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.     

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。     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

预制裂纹花岗岩单轴压缩全过程声发射特征试验研究

为有效提取含有宏观构造岩体失稳破坏的前兆信息,对不同倾角预制裂纹的花岗岩进行了单轴压缩全过程声发射变化特征试验。结果表明:预制裂纹对岩样峰值强度的影响是显著的,随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩试样的峰值强度降低。随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩变形破裂过程中声发射事件数和声发射震级都增加,出现声发射前兆信息时试样的应力大幅降低,完整试样的应力为峰值应力的88.5%,裂纹倾角30°时为84.5%,裂纹倾角45°时为56.2%,裂纹倾角60°时为46.3%,声发射前兆信号出现的时间也更为提前。花岗岩变形破裂过程中声发射事件主要集中在预制裂纹区域。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,因此对含有宏观构造的岩体应加强宏观构造处的监测。     

基于声发射监测的含水岩石动态损伤演化过程试验研究

为研究含水状态对岩石破裂失稳过程声发射事件动态演化的影响规律,进行了干燥、天然与饱水闪长岩单轴压缩过程的AE试验,采用基于最小二乘法组合定位算法对裂纹扩展过程中AE事件进行定位。结果表明:干燥、天然及饱水闪长岩的定位误差分别为3.46,4.44mm和2.44mm。天然、饱水岩样的AE事件数分别为干燥岩样的37.2%和17.6%;在低应力阶段,干燥岩样内部产生的AE事件多于天然与饱水岩样;在0.5~0.9σc应力区间内,各岩样内部均有一定数量的AE事件产生;在失稳破裂阶段,干燥、天然、饱水岩样内AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增。     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

采用SDAES型数字声发射仪和岩石参数动态测试系统,对云南大红山铜矿2组岩石进行了单轴压缩条件下的声发射实验,研究岩石在单轴加载过程中声发射活动随时间和应力、变形等内在规律,比较2组岩石声发射规律的异同,在此基础上分析了岩石的破坏机理。实验结果表明：2组岩石声发射活动规律大体相同。除加载初期外,岩石声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与试样体积变形的主要原因。岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率不完全一致,声发射能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感,更适合用来预测岩石的破坏。     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

石英岩加卸载声发射特性研究

为了研究岩体在掘进过程中其内部破损的过程,采用TYP-500型三轴压缩试验机和PCI-2声发射系统对灵宝金矿石英岩进行单轴和三轴压缩声发射试验,以分析岩石破坏过程中的声发射特征。试验结果表明:在声发射试验过程中,石英岩的振铃计数与能量释放近似成正比例关系;当岩样发生破裂时,主破裂之前能量提高,表明岩样内部裂隙裂纹增多,释放大量能量,岩体承载力迅速下降;单轴压缩下声发射信号峰值和应力峰值基本同时发生,而三轴压缩下声发射信号峰值滞后于岩样应力峰值,因此认为,主破裂前围压加强了岩样的峰后承载能力,主破裂后单轴压缩下的岩体较三轴压缩条件下