不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

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。     

突出煤体受载变形破坏声发射行为演化特征

采用TAW-2000三轴伺服试验机和Vallen AMSY-6声发射信号采集系统,对寺家庄煤矿15号煤的碎裂煤原煤单体试件、糜棱煤型煤单体试件和原煤-型煤组合试件进行单轴载荷作用下变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:原煤试件表现为弹塑性材料特性,以弱面剪切破坏为主,其失稳破坏的前兆信息表现为弹塑性阶段出现"应力跌落"和"应力回升"现象,振铃计数出现峰值,累计能量曲线出现"台阶式"上升;型煤试件表现为理想塑性材料特性,呈现渐进变形破坏特征,以剪切粉化破坏为主,其峰前变形破坏过程中声发射始终保持在相对稳定且较低的水平,累计能量增幅不大,失稳破坏的声发射前兆信息特征并不明显;原煤-型煤组合试件的应力-应变曲线兼具了原煤试件和型煤试件的特征,其峰值应力介于单体原煤和型煤试件之间,失稳破坏的声发射前兆信息与原煤单体试件类似,但受型煤影响,高幅值振铃数和事件数与原煤单体试件相比明显减少,累计能量曲线呈现"缓台阶式"上升特征。     

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。     

不同围压下岩石全应力应变及卸载过程声发射特征

深部岩体在采掘过程中受到的扰动,实质上就是围岩体加卸载过程,此过程岩体所表现出来的性质实际上是它的峰后强度特性。基于MTS815岩石力学实验系统和PCT-2型声发射测试分析系统,对不同围压条件下岩石全应力应变及峰后卸载过程中的声发射特性进行研究。研究表明:在岩石屈服阶段前声发射信号较少,而在屈服阶段后,声发射信号迅速增加;累计振铃计数-时间曲线有个明显的台阶,表明试件破坏前出现相对平静期;试件处于残余阶段,所接收到的声发射信号减少,累计振铃计数曲线斜率减小。在卸围压前,声发射信号相对较少,但在卸围压过程中,声发射信号开始活跃,并且围压越高,声发射累计振铃计数更大,释放能量更高,该现象正好说明在高地应力条件下更容易发生岩爆现象。     

不同岩性巴西劈裂试验的声发射特征

应用声发射及其定位技术,系统研究了10 种不同岩石的巴西劈裂失稳过程,分析了随应力时间变化其声发射活动规律,并从内部细观结构对其破坏机制进行了分析,得到了顶板岩层不同高度不同岩性的微观破裂机理。结果表明：由于不同岩性岩石内部微观组成存在差异,砂性岩石劈裂抗拉强度和竖直方向的压缩极限应变约为泥性岩石的1.60倍。峰值强度时,砂性岩石的振铃计数和能量远大于泥性岩石,且其振铃计数和能量时间曲线比较均匀,而泥性岩石曲线“阶跃”现象明显;岩性不同,内部初始裂纹的位置也不同,裂纹初始及其扩展方向是诱发岩样裂纹贯通的主要原因。砂性岩石破坏前兆点早于泥性岩石出现,且大部分处于不稳定裂纹扩展阶段(含粗砂细砾岩和砂岩除外);顶板岩石在受拉变形过程中,泥性岩石失稳破坏时更加剧烈和突然,预警时间较短,可能带来安全隐坏,因此必须做好相应的支护措施。     

