花岗岩单轴压缩全过程声发射时空演化行为及破坏前兆研究

利用MTS815岩石力学试验系统与PCI-2声发射系统,开展花岗岩单轴压缩全过程声发射定位试验,通过对岩石破裂过程中声发射时空演化特征、能量释放规律研究发现:岩石单轴压缩全过程中声发射时序参数演化过程,可分为上升期、平静期和波动期3个阶段;AE信号源的空间分布和聚集位置,可对应岩石内部应力集中和宏观破碎严重区域;随着荷载逐渐增大,AE事件由前期低能量、小裂纹事件向高能量大事件转化,大量微破裂成核、扩展,最终贯通为宏观裂纹,试样完全破坏且大部分能量得到释放。基于声发射时空演化的破坏前兆特征研究发现:岩石单轴压缩全过程中,AE平静期、AE能率、AE振铃计数率和岩石扩容可作为预测岩石破坏的指标,其中AE能率和AE振铃计数率对岩石失稳破坏的预测最敏感,其次是AE平静期现象,再次为扩容点。本文研究可为高地应力区地下厂房岩体稳定性监测与预报提供依据。     

基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究

 利用MTS815岩石伺服试验系统和AE21C声发射监测仪,对灰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：(1) 相同试验条件下,检波器置于三轴室内时的声发射振铃计数和能量的最大值分别比置于室外时高27%和32%,表明,声发射检波器置于三轴室内能够接收到更全面、真实的声发射信号。(2) 围压使岩石压密阶段声发射活动降低,同时声发射振铃计数最大值稍滞后于岩样宏观破坏时间,说明围压提高了岩石的剪切强度和峰后承载能力。(3) 建立基于声发射累计振铃计数的岩石三轴压缩损伤演化模型,岩石的损伤演化过程可划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。初始损伤阶段,声发射参数较小;损伤稳定发展阶段,声发射活动明显活跃,振铃计数和能量逐渐增加;损伤加速发展阶段,声发射活动异常活跃,宏观破坏后不久声发射振铃计数和能量达到峰值;损伤破坏阶段,岩石仍具有相当的承载能力,在破坏过程中仍有声发射活动出现。     

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明：①加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。②由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律,“相对平静期”最明显的时段位于峰值应力之前。③循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。     

单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究

层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。     

单裂隙花岗岩破坏强度及裂纹扩展特征研究

为了研究裂隙花岗岩强度特征及破坏过程,对裂隙花岗岩进行单轴压缩下的声发射测试,基于应力–应变数据、声发射多参量特征、摄像记录综合分析裂纹扩展特征及其相互变化关系。研究结果表明:裂隙倾角?对起裂应力和破坏强度影响较大,弹性模量和起裂应力随?单调增大;裂隙花岗岩应力–应变曲线在峰前呈阶梯状上升,尤其当?较小时,发生多次应力突降,应力降对应模量的快速弱化、AE事件率和能量率的剧烈凸起;AE事件率表现出明显的三阶段特征,随着?的增大,三阶段特征逐渐弱化,岩石的脆性破坏程度增大,应力降和AE凸起数量逐渐减小,AE事件率和能量率最大值对应的应力逐渐增大;相比AE事件,能量率最大值的发生更靠近峰值强度,且变化更剧烈;AE震源时空演化很好地描绘了裂纹的三维扩展区域和分布规律,稳定增长期震源数量和幅值均较小,高速增长期大幅值震源数量快速增加,尤其是在临近破坏前。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

高应力硐室围岩三轴蠕变及声发射特征研究

针对高应力岩体工程开挖后硐壁附近围岩长期变形问题,利用MTS815 Flex Text GT岩石力学试验系统和PCI–Ⅱ声发射三维监测系统,针对高应力硐室围岩,开展大理岩试件三轴蠕变试验及声发射实时监测,探讨硐室开挖后围岩在较小侧向压力下的蠕变力学特性和声发射特征。结果表明：大理岩的多级蠕变全过程应力–应变曲线具有5个阶段,岩样具有脆性破坏特征,横向变形较轴向变形具有更显著的蠕变特征;声发射特征表现出明显的应力响应和时效特征,且与典型蠕变3个阶段相匹配,在减速和稳态蠕变阶段,声发射振铃计数率和能量率呈线性增长趋势,加速阶段声发射振铃计数率和能量率呈现指数型增长,且声发射变化对应的时间点提前于应变加速点,可作为大理岩蠕变破坏的前兆特征;基于AF和RA值表征的大理岩内部微裂纹发展特征,大理岩蠕变破坏是张拉破坏和剪切破坏共同作用的结果。     

