干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

利用YAG-3000微机控制岩石刚性试验机和PCI-Ⅱ声发射监测系统,对中关铁矿深部闪长岩分别进行干燥、饱和2种条件下循环加卸载过程的声发射试验,以探讨这2种含水条件下岩石的力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。结果表明:水对岩石的力学特性和声发射特征具有不同程度的影响。岩样从干燥状态到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%;整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏之前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%;干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。     

不同加卸载方式下饱和岩石力学特征的试验研究

为研究不同加卸载方式下饱和岩石的力学演化特征,开展了等增幅加卸载、多重加卸载和微扰动加卸载3种不同方式的加卸载试验,分析了不同加卸载方式下的岩石力学特征。结果表明,3种加卸载方式下各循环曲线大体呈下凹型; 等增幅加卸载下塑性阶段的各循环曲线会在应力峰值前突变为上凸型,并在加载段后期发生振荡,且出现越来越早的下跌; 多重、微扰动加卸载下曲线连续性好,首循环应变远大于多重或微扰动循环; 多重加卸载下,随着循环次数增加,应力零点处的曲线斜率越来越大,多重循环较首循环的加载曲线斜率大; 微扰动加卸载下,塑性阶段的卸载曲线为近似垂直线,加载段曲线斜率呈现“增-减-增”三段式变化。各加卸载方式下软化阶段、峰值应变的关系均为: 多重加卸载>等增幅加卸载>微扰动加卸载; 塑性阶段的长短关系为: 等增幅加卸载>多重加卸载>微扰动加卸载,而依此顺序岩石也由剪切破坏向张拉破坏变化。     

基于加卸载响应比理论的爆破动力露天矿边坡稳定性分析

以某金属露天矿最终开采境界的岩质边坡为工程背景,采用FLAC3D软件,通过强度折减法,计算边坡在自然条件下的强度储备安全系数;针对不同的强度折减系数下的边坡计算条件,将实测数据以法向压应力的形式于坑底施加爆破动载荷.将加卸载响应比(LURR)理论引入边坡爆破动力稳定性分析中,建立边坡在爆破载荷作用下的加卸载响应比模型,以边坡特征部位爆破附加应力的周期性变化作为加卸载量.以相应特征点的变形量作为响应参数,进而确定在爆破载荷作用过程中的边坡特征点的加卸载响应比.计算结果得出边坡进入极限状态前,特征点的LURR值在1附近波动,而接近极限状态后,LURR值呈持续增长的趋势.不稳定和稳定时,特征点的加卸载响应比规律,说明以加卸载响应比作为爆破边坡稳定性的判断依据是可行的,此方法拓展了动力载荷作用下的强度折减法分析功能,是值得推广和具有较好理论意义的方法.     

不同应力路径下脆性岩石的加卸载响应比研究

加卸载响应比（LURR）理论是研究非线性力学系统稳定性的一种代表性方法。通过3种应力路径研究了冬瓜山典型脆性岩石包括砂岩、大理岩和蛇纹岩的LURR特征。以轴向应力为系统输入参数,单轴压缩轴向加卸载条件下,随着荷载增加,轴向应变的LURR值开始保持稳定,接近峰值时出现突增-回落现象,环向应变的LURR值在荷载中期出现反常突增情况。三轴压缩条件下保持围压恒定,轴向加卸载的轴向应变和环向应变的LURR值存在与单轴压缩类似的特征。研究了轴压不变围压加卸载的简单加卸载定义,轴向应变和环向应变的LURR值在逐级加卸载围压过程中保持稳定,然后在接近破坏时呈现较大幅度的增长。最后分析了不同应力路径下岩石的破坏特征。     

不同分级循环加卸载模式下岩石能量 演化规律研究

为了深入分析循环加卸载过程中岩样能量演化规律,设计了3种不同的单轴循环加卸载试验,详细分析了不同分级循环加卸载模式下的总吸收能、弹性应变能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及其相互关系,建立了耗散能与循环应力等级、循环加卸载次数变化的演化方程。结果表明:1)随着循环加卸载应力等级的提高,耗散能Use和塑性变形能Ue呈现非线性增加的趋势;2)岩样在第3种循环加卸载模式下,整体上耗散能Use和塑性变形能Ue表现出"U"形变化的规律,在第Ⅰ级和第Ⅱ级循环荷载下强化效应突出,而在第Ⅲ级和第Ⅳ级循环荷载下扰动效应突出;3)循环加卸载上限应力不变,下限应力减小时,循环荷载对岩样的损伤效应比其强化效应明显;4)循环加卸载作用下岩样的耗散能Use与循环荷载应力等级、循环次数相关,可以采用非线性曲面较好的拟合,这为采用耗散能Use来定量分析循环加卸载过程中岩样的损伤奠定了较好的基础。     