水对含孔煤体蠕变声发射特性影响的试验研究

水是影响煤体稳定的主要因素。为了全面分析水对钻孔周围煤岩体蠕变声发射特性的影响，通过室内制取含水率0、4%、8%以及饱和含水4种含水状态的单孔试样，开展不同含水率下的分级加载蠕变声发射试验，得到不同含水率下钻孔周围煤岩蠕变声发射规律。试验结果表明：(1)含水率的改变影响钻孔孔周煤岩体的蠕变力学性质，蠕变瞬时应变与稳态应变随含水率的增加呈指数上升，其中饱和含水试样应变增幅更加明显，其瞬时应变及稳态应变最大增幅达到44.5%和28.6%。(2)含水率影响蠕变过程中累计振铃计数及轴向应变的大小，轴向应变随着含水率的增加而增加，累计振铃计数随着轴向应变的增加呈线性上升，且含水率越大，累计振铃计数增加幅度越大，不同应力水平下，含水率4%、8%及饱和含水试样的累计振铃计数增减幅度基本维持在43%、53%和74%。(3)声发射振铃率在每一级蠕变阶段都会有增长—减小—稳定的趋势，随着含水率增加声发射活跃程度明显降低，并且蠕变曲线相对于声发射数据在时间上会出现一个滞后效应。研究为瓦斯抽采、钻孔护孔及声发射检测方面提供了指导。     

常规压缩下砂岩的声发射与损伤演化

采用MTS815.02岩石力学试验系统和AE21C声发射监测系统,研究了常规压缩下砂岩试样的声发射和损伤演化特征。试验结果表明:砂岩试样的声发射振铃计数与能量计数的变化规律相同,相关系数在95%以上;岩样应力-应变曲线中,每一次应力跌落都伴随有较大的声发射振铃计数率产生;声发射振铃计数间接反映了岩样内部微裂隙的萌生、扩展和贯通过程,采用声发射振铃计数定义的损伤变量能很好地反映岩石损伤演化过程。     

不同层理方向煤岩单轴压缩声发射特征试验

为了研究不同层理方向的煤岩体变形破坏规律及声发射特性,选取同忻煤矿3-5#煤作为研究对象,对垂直层理和平行层理2种煤样进行单轴压缩下的声发射监测试验,分析二者在强度、变形特性、声发射计数、累计计数,能量以及累计能量特征方面的差异。结果表明:二者的破坏类型不同,垂直层理煤样呈现出崩解破坏的特性,而平行层理煤样以塑性破坏为主;平行层理煤样相较垂直层理煤样,其单轴抗压强度、弹性模量、变形模量以及极限应变均呈一定程度的降低;二者的应力-应变曲线很好地与声发射计数-时间曲线、能量-时间曲线相对应,瞬时计数峰值或瞬时能量峰值可作为煤岩破坏的前兆;2种煤样声发射特征值虽具有一定的离散性,但可以认为平行层理煤样累积能量更大,计数、累计计数和能量相对更低。     

不同含水状态砂岩三轴压缩声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验机对不同含水状态下的砂岩进行了三轴压缩声发射试验,得到自然状态及饱水状态下砂岩的应力-应变曲线、声发射振铃计数率、能量及振幅分布曲线。试验结果表明,在水的影响下砂岩的力学特性和声发射特征都有较大变化:饱水状态岩样的平均峰值强度为自然状态岩样的84.4%,且在试验过程中整体变形及弹性模量都较小;在岩样三轴压缩的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率、能量及振幅值均比自然状态岩样小;对比饱水岩样和自然岩样的宏观破裂时间及声发射信号最大值出现的时间,饱水状态岩样都存在"滞后"现象;此外,两种含水状态下岩样的声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍"滞后"于砂岩宏观破坏时刻。研究结果对含水岩层工程设计及施工具有指导意义。     

岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究

选取内蒙古哈不沁铁矿花岗岩为试验对象,进行了岩石单轴压缩声发射试验,研究采用声发射参量预测岩石破坏裂纹尺度增长的可行性。花岗岩的全应力-应变曲线和声发射各参量曲线分析结果表明,应变的逐渐增加加快了岩石内部聚集的弹性变形能的释放,随着弹性变形能的释放,声发射的幅度、振铃计数、能量等越来越频繁地跳跃,当进入岩石破坏阶段时,声发射参量呈现突发性增长。对比分析了在声发射参量下预测裂纹尺度与实测裂纹尺度的相关性,结果表明,径向破坏裂纹尺度是轴向位移的2倍,且预测值与实测值非常吻合,预测的裂纹尺度能够反映岩石的损伤破裂过程,也能够描述岩石应变的发展过程。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究#br#