岩爆倾向岩石的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下,通过对有岩爆倾向的石英闪长岩破坏过程的声发射试验,研究了声发射事件数（AE数）、能量、事件率、能率与应变、时间的关系以及AE信号的频谱特征。试验结果表明：岩石经过初始压密段、弹性变形段和非弹性破坏段三个阶段,在初始压密段前期,岩石AE数出现短暂的突增,在弹性段前期,岩石AE数和能量呈直线增长;岩石在接近峰值强度前,应力出现跌降、稳定和再上升阶段,AE率和能率出现异常的显著增长,直至岩石破坏才出现明显下降趋势,AE序列表现出前震一主震一余震型活动模式;不同应力水平的频谱特征不同,随着应力的增加,AE频谱由低频向高频发展,并出现次主频,AE数和能量也逐渐向高频集中。这为此类岩体的岩爆预报提供了一定的依据。     

真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。     

二长花岗岩三轴加卸载过程中声发射特征分析

为认识二长花岗岩在不同受载路径条件下破坏过程中声发射特征,通过三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验,分析了玲珑金矿二长花岗破坏过程应力应变曲线和声发射特征参数的关系,结果表明:(1)在花岗岩的循环加卸载过程中,声发射信号主要出现在加载期的超过前一循环最大值的阶段和卸载过程的初期,弹性加载和卸载阶段后期基本无声发射现象;(2)岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关,在对二长花岗岩的加卸载试验的过程中,随着加卸载的进行,存在着声发射活动的活跃期和相对平静期;(3)主破裂阶段及峰后相对应力较高的时期所释放的能量要远高于卸荷阶段的初期、塑性变形的中后期这两个活跃期释放的能量,该阶段绝大部分的弹性应变能释放出来;(4)在岩石试样初期的循环加卸载过程中,岩石内部塑性破坏程度较低,Kaiser效应显著,后期的循环加卸载过程中即塑性阶段的中后期,Felicity效应显著;(5)岩石进入塑性变形的中后期,微破裂发展至破坏阶段,裂纹大量扩展、贯穿,形成宏观裂缝,弹性应变能大量释放,AE信号强烈,当达到塑性中后期的标志点时,岩石试件即到了主破裂的前夕。     

基于声发射时空演化的岩石全应力–应变曲线阶段特征分析

岩石单轴压缩变形破坏全过程的应力阶段划分及其声发射特征,有助于预测加载岩石所处的应力状态。本文以粉砂岩为例,从声发射事件累积曲线、频率时间散点图、空间分布特征3个方面,确定岩石全应力–应变曲线七个阶段的声发射特征。首先,对声发射事件上述3个方面的各种几何特征进行初步归纳,定义了AE平台、AE阶梯、主频带、贯频、加密集聚等特征,可更细致地表现声发射的演化规律。其次,通过粉砂岩FSA单轴压缩实验的声发射定位,得到全应力–应变过程7个阶段声发射的时空演化特征,发现声发射事件累积曲线、频率时间散点分布、AE事件空间分布的组合特征可以独立地识别七个阶段。细观机制分析表明,来自于应力的裂隙机制和原始裂隙构形的尺度、方位,对各应力阶段声发射综合演化特征有重大影响。类似于地震弹性回跳理论,岩样峰前软化段(第四阶段)的构造集聚形成剪切局部化,导致了峰后应力跌落主破裂的发生,更多声发射由弹性能释放造成的裂隙损伤过程激发,峰前软化段的声发射特征(AE大平台、AE阶梯,纵向AE主频线变稀疏、变贯通,多区加密集聚型)可以作为岩石破坏前兆。最后,进行不同岩性声发射时空演化特征的比较,发现声发射特征受细观裂隙激发超声振动这一物理过程的控制,粗硬的矿物颗粒、较强的颗粒胶结强度、分布均匀的微构造,容易被激发出更多的声发射事件、更多的频带和贯频。因此,应用声发射时空演化特征监测识别岩石的应力加载状态时,必须系统地考虑岩石结构构造对细观裂隙过程的影响。     

岩爆倾向岩石的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下,通过对有岩爆倾向的石英闪长岩破坏过程的声发射试验,研究了声发射事件数(AE数)、能量、事件率、能率与应变、时间的关系以及AE信号的频谱特征.试验结果表明:岩石经过初始压密段、弹性变形段和非弹性破坏段三个阶段,在初始压密段前期,岩石AE数出现短暂的突增,在弹性段前期,岩石AE数和能量呈直线增长;岩石在接近峰值强度前,应力出现跌降、稳定和再上升阶段,AE率和能率出现异常的显著增长,直至岩石破坏才出现明显下降趋势,AE序列表现出前震-主震-余震型活动模式;不同应力水平的频谱特征不同,随着应力的增加,AE频谱由低频向高频发展,并出现次主频,AE数和能量也逐渐向高频集中.这为此类岩体的岩爆预报提供了一定的依据.     

