人工砂岩材料力学特性及声发射特性试验研究

岩石颗粒粒径及胶结物是影响岩石力学性质和行为的重要因素。天然岩石的内部颗粒粒径大小及胶结物含量随机性强，为此制作了3种不同颗粒粒径及3种不同胶结物含量的人工砂岩，研究了颗粒粒径大小及胶结物含量对岩石力学特征及声发射行为的影响。研究表明：相同胶结物含量条件下，粗粒径(0.425～0.850 mm)人工砂岩试件的声波波速和单轴抗压强度最大；随着颗粒粒径的增大，试件裂纹扩展阶段缩短，在试样峰值强度点附近的声发射能和事件数呈增加趋势；相同颗粒粒径条件下，随着胶结物含量的增加，试件的单轴抗压强度降低，峰值强度点附近的声发射事件数也减少，声发射关联维数D的最低值所对应的应力百分比值下降。声发射关联维数D值与强度呈线性关系。     

花岗岩脆性破裂过程的声发射前兆特性及RFPA模拟研究

以花岗岩为研究对象,进行单轴压缩下岩石脆性破坏声发射试验,并利用RFPA模拟岩石破裂声发射演化特征,得出如下结论:在岩石屈服点或峰值应力附近,声发射振铃累计计数会突然增加,声发射能量出现激增;模拟的声发射活动在显裂纹出现之前,有异常汇聚现象;位移矢量在模型破裂位置出现条带异常混乱现象,而应力矢量形成的条带网络与裂纹扩展趋势保持一致。结果表明模拟声发射累计计数曲线出现异常抬头的时间点晚于模拟荷载曲线出现异常下降的时间点,可作为模型破坏前兆信息。     

矿柱破裂过程中的声发射活动时空演化特征研究

矿柱及其稳定性一直是采场稳定性研究的核心,通过应用花岗岩样人工制作三组矿柱物理模型,应用声发射仪器监测矿柱破裂过程及其声发射活动时空演化特性。结果表明:在加载的初始阶段,声发射定位事件在矿柱内部比较零乱;随着荷载的增加,在矿柱内部破裂面的声发射事件逐渐聚集、成核、剪切宏观裂纹。在整个加载过程中,声发射撞击数在弹性变形后期及即将产生塑性破坏时达到两个峰值点,在弹性变形后期产生的声发射撞击数峰值点振幅多在50 dB,在矿柱承载达到其峰值应力的90%时,声发射撞击数达到最大峰值,此后声发射撞击数逐渐减少,但大幅值(80～100 dB)声发射撞击数不断增加,宏观裂纹逐渐贯通,即将产生破坏,该实验结果对实验室预测岩石试件的破坏具有一定的指导意义。     

基于应变水平的砂岩脆性破坏声发射信息研究

岩石脆性破坏过程中的声发射信息与其受载变形破坏过程密切相关,在岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置存在声发射会出现突增现象。利用岩石破坏的三维重整化群理论给出了岩石破裂前声膨胀点所对应的应变和岩石峰值应力对应的应变水平比值的表达式,单轴荷载条件下其临界比约为74%与78%之间,并通过砂岩刚性加载试验得到了验证;同时通过对试验数据的分析发现,岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置所对应的应变值之间具有很好的比值关系。     

岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。结果表明:组合试样应力-应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高。     

岩石真三轴分级加载声发射与波速演化规律试验研究

为研究岩石在真三轴分级加载过程中声发射特性与超声波波速演化规律两者间的关系,采用自主研发的岩石真三轴试验机、声发射监测系统及超声波测试系统,开展了岩石真三轴分级加载声发射定位监测及超声波测试试验。研究表明:声发射累计能量与累计计数变化趋势可作为岩石破裂前兆信息,第1阶段随着岩石压密其增幅较小;第2、3、4阶段砂岩内部裂隙开始发育其增幅缓慢增加;第5阶段为砂岩破坏的主要阶段其增幅超过80%,推断第5阶段砂岩由于应力达到峰值强度而失稳破坏。声发射定位可以很好地表征裂缝形态与扩展规律。第1、2、3阶段,砂岩内部极少产生声发射定位事件且分布较为分散。第4、5阶段,声发射定位事件大量产生并集中于最小和中间主应力方向两侧的破裂面与破碎带上。超声波波速变化对于岩石内部变形破坏以及裂缝扩展具有良好响应。加载过程岩石波速具有各向异性,最大主应力方向随岩石压密波速增加,压密程度降低波速增速降低;中间主应力方向波速随岩石压密升高,之后随岩石形成破裂面降低;最小主应力方向波速则首先随岩石压密升高,然后随岩石形成贯通破裂面,并伴随有破碎带导致波速迅速衰减骤降至较低水平。     