大理岩单轴循环加卸载力学特性研究

以室内力学实验为基础,通过不同循环路径下单轴循环加卸载试验,对大理岩的力学特性、声发射特征及破坏模式进行对比研究。结果表明:大理岩在循环荷载作用下具有良好的变形记忆特性;弹性常数的计算结果表明,恒下限加卸载加载弹性模量整体变化呈现减小趋势,泊松比有一个先增大后减小的变化趋势,而恒差值加卸载加载弹性模量呈现波浪曲线,泊松比呈现不断增加趋势;通过声发射特征分析得出,恒差值循环加卸载过程中除了产生Kaiser效应还会有Felicity效应,两者都具有间隔突发和相对平静的现象。     

基于加卸载响应比的冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层推进速度研究

工作面推进速度过快易诱发冲击地压等动力灾害,探讨合理的工作面推进速度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键.采用数值模拟、岩石力学试验和现场微震监测等方法,通过研究急倾斜巨厚煤层推进速度影响下工作面前方煤体经历的采动应力路径,分析推进速度采动应力路径下的煤样力学行为特征.完成了采动应力路径下煤样加卸载响应比的变化...     

大理岩单轴循环加卸载破坏声发射先兆信息研究

工程施工中岩体常常处于循环荷载作用下,对循环荷载作用下岩石破坏的预测研究具有重要现实意义。以云南白色大理岩为研究对象,设置了两种不同循环应力路径,研究了大理岩在循环加卸荷下的声发射特征,研究结果表明:大理岩在循环前期阶段卸载过程没有明显声发射产生,声发射出现了间歇期。两种应力路径下,声发射Felicity比值变化趋于一致,均随着循环的进行应力水平的提高而降低,恒定应力下限条件下的Felicity比值较恒定应力上下限差值方案要低,表明恒定应力下限条件加卸载对岩石的损伤更为严重。整个循环过程中大理岩的声发射b值可以为3个阶段,在应力水平较低时,声发射b值随着应力的提高而降低,之后b值在一定范围内波动变化,表明岩石内裂纹稳定发育,在岩石的破坏阶段,b值出现小幅度升高。岩石单个循环声发射b值呈现V形变化趋势,在岩石即将破坏时b值出现大幅度的波动变化。将Felicity比值、整个循环过程b值和单个循环声发射b值结合使用可以提高预测岩石破坏的准确性。     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

循环加卸载下岩石浆体力学特性试验研究

为研究循环加卸载下岩石浆体力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机对岩石浆体进行恒定围压下的循环加卸载轴压的岩石力学试验,对岩石浆体的强度和变形特征进行了分析。结果表明:岩石浆体随着下一级加载轴压的提高,塑性滞回环面积增加;低应力状态下的循环会使岩石浆体更加致密,岩石浆体在加卸载下的强度高于常规三轴,超过临界强度时就会发生破坏,强度随岩石粒径增加而降低;在循环加卸载下,岩石浆体以剪切破坏为主,低围压和粗粒径更易形成明显的剪切带。基于研究成果,提出了增高锚杆预应力和增强注浆效果的软岩注浆加固关键技术。     

煤岩受载损伤演化电位特征实验研究

通过分析煤岩破坏过程电位响应特征,并根据电位与变形破坏之间的关系,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系。研究表明：煤岩在受载破坏过程中电位信号与破裂损伤有较好对应关系。在受载前期,煤岩损伤变形较少,微破裂发育较为缓慢,产生的电位信号较少,较为稳定。受载后期,煤岩损伤破坏不断加剧,电位信号不断增加。当载荷突变时,煤岩破坏显著,电位信号出现相应的突变。试样破裂越强烈,电位突变越显著。基于统计损伤理论,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系,推导出不同损伤阶段基于电位累积量的“应力-应变”的理论曲线,并对计算应力与实测应力进行相关性分析,得到平均相关系数为0.623 7,呈显著相关,与实测值具有很好的对应性,且理论值具有前兆规律。电位响应特征的变化能够反映煤岩损伤的演化过程,为煤岩失稳破坏提供一种探测方法。     

分级加卸载下节理软岩流变试验及模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司 Ⅲ 矿区软弱节理矿岩进行蠕变试验,按瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、瞬时塑性应变与黏塑性应变对流变试验数据进行分析,探讨了软弱节理矿岩的黏弹塑性变形特性;引入2种非线性元件--裂隙闭合体和非线性牛顿体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合元件流变模型,以研究复杂条件下节理软岩的黏弹塑性变形特性.试验结果表明,复合元件流变力学模型能很好地描述节理软岩在不同应力水平下的蠕变特性,特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,金川Ⅲ 矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