突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析

利用声发射事件率、振铃事件比和累计振铃数作为AE表征参数,进行单轴受压下突出煤样破坏全过程声发射试验。试验结果表明,不同轴向载荷的作用过程中,煤样声发射特征变化具有阶段性,根据全应力–应变曲线和声发射特征的变化规律均可分为5个阶段;因既反映声发射事件发生的频度又涉及事件的能量,声发射振铃事件比能更为准确地反映煤体变形破坏过程中声发射变化趋势,适合作为煤岩动力灾害预测的主要参数之一。弹塑性阶段是累计振铃数增长的主要阶段,累计振铃数达到AE累计振铃总数的35.35%;在接近峰值强度时,AE累计振铃数曲线趋于平缓,出现声发射相对平静期,即在其他岩石中存在的峰前相对平静期也存在于具有较多原始损伤的煤体之中,但损伤煤体的相对平静期更短,AE累计振铃数曲线突增和峰前相对平静期可作为煤样峰值破坏的征兆用于煤与瓦斯突出预测预报。     

单轴压缩下粉砂岩声发射事件与撞击对比试验研究

为更深入地研究岩石受载失稳过程中声发射(AE)撞击和事件参数对岩石内部损伤的响应关系,试验采用PCI-2全数字化声发射信号采集分析系统及TAW-2000型微机伺服岩石力学实验系统,对粉砂岩进行单轴加载声发射监测,观察粉砂岩在单轴加载过程中声发射事件参数与撞击参数的变化特征。通过参数对比分析,发现事件参数与撞击参数对粉砂岩破坏表征的优劣性,得出如下结论:AE撞击参数较AE事件参数变化趋势明显,更能体现岩石内部损伤过程;在岩石受载中期声发射活动相对前后期较为平稳且各参数值也相对偏低;在粉砂岩未处于失稳破坏阶段时,撞击数与事件数的变化趋向相同;但受载末期撞击数迅速增加而事件数很少,两者变化呈不同趋向,其直观地反映出岩石内部裂隙发展过程。     

模拟引潮力作用下岩石破坏前兆的实验研究 --加卸载响应比(LURR)理论和能量加速释放(AER)

大地震前加卸载响应比升高和能量加速释放这2种现象可以用来对地震进行中期预报。同时,加卸载响应比升高和能量加速释放有相同的物理机制。实验对于揭示地壳岩石的变形和破坏规律是非常重要的。在三轴应力条件下进行了岩石破坏声发射实验,声发射技术是研究岩石变形破坏微观机理的重要手段。为了模拟日月引潮力对地球的加载和卸载作用,在一常数加载率的轴向压力作用下,叠加上微小的正弦扰动,力求能够模拟地下岩石复杂的受力状态。实验过程中记录到大量的声发射信息,声发射记录包括声发射发生的时间、空间坐标和振幅,它能够反映岩石试件内部每一个损伤(微裂纹)发生的时间、地点和强度。利用声发射记录系统地分析了岩石试件破坏前能量释放及加卸载响应比的演化情况,结果显示,岩石试件宏观破坏前出现了能量加速释放及加卸载响应比剧增这2种前兆现象,从而对地震临界点理论给予了实验支持,同时也为地震预测提供了实验依据。     

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

 以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论：(1) 在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2) 声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3) 每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4) 声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。       

饱水对花岗岩声发射平静期影响的实验研究

通过对干燥和饱水花岗岩进行单轴加载声发射实验和扫描电镜实验,研究饱水对花岗岩破坏前声发射平静期的影响。结果表明:干燥和饱水花岗岩破裂前声发射事件率均出现平静期,干燥花岗岩在峰值载荷的54.89%时进入声发射平静期,饱水花岗岩约为峰值载荷的89.87%;干燥花岗岩平静期内AE事件率小且恒定,AE能率较高,饱水后平静期内AE事件率增大,AE能率减小;干燥花岗岩平静期内声发射波形信号的熵值为1.5~2.5,饱水花岗岩为0.5~1.5;饱水改变了花岗岩的微观破裂模式,这为水是如何影响岩石的声发射特征提供了理论依据。实验结果丰富了对岩石声发射平静期的认识,这对岩石破裂声发射监测中前兆现象的识别具有重要意义。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

单轴荷载作用下盐岩声波与声发射特征试验研究

利用自主研发的声波与声发射一体化测试装置,通过单轴加载及循环荷载试验,对盐岩变形破坏特征及声波、声发射活动规律进行深入研究.研究结果表明:(1)加载初期,盐岩裂纹体积减少,超声波波速显著增加,声发射事件极少,约占声发射事件总量的0.04％;弹性压缩阶段时,盐岩体积应变增大,而裂纹体积应变恒定,纵横波波速保持稳定,声发射活动较弱,约占声发射事件总量的2.49％;裂纹稳定增长阶段时,横波波速缓慢下降,盐岩声发射开始活跃,约占声发射事件总量的17.3％;裂纹加速增长阶段时,纵横波波速均开始显著降低,声发射活动最为激烈,并呈现震群型特征,数量约占声发射事件总量的76.5％;峰值应力后,岩体波速降至最低,有少量声发射事件产生.(2)循环加卸载条件下,盐岩的波速特征、声发射活动与应力状态表现出良好的一致性.加载过程中,纵横波波速上升,声发射活跃;卸载过程中,纵横波波速下降,声发射平静.统计应力与声发射事件的数量规律,论证盐岩的Felicity效应;比较分析Felicity比的变化,验证盐岩的累计损伤.     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。