σ₁ⁱ) is not known, then it might in principle be derived from the position of the vertex in an experimentally measured damaged surface.     

Acoustic emission accumulation stage in compression and impact rupture of granite

Specimens of granite were exposed to uniaxial compression and impacted by a dropped weight in order to obtain time sequences of acoustic emission signals generated due to micro-cracking. Time resolution in the impact fracturing was 10 ns. Both under compression and impact, the macroscale failure stage was preceded by micro-scale damages accumulation stage. The accumulation stage duration under compression is far much longer than the failure stage, while the situation is opposite in case of failure under impact.     

轴向静载压缩作用下深部砂岩的变形破坏规律

为探究深部砂岩的变形破坏规律,建立塑性区发育、裂纹扩展情况和声发射特征之间的关系。以深部砂岩岩样为研究对象,开展轴向静载压缩声发射试验,并采用数值模拟分析岩样塑性区和内部裂纹的演化规律。研究结果表明：内部能量密度在压密和弹性阶段耗散比较平稳,塑性阶段耗散能逐渐增大,在破坏前瞬间全部释放。塑性区、裂纹和声发射特征间具有很强的关联性,压密阶段振铃计数、能量均是先增大后减小,弹性阶段前处于平静期,塑性区和微裂纹均从岩样两端侧面出现。弹性阶段,振铃计数和能量继续增大,后者涨幅大于前者,塑性区沿对角线向内发育,裂纹数量增多。塑性阶段,振铃计数持续增大,能量激增,塑性区向外发育。破坏阶段,振铃计数和能量均出现激增,模拟试验为“y”状剪切裂纹,与实际破坏裂纹形态一致。     

单轴压缩条件下砂岩的声发射特征研究

通过对砂岩进行单轴加载声发射试验,获取岩石破裂过程的应力-应变曲线和相关声发射参数,综合分析了累计事件数、事件率、能率、声发射率之间随时间的变化规律。试验表明在加载初期小裂隙密集发育,后期以大裂隙发育为主。事件率和累计事件数没有明显前兆信息,声发射率和能率有明显的异常前兆。声发射定位表明裂隙发育由端部向中部转变,且无"空白区"阶段。声发射前兆信号为该类工程岩体的稳定性评价提供重要的理论依据。     

单轴压缩下含水砂岩强度损伤及声发射特征

宁东煤田主采煤层顶板广泛分布含水砂岩,该层砂岩受采动影响易于变形失稳。通过实验室试验,定量分析了含水砂岩组分,研究了其烘干、吸水随时间变化规律。研究发现该含水砂岩富含黏土矿物,砂岩分别烘干和浸水6h后含水率变化趋于稳定,且随着含水率增加该砂岩单轴抗压强度和弹性模量呈指数函数减小。声发射试验结果表明：干燥状态下,含水砂岩声发射计数峰值与应力峰值相对应,而随着含水率增加,声发射计数峰值较应力峰值位置滞后,呈现出“延迟”特征,并据此提出了预测预报该类砂岩顶板稳定的技术思路。