弯载下砂岩声发射特征值时间效应

为探索开采速度对采空区顶板破断特征影响的力学机制,设定不同加载速率,开展砂岩3点弯曲和声发射试验,研究砂岩弯曲折断过程的力学行为及其受加载速度影响的时间效应和折断前兆特征。结果表明,加载速率越快,砂岩显著初始损伤声发射发生的应力条件越高,积累的应变能越高;岩石折断前,前兆声发射时间长度与加载速率呈指数负相关,加载速度越快,前兆声发射时间越短,可预测性越差;加载速率与砂岩折断声发射峰值能量及破坏载荷呈指数正相关,与砂岩折断声发射峰值计数呈指数负相关,加载速度越快,岩石折断所需的破坏荷载越大,峰值声发射计数越少,一次性释放的能量越高。上述岩石弯曲声发射特征值是加载速率的函数,存在时间效应。从机理上解释了煤矿开采速度越高,顶板岩体动力灾害危险性相对越高,可预测性越差的原因。     

动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究北大核心

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

不同加载速率下深部砂岩的声发射与破裂响应特征

为探究深部砂岩破裂演化特征与加载速率的相关性,开展了3种加载速率下的单轴压缩声发射监测试验,深入分析了加载速率对深部砂岩微破裂集聚成核机制和多类型破裂源演化特征的影响。研究结果表明,在不同加载速率下,深部砂岩的声发射参数(声发射计数与幅度)曲线的演化趋势具有一致性,随着加载速率的增加,声发射累计计数与累计幅度呈现减小的趋势;试样在不同加载速率下的时空演化特征具有一定的相似性,在不同的变形阶段,岩样内部多类型破裂源的占比不尽相同,在裂纹扩展阶段前,多类型破裂源占比情况受加载速率的影响较小,当岩样进入裂纹稳定扩展阶段后,随着加载速率的提高,剪切型破裂源占比趋于减小,张拉型与压缩型破裂源占比趋于增加;不同加载速率下岩样的声发射矩震级与频次关系均服从正态分布规律,声发射b值随着加载速率的增加逐渐减小,声发射矩震级中值随着加载速率的增加呈缓慢增加的趋势,加载速率可以增大试样内部破裂源的整体强度。     

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。     

三轴加载充填体围岩耦合体声发射特征研究

根据矿山开采状况设计了三种不同采场规格尺寸的充填体围岩耦合体模型,采用双轴试验机、拟真三轴装置结合声发射系统对耦合体进行了三轴加载下的破裂演化监测,研究了耦合体破裂过程声发射特征。结果表明：AE事件率和AE能量在塑性阶段前处于“平静期”,塑性阶段出现突增现象,突增现象可作为应力峰值附近宏观破裂预警;AE事件率峰值、AE能量峰值随着侧压增加推迟产生,耦合体稳定性随着侧压增加逐渐增强。AE事件率峰值、AE能量峰值随着规格尺寸的增加则与之相反;AE能量峰值随着侧压增加逐渐增大,随着规格尺寸增加逐渐减小。AE能量预警阶段突增值随着侧压增加逐渐降低,随着规格尺寸增加逐渐增大;Kaiser效应出现在耦合体应力峰值的70%～85%范围内,Kaiser效应点对耦合体塑性阶段宏观破裂具有一定的预警作用。研究结果有望为充填体与围岩作用机理研究提供参考。     

变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究

通过变粒岩单轴压缩下声发射试验, 采集了应力-应变曲线与声发射数据。联合应力曲线, 总结了声发射积累计数和积累能量的演化特征。利用Welch谱估计法与小波能谱系数法分别对试件声发射信号功率谱密度及能量分布特征进行了分析。研究表明, 声发射积累能量比振铃积累计数能更好地预测岩石破坏; 在试件破坏前或产生较大裂纹时, 声发射信号峰值频率会有所下降, 其能量集中频段也在扩大; 在[78 kHz, 156 kHz]频段能谱系数持续增大且其值超过50%的声发射信号出现频繁的现象, 可作为试件破坏失稳的前兆信息。结合岩石声发射信号时频特性, 可为预测岩体破坏提供一种新思路。     

煤样压缩破坏过程的声发射试验

对煤样进行了单轴压缩条件下的声发射试验,通过对能量计数率的最大Lyapunov指数计算,证明煤岩破裂过程并非呈现混沌,而是可以通过声发射信息预测的.对能量计数率进行小波系数分解,进一步计算得到各尺度的Lipschitz指数α.结果表明,可以用最先出现的α负值所对应的时间作为煤样破裂预测时间.     

