花岗岩破裂过程声发射主频多元前兆信息识别

通过开展自然花岗岩单轴压缩声发射实验,获取岩石变形破裂全过程声发射波形信号,基于频谱分析理论,分析花岗岩破裂过程声发射主频演化规律,研究花岗岩变形破裂的主频多元前兆特征。研究结果表明:最高频、最低频、敏感主频出现率和主频变异系数4个参数能够从不同角度反映岩石破裂过程,适合作为岩石失稳预测的主要参数;岩石破裂前,最高频密集出现接近110 k Hz的主频值,最低频由接近0.4 k Hz低频值密集出现的活跃期转入极少接近0.4 k Hz低频值出现的稳定期;35~45 k Hz频段的主频值对此类花岗岩内部裂纹积聚最为敏感,加载后期此频段主频出现率突现大幅度下降并转入平静;主频变异系数在岩石破裂前密集出现较大幅度上升点。经统计分析,4个参数对岩石破裂前兆的响应时间从早到晚依次为最高频、最低频、敏感主频出现率和主频变异系数。不同参数能够从不同角度反映岩石内部裂纹演化过程,鉴于岩石变形破坏的复杂性,建议对各参数进行联合分析,为岩石破裂灾变提供更可靠的预警信息。     

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.     

花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究

通过声发射仪、红外热像仪观测有水压条件下的花岗岩试样单轴加载实验,研究加载过程中试样的声发射与红外辐射特征以及花岗岩破裂与渗水的红外及声发射异常前兆。研究结果显示：随着应力的逐步增加,试样的红外辐射表现为早期均匀上升、中期局部高温异常、后期渗水区低温异常;在破裂及渗水过程中,红外辐射表现为高温辐射场包围低温辐射场;花岗岩破裂-渗水的红外异常前兆为渗水点出现明显的“先升后降”红外辐射现象; 32～128 kHz频段是花岗岩破裂渗水时声发射信号的特征频带,且在渗水前夕该频带能量呈百分比下降趋势,并在渗水发生时降至最低点。上述实验结果对巷道开挖过程中透水事故的遥感监测预警具有重要的意义。     

岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究

通过试验监测岩石受力过程的声发射参数特征和时间过程特征等,探索岩石受力变形直至破坏全过程的时间特性,得到岩石破裂过程中岩石应力应变、声发射参数与应力和时间的关系。对比研究表明,不同岩样在加载过程中的声发射率与声发射能量参数成正比关系,而应力大小与声发射率和声发射的能量参数不成正比关系。最后通过岩样的压缩试验得出了不同岩样的岩石应力、应变曲线与声发射特性之间的变化规律。     

双轴加载下花岗岩破裂过程声发射b值特征研究

基于声发射定位技术和声发射事件震级算法,对在双轴加载条件下岩石破裂声发射b值变化规律进行试验研究。研究结果表明：双轴加载试验中,岩样声发射b值变化规律与单轴加载b值变化规律相似,先随应力增大而增大,之后随应力增大而减小;侧向压力的变化对声发射b值均值的大小影响不明显,但对加载过程中b值的波动范围有明显影响;随着侧向压力的增大,声发射b值峰值出现在较低应力区间,与单轴加载试样破坏前才出现b值下降规律不同,双轴加载岩石的b值变化规律应充分考虑侧向压力的影响,这对应用b值预报双轴加载条件下岩石的破坏具有重要意义。     

基于离散元方法的花岗岩单轴压缩破裂过程的声发射特性

结合花岗岩单轴压缩下声发射特性室内试验,采用颗粒流数值模拟试验,对加载过程中声发射特性进行了监测,探讨了单轴压缩下的荷载大小与声发射累积数的变化关系,分析了峰值强度前割线模量的变化规律。研究结果发现：加载过程中,试件内部最早出现剪切裂纹,随着颗粒单元内部应力增加,逐渐出现拉伸裂纹;单轴压缩不同荷载阶段对应了4个不同的声发射释放阶段,峰值强度后期出现大量振铃,且累积数较峰值强度前的累积数高;试件的弹性模量变化幅度随模拟时间步增大而逐渐降低,于某特定值浮动。研究成果可为岩石声发射特征研究提供参考。     