加载速率效应下圆形硐室岩爆特征模拟试验研究

利用RLW-3000伺服岩石力学试验系统,对深部高应力条件下的圆形硐室岩爆过程进行室内双轴加载模拟试验研究。通过研究不同加载速率条件下试样破坏的声发射时序特征,并结合其力学特性和宏观现象。研究结果表明:随着加载速率的增大,岩屑开始弹射时的荷载有明显的下降趋势,同时岩屑开始弹射时的时间也明显提前;模拟圆形硐室两侧岩爆的开始时间、剧烈程度有明显差别,这可能是试样的应力集中位置改变引起的,应力集中位置改变的原因可能是试样的离散性、加载偏心等,这些尚需要进一步的试验来验证;加载速率会影响岩爆的孕育时间、剧烈程度。速率越大岩爆的孕育时间越短,同时岩爆也越剧烈,且岩爆时声发射的振铃计数率、累计振铃计数、能率、累计能量陡增点越提前,最大值也越大。研究内容对研究岩爆过程中加载速率的作用具有重要意义,同时为预防岩爆发生提供一定的借鉴。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

扰动岩质边坡强震作用下动力响应分析

煤层露天转地下开采会扰动和弱化高边坡内岩土体,使边坡安全性降低。采用数值方法研究受地下开采扰动的露天高边坡的强震动力反应。以抚顺东露天矿扰动岩质边坡为工程背景,以有限元程序FSSI-CAS 2D数值计算为分析手段,研究东露天边坡强震作用下的动力响应规律。研究发现：① 东露天矿坑下覆岩体,对地震波的放大效应明显低于两帮边坡的放大效应;两侧边坡对地震波的放大效应与所处位置的高度成正相关关系,高度越高对地震波的放大效应越明显。② 对于处在同一边坡高度的点,由于右侧边坡扰动岩体性较弱,右侧边坡上对地震波的放大效应明显要高于左侧边坡的放大效应。③ 计算区域内的任何位置,对入射地震波大水平放大效应要永远高于竖向放大效应。无论是加速度响应、速度响应还是位移响应,受开采扰动影响越大的区域,加速度、速度响应和位移响应越剧烈。加速度、速度响应和位移响应剧烈的区域与扰动岩体损伤程度较大的区域一致。     

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,根据声发射参数,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线性正相关关系;每当混合岩岩样出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值即发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前声发射特征参数呈突发性特征;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、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性向延性转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中由延性转化为塑性。该结果合理地反映了由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究

利用MTS815材料试验机和12 CHs PCI-2声发射信号采集系统,对砂岩在等幅循环加载和分级循环加载条件下损伤破坏全过程的声发射规律进行了研究,探讨了Kaiser效应与Felicity效应,以及Felicity效应声发射中“明显增多”的尺度界定问题。试验结果显示：砂岩在试验中的Kaiser效应显著,但有一定的局限性;当加载达到或超过其峰值强度的70%后,砂岩应力记忆特性中Felicity效应表现显著,Felicity比的演化显示出3个阶段特征,且总体呈下降的趋势;只要声发射“明显增多”的尺度范围设定合理,则对Felicity比的演化趋势没有影响。     

Theoretical analysis of characteristics of acoustic emission in rock failure based on statistical damage mechanics

Based on statistical damage mechanics, the constitutive model of a rock under three-dimensional stress was established by the law that the statistical strength of rock micro-element obeys Weibull distribution. The acoustic emission (AE) evolution model of rock failure was put forward according to the view that rock damage and AE were consistent. Moreover, in the failure process of rock under three-dimensional stress, the change in relationship between stress condition parameter and the characteristic parameters of AE, such as the event number and its change rate, were studied. Also, the rock AE characteristic under uniaxial compression was analyzed in theory and verified with examples. The results indicate that the cumulative event number and change rate of AE in rock failure are determined by stress state parameter F. Along with the gradual increase of F, first the cumulative event number increases gradually, then rapidly, and then slowly after the stress peak. The form of change rate of an event by increasing F is consistent with the distribution form of rock micro-element strength. The model explained the phenomenon that a relatively quiet period of AE appears before rock rupture that is observed by many researchers in experiments. Verification examples indicate that the AE evolution model is consistent with the test results, so the model is reasonable and correct. Supported by the Key Program of National Basic Research Program(973) of China (2005CB221505); the National Natural Science Foundation of China (2005E041503)     

基于声发射能量值的煤岩试样损伤分析

试样内部微裂纹在压力作用下的萌生、分叉、扩展及贯通,最终导致了试样的破坏。声发射检测系统能实时检测获得试样在变形破坏过程中声发射信号,获得的声发射特征参数也因此包含了煤岩试样变形破坏过程中大量的损伤信息。通过利用试验获得的声发射特征参数对岩石变形破坏过程的损伤进行分析研究,得出岩石的声发射现象与岩石的损伤有密切关系。