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。     

红砂岩蠕变声发射分形特征

对红砂岩进行了蠕变声发射试验,以固定的时间窗口和固定的滑动步距,计算并分析了蠕变过程声发射幅值分形维数特征,试验结果表明：红砂岩等速蠕变阶段应变速率与蠕变应力呈指数关系。减速与等速蠕变阶段声发射幅值分形维数特征与蠕变应力的大小有关。当加载应力小于岩石长期强度时,由原生微裂纹被压密所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大而减小。当加载应力大于岩石长期强度时,由新生微裂纹萌生、汇集等过程所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大总体呈现增大的趋势。在加速蠕变阶段,声发射幅值分形维数持续减小直至破坏,该特征可作为红砂岩蠕变破坏的前兆特征。研究成果可为探索岩石蠕变破坏方法提供试验基础,具有一定的工程应用价值。     

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。     

花岗岩卸荷损伤演化及破裂前兆试验研究

采用双轴伺服试验系统,开展花岗岩卸荷试验,借助RFPA3D-Engineering数值模拟软件和声发射监测技术对花岗岩卸荷损伤演化及破裂失稳过程进行深入研究。研究结果表明,花岗岩卸荷损伤可分为弹性变形阶段和塑性变形阶段,弹性变形阶段有小尺度裂纹产生,塑性变形阶段岩石内部裂纹不断扩展、贯通,最终形成大尺度裂纹导致岩石破裂;根据花岗岩卸荷损伤过程中声发射事件率、能量变化特性,可将声发射事件率平静期和能量的快速释放作为岩石破裂失稳前兆。花岗岩卸荷损伤演化过程中,轴向应力边界与卸荷边界相交处易出现破裂区域,并最终形成"V"形宏观破裂带,整个过程以剪切破坏模式为主。     

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。     

基于RFPA2D岩石渗流剪切破坏过程研究

为探究岩石渗流剪切破坏规律,以砂岩为例,利用RFPA2D软件进行数值模拟.结果显示:砂岩在渗流剪切破坏过程中分为稳定变形、亚稳定变形、失稳前兆和失稳破坏等4个阶段;伴随着加载过程,模型中心区域应力发生偏转升高,随之因应力集中而产生少量微裂纹,且拉伸性微裂纹出现时间先于剪切性微裂纹,两者汇合贯通后形成宏观破裂面;声发射活...     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。     

三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空演化规律

利用MTS815岩石力学实验系统,开展不同围压（3.2、9.6、16.0、22.4 MPa）下煤岩的三轴压缩声发射定位实验,研究煤岩破裂过程中AE(Acoustic Emission)时序特征、能量释放与空间演化规律。实验发现：静水围压阶段,AE信号主要产〖JP2〗生于中前期,声发射源主要是裂隙的压密、摩擦与滑移,其强弱与试件的原生裂隙、孔隙的发育程度密切相关;施加轴压阶段,煤岩声发射时空演化过程与应力应变曲线具有良好的对应关系,在产生初始损伤、屈服及破坏时,AE特征均会产生明显的突变。AE时序参数、能量释放与定位信息的综合分析表明,煤岩破坏前兆点的应力强度百分比为92%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。同时,实验揭示了煤岩破裂过程中声发射的围压效应,并发现AE时空定位演化较好地对应了破裂事件从单一到复杂、从无序到有序的演化过程。     

不同加载速率下砂岩巴西劈裂声发射试验研究

利用RMT-150C电液伺服刚性试验系统和PAC声发射信号采集系统,对典型砂岩在巴西劈裂条件下变形破坏全过程的声发射特征以及不同加载速率对其的影响进行研究.试验结果表明:声发射特征与各变形阶段其内部结构损伤信息的变化是相对应的,声发射参数可表征岩石拉伸破坏微观结构损伤和演化;随着加载速率的增大,AE振铃率和AE能量率都随之增大,峰值处释放的AE能量最大值呈递增趋势,而AE累积能量呈递减趋势,这可能与加载时间有关;砂岩的抗拉强度随加载速率的增大而增大,同步监测AE能量峰值亦随加载速率的提高呈上升趋势,不同加载速率下AE能量峰值的变化能够反映岩石的抗拉能力.     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影响。基于此,制作胶结充填体的标准圆柱体试样,采用WDW-100 kN型微机控制电子万能试验机加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:①不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;②不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;③对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;④构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度,较好的表征了不同应力水平下的胶结充填体蠕变变形规律。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

蠕变加载条件下大理岩弹性储能的演化特征

为研究蠕变过程中大理岩对能量的吸收转化特征和应变能的释放与耗散机理,测试分析了大理岩在单轴循环加载和多级蠕变循环加载条件下的应力-应变关系,计算得到各自的弹性能密度曲线,采用幂函数拟合了大理岩弹性能密度与应力之间的关系.对比两种加载方式的测试数据,结果表明:单轴循环加载和多级蠕变循环加载试验的弹性能密度曲线基本重合,即...     