受载岩土破裂过程声发射及数值模拟试验

为利用声发射技术评估岩土稳定性,采用试验和数值模拟方法研究了重庆黄泥包岩土单轴压缩及劈裂过程声发射特征。研究结果表明:岩土在单轴压缩及劈裂破坏过程中均有声发射产生,与压力对应良好;均匀受载时,岩土产生的声发射呈稳态发展趋势;微破裂处,声发射有明显响应;压力峰值处,出现声发射极值。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程呈脆性破坏,裂纹扩展从强度较弱的单元开始,逐渐贯穿形成45°主裂纹;声发射信号与应力对应良好。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程及声发射与试验结果接近,有助于深入了解岩土损伤过程的声发射特征。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的“两高两低”特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的“三高一低”特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的“四低”特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的“三高一低”特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。     

岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究

通过对花岗岩、粉砂岩和煤岩进行单轴加载声发射和红外观测实验,研究岩石破裂过程中声发射和红外辐射特性及二者的相关性。研究结果表明:岩石破裂过程中,声发射和红外辐射具有阶段性的特征,二者的变化规律与力学的阶段性变化有良好的同步性;岩石破裂前,声发射平静期和岩性有关,花岗岩破裂前出现易识别的声发射平静期,粉砂岩和煤岩无明显声发射平静期;岩石从弹性阶段进入塑性阶段,岩石的增温速率降低,应力致热效应降低。提出:以声发射事件率和平均红外辐射温度的空间相关性由连续有规律向离散无规律转变,相关系数在时间上持续降低作为岩石破裂前兆特征。由于实际应用时岩石破裂的复杂性,故可将声发射和红外两种手段相结合,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。     

瓦斯抽采钻孔煤体破裂过程声发射特性试验研究

采用TAW-2000KN微机控制电液伺服岩石三轴试验系统和声发射(AE)三维定位实时监测系统,对带瓦斯抽采钻孔煤样和完整煤样(尺寸50mm×50mm×100mm)进行了压缩破坏声发射特性试验。试验结果表明:带瓦斯抽采钻孔煤样和完整煤样破坏形态完全不同。带瓦斯抽采钻孔煤样和完整煤样的加载时间与声发射事件数无显著差异。研究得到带瓦斯抽采钻孔煤体压缩破坏特征和声发射特性,为复杂应力作用下瓦斯抽采钻孔稳定性分析研究奠定基础。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的声发射特性离散元模拟

采用离散单元法研究了横观各向同性岩石在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程及声发射特性。结果表明：由于层面倾角的变化,导致横观各向同性岩石破裂过程具有不同的声发射特性。声发射特性与应力存在一定的耦合关系。且声发射空间响应集中在两种岩石的交界面上。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。裂纹的萌生位置和扩展模式直接决定了岩体的最终破裂形态。     

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。     

水对玄武岩破裂过程声发射及红外影响试验研究

为研究水对硬脆性岩石破裂的影响,采用玄武岩进行饱水、自然、干燥处理,开展单轴破坏试验.以美国FlirTherma CAM SC3000红外热像仪以及美国物理声学PCI-2型声发射监测系统为研究监测手段,开展水对玄武岩破坏过程的声发射以及红外影响试验的影响研究.结果表明:水对玄武岩破裂声发射及红外造成了一定的影响.含水率的提高,减少了玄武岩破裂过程中声发射平静期所占的相对时间,其中干燥、自然、饱水状态分别为9.44%、4.04%、3.76%.水的存在可以促进岩石破裂过程中的红外辐射现象.研究成果对于了解玄武岩在不同含水状态下受力灾变的声发射、红外特征具有重要理论意义,也为进行岩石灾变的预测预报奠定了实验基础,进而能为矿山灾害和岩石工程监测、预警提供理论指导与技术基础.     

岩样破裂过程声发射参数特征与时频特性分析

岩样破裂声发射信号中包含破裂关键时频信息,探究信号参数与岩样破裂前兆特征之间的关系对岩石工程灾害的预测具有现实意义。传统的伪维格纳分布(Pseudo Wigner-Ville Distribution,PWVD)算法能够通过对信号加窗来突出信号的局部特征,但是试验采集的信号一般是实值,直接运用PWVD进行时频分析可能会出现虚假频谱的情况。针对该问题,提出了一种基于Hilbert变换(Hilbert Transform,HT)的HPWVD时频分析方法对声发射信号展开时频研究。首先通过单轴压缩试验采集到钨岩、砂岩的破裂声发射信号;然后运用参数分析法对2种岩样累计振铃计数及累计能量的分布特征展开分析,并由此划分破裂阶段及确定破裂阶段临界点;最后运用HPWVD算法获取临界点前后的声发射信号的时频特征。研究结果表明,运用HPWVD算法对信号进行时频分析能够很好地消除虚假频谱的现象,并能准确获取临界点前后的时频信息,即岩样在破裂前的能量会在新的频段内重新分布与聚集,为岩样破裂预测提供了依据。     