通过RMT 150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明：当加载速率增大时,强度为148.89~202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52~94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪,对混合岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系;混合岩岩样每出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值将发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征;建立了混合岩体应变损伤演化模型,该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性到延性的转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

峰后岩石类材料的声发射特性研究

基于声发射试验系统和岩石声发射理论,对2种不同性质的岩石和水泥砂浆进行了单轴压缩试验,得到了3种试样破坏全过程的力学特性曲线、声发射振铃数和累计振铃数曲线,针对其变形特征及应力、振铃数与时间的关系分阶段进行了研究。研究表明:岩石类材料声发射受岩石强度、节理裂隙和晶粒软硬大小等的影响;部分质软岩石类材料在弹性、弹塑性阶段,其单位时间声发射振铃数逐步增加,但在接近强度峰值时出现声发射相对平静现象;峰后声发射活性主要受岩石的强度影响。对比不同岩石的破坏声发射特性,可为天然和人工岩土工程稳定性评估提供参数。     

单轴加载作用下花岗闪长斑岩声发射特性与破坏前兆研究

准确判别岩石产生失稳破坏是当前研究的热点。本文通过花岗闪长斑岩试样单轴加载声发射试验，并分析其受载作用下失稳破坏全过程声发射的幅值、振铃计数率和b值变化特征可知：振铃计数率与b值的整体变化趋势具有高度相似性，均能反映岩石承载作用下其内部新裂缝的产生、发育、贯穿直至失稳破坏的变化规律。进一步发现，当加载应力达其峰值强度的 80%～90% 时，不仅振铃计数率进入大幅度反复振荡的非稳定期，而且声发射b值的峰后“断崖式”回落中出现“波动中值”，此现象可作为岩石失稳破坏前的判据。研究成果可为岩体变形破坏预测预警提供理论依据。     

高应力超大采空区围岩破裂机理研究

针对红透山铜矿岩爆等地压灾害频发现状,采用声发射与多点位移计联合监测技术,对27采场4分层边墙和顶板的岩体破裂及变形进行长期监测。通过位移与AE事件数的不同分时累计曲线比较发现：①硬脆性岩体在强卸荷后,其释放的变形很小,而且变形的波动总是先于AE事件。根据岩体变形破坏能量释放机制,围岩变形释放的应变能决定了岩体耗散能,而耗散能是导致岩体破裂的直接原因,所以,围岩变形是微破裂产生的先决条件。②岩体微破裂的开裂扩展改变了岩体的内部结构,在应力场的二次调整过程中,裂隙不断发育,直至产生稳定的岩体构造。为避免硬脆性岩体在高应力强卸荷条件下出现片帮、岩爆等剧烈破坏,建议通过增加卸荷瞬时释放变形的方式,加强岩体应变能的释放,从而减少耗散能;同时在爆破开挖后及时支护阻止岩体内部构造的劣化。另外在岩爆多发地段,增加布设高精度位移监测设备,通过卸荷后围岩变形的突变,对高应力条件下的地质灾害进行预测预报。     

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。     

三点弯曲作用下不同粒径组成的类岩石材料声发射特性试验研究

为探讨粒径组成对三点弯曲受拉破坏材料的声发射(AE)特性的影响规律,制备了4种粒径的类岩石材料试件,分别进行三点弯曲声发射试验,分析了各试件加载过程中的力学特性和声发射特性。研究表明:类岩石材料的三点弯曲荷载-位移曲线经历非线性和近似线性2个阶段;随着粒径的减小,峰值荷载和到达峰值荷载时的声发射累计事件数均呈增大趋势,声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值r的最大值也呈减小趋势,说明粒径越小产生相对高能量的声发射事件越多,振铃计数的关联维数D值变化幅度呈减小趋势,同时,到达最低点时的相对荷载水平越高。r值升高后再次降低到持续的低值阶段为孕育主破裂阶段,可将D值的最低值作为主破裂前兆点。