红砂岩短时蠕变声发射b值特征

岩石的蠕变性质是引起岩石破坏的原因之一。因此,对岩石蠕变破坏进行预测具有重要的意义。通过进行分级加卸载条件下的短时蠕变试验,研究了红砂岩在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段的声发射b值特征。试验结果表明：试件在体积变形状态下,声发射b值在减速蠕变阶段与等速蠕变阶段随着蠕变时间的增大而增大;当试件处于体积不变状态与扩容状态下,声发射b值在等速蠕变阶段总体保持稳定;在加速蠕变阶段,声发射b值呈现出先减小,而后增大,最后再次减小的特征。因此,根据声发射b值在不同蠕变阶段的变化特征,在一定程度上可对红砂岩石蠕变破坏进行预测。     

单轴压缩条件下尾砂胶结充填体的损伤变量与比能演化

为探究充填体单轴压缩过程中损伤变量D、比能演化及二者间的关系, 以大冶铁矿灰砂比1∶6的充填体为研究对象, 开展了单轴压缩及声发射监测试验, 计算损伤变量D、总比能U、弹性比能Ue及耗散比能Ud。结果表明, 充填体的损伤过程可划分为初始损伤(OA')、损伤稳定发展(A'B')、损伤快速发展(B'C')和损伤破坏(C'点以后段)4个阶段, 分别对应压密(OA)、弹性(AB)、屈服(BC)和破坏后(C点以后段)等阶段。损伤变量D在OA段、AB段、BC段和C点以后段分别呈快速增长、缓慢增长、急剧增长、缓慢增长;总比能U和弹性比能U_d不断增大, 且增长速率逐渐加快, 耗散比能U_e先增大后减小。OA'段, U、U_e和U_d均缓慢增长;A'B'段, U、U_e增长较快, U_d增长较慢;B'C'段, U、U_d快速增长, 而U_e增长速率逐渐下降;C'点以后段, U、U_d先快速增长后急剧增长, 且U_d增长速率更高, 而U_e先缓慢下降后急剧下降。试验充填体U_d随D呈指数增长。     

花岗岩破裂过程中的声发射活动性研究

当岩石受外力或内力作用产生变形或断裂时,产生声发射现象.声发射技术是一个用来研究岩石裂纹扩展过程的很好的工具.本文应用声发射技术,研究了单轴加载条件下花岗岩试样破裂失稳过程,应用单纯形方法对声发射事件进行定位,对加载过程中花岗岩的声发射活动性进行了分析.研究结果表明：声发射次数随着应变的增加而增加;通过声发射事件定位技术,在开始加载时,声发射事件分布的很散乱,但是随着荷载的增加,声发射事件逐步聚集,直至宏观发生破坏;声发射次数随时间变化出现逐渐增加趋势,但岩石宏观破坏之后,其声发射活动并没有立即停止,而有增加的趋势,这主要是由于应力场寻求新的平衡,声发射次数仍然增加.可见,声发射事件随时间的变化,可以很好的反映岩石宏观失稳破裂之后,其内部应力场达到新的应力平衡过程.     

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。     

红砂岩不同蠕变阶段声发射振幅与能量特征研究

为认识岩石蠕变过程中的声发射特征,对红砂岩进行了分级循环加卸载试验,研究了试件在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段的声发射振幅与能量特征。试验结果表明:在减速蠕变阶段,声发射振幅与能量随时间的增长而减小;而后,在等速蠕变阶段,声发射振幅与能量基本趋于稳定,并且两参数的平均值与方差小于减速蠕变阶段。在加速蠕变阶段,声发射振幅与能量发生跃迁的频率增大。在此阶段,声发射能量平均值与方差和声发射振幅方差,大于减速蠕变与等速蠕变阶段。以上声发射特征说明,相对于等速蠕变阶段,减速蠕变阶段微破裂的尺度相对较大;而在加速蠕变阶段,微破裂在更大尺度的范围内发生。试件损伤主要发生在减速蠕变与加速蠕变阶段。