循环载荷下软硬煤样的疲劳损伤差异性研究

为研究软、硬两种煤样的疲劳损伤差异性,采用等幅三角波循环加卸载方式进行循环载荷试验,通过对比分析两种煤样的力学特性和声发射参量的差异,揭示软、硬煤样的疲劳损伤机制。试验结果表明：循环载荷下,软煤煤样出现连续的滞回环,硬煤煤样的滞回环基本重合。声发射参量均表现出明显的循环特性,整个试验过程中,硬煤煤样的峰值振铃数相当,软煤煤样呈现“先稳定后依次降低”的规律；硬煤煤样的声发射累计能量和撞击数呈“阶梯状直线上升”趋势,而软煤煤样出现明显的“转折点”。声发射参量的动态变化表明循环载荷下软、硬煤样的损伤演化过程存在明显差异,进而为不同煤体破裂机理研究及煤岩动力灾害的预测和防治提供指导依据。     

神东矿区不同赋存深度沉积岩抗拉强度与断裂韧度研究

为研究神东矿区不同赋存深度沉积岩抗拉及断裂性能,利用声发射监测系统对神东矿区不同赋存深度沉积岩样品巴西劈裂加载过程中的声发射参数进行监测,探讨了岩样抗拉强度、I型断裂韧度及两者比值k随赋存深度的变化规律;分析了劈裂破坏过程中损伤演化、破坏特征及前兆信息。结果表明:抗拉强度和断裂韧度随赋存深度增加而增大,且二者均与赋存深度呈幂函数关系,埋深-300 m以浅岩样的抗拉强度和断裂韧度分别在0. 5 MPa和0. 15 MPa·m1/2以下,而-300 m以深岩样则分别在1. 0 MPa和0. 15 MPa·m1/2以上;岩样抗拉强度与断裂韧度的比值k也随赋存深度的增加而增大,且与赋存深度呈对数函数关系,即埋深-300 m以浅岩样k值为2～3,-400 m左右k值为3～6,-500 m以下k值相对离散。同时,神东矿区不同赋存深度岩样破坏为张-剪混合型,张拉破坏贯穿整个破坏过程,但剪切破坏发生时间不同,即-300 m以浅岩样剪切破坏发生在峰后阶段,而-300 m以深岩样剪切破坏发生在峰前阶段;不同赋存深度岩样在峰值强度前均会出现破坏前兆点,-300 m以浅岩样(除中粗砂岩外)基本在应力峰值的70%～90%,而-300 m以深多在应力峰值的92%以上;可以看出沉积岩失稳预警时间随赋存深度增加而减少,且随深度增加其失稳破坏更加迅速且剧烈。     

基于尺寸效应的岩石声发射时空特性数值模拟

为研究不同大小尺寸岩石破坏过程中的声发射时空分布和演化规律及其对岩石破坏过程声发射的影响,以某矿山岩石力学参数为依据,利用数值软件对相同高径比、不同大小尺寸的6组岩样进行试验研究。试验表明当岩样尺寸小时,大的声发射事件主要出现在岩样大破裂贯通前后,声发射在岩样中从当初的随机性分布,到过峰值载荷之后大量集聚在岩样中部。试样尺寸较大时,未达到峰值应力前声发射较少出现,且分布弥散,大的声发射事件仅在峰值载荷后出现1次,其能量和数量均是声发射历史上最显著的,在试样中两处聚集成核,这与不同尺寸岩样内部包含不同缺陷强度离散性有密切关系。     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-Ⅱ声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律。试验结果表明:进入屈服阶段,大于80dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能级之间存在近似线性关系,岩石内部高能级高震级事件的集中出现表征着岩石局部损伤劣化加剧,与高速摄像仪记录结果一致;屈服强度过后,其他破裂类型也开始逐渐增多,但能级大于4的声发射事件基本都是张拉破裂类型。上述特征现象均可以作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。