基于声发射时频特性的花岗岩各向异性实验研究

为了更好地将声发射/微震等手段应用于岩石破裂监测,为工程岩体的稳定性评判提供技术依据,考虑到岩石材料所固有的各向异性等属性,本文拟从声发射监测角度探究岩石各向异性,通过对花岗岩进行水平卸荷破坏试验,开展材料各向异性和应力各向异性对声发射时影响研究。结果表明,各向异性(包括材料各向异性和应力各向异性)是引起不同位置声发射时频域差异性的主要原因,偏应力的存在是岩石出现应力各向异性的重要原因。加载初期以材料各向异性为主,随着损伤破裂的发展,应力各向异性开始占主导作用。声发射时域中绝对能量受材料各向异性的影响较大,幅值受应力各向异性的影响更为显著。声发射频域中不同频段的主频分量对材料各向异性和应力各向异性的敏感程度不同,低频(约20kHz)在试验初期受材料各向异性影响,试验后期由应力各向异性所控制;中频(40～50kHz)不受各向异性的影响,在整个阶段均有较高的响应;次高频(50～60kHz)受应力各向异性和材料各向异性的共同影响;高频(80～110kHz)对应力各向异性的表现较为敏感。     

煤岩受热及损伤过程的声发射特性研究

物质燃烧产生的声波特性可进行煤自燃监测预警,利用声发射仪和煤岩受载破坏系统对煤在接收频率为1 kHz和2 kHz时的声发射信号演化规律和能量分析,发现煤在受热升温的过程中会产生声信号,且随着接收频率的增大,频率高的声发射信号与温度的相关性更弱一些。对岩石在不同温度下的应力-应变特性进行分析,结果表明,随着温度的升高,岩样的峰值强度逐渐降低,且施加相同的应力发生的应变程度增大。煤岩升温过程中的声发射特性及变化规律,为利用声信号预警预报矿井火灾提供研究方向。     

花岗岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究

利用TAW-2000D数字控制式电液伺服试验机和SDAES数字声发射检测仪,对花岗岩进行了单轴循环加卸载室内力学试验,研究了花岗岩在不同加载路径下的岩石强度特征、变形特征、声发射特征。试验结果表明:恒下限和恒差值单轴循环加卸载的平均抗压强度分别比常规单轴压缩试验增加了18.7%和13.2%,表现出了典型的脆性岩石峰值强度的强化作用;对比分析各组试验的应力应变曲线,发现试件所得到的弹性恢复时间越多,其变形极限也就随之增大;声发射事件数与应力应变曲线具有良好的对应关系,处于压密阶段和弹性压缩阶段的声发射数量较少,随着荷载不断增大,内部裂纹迅速发育,损伤程度逐渐加重,处于裂纹发育阶段的声发射现象十分活跃,分析声发射数量与应力之间的关系,论证了Kaiser效应和Felicity效应。     

水冷却花岗岩力学特性及脆性指标研究

为研究经历不同高温水冷却后花岗岩所呈现出的相关物理力学性质及脆性指标，对经过200～800℃高温水冷却的花岗岩试样进行单轴压缩试验、声波损伤检测，探究了质量损失率、孔隙率、声波波速、单轴抗压强度等随温度的变化规律，并建立了基于起裂应力和损伤应力的脆性指标。研究结果表明：花岗岩质量损失率随温度升高逐渐增大；孔隙率的变化与温度的变化呈正比关系，400℃为孔隙率剧增的分界点；声波波速值随温度的升高不断下降；花岗岩单轴抗压强度随温度升高呈下降趋势，600℃是花岗岩热冲击后抗压强度劣化效果转变的阈值；针对高温水冷却后的花岗岩进行了脆性程度分析，所得测试结果与花岗岩应力应变曲线和破裂形式所得结论一致，花岗岩随温度升高脆性逐渐减弱，延性增强。这一研究对干热岩开发过程中的失稳问题和地下热储层建立等问题具有重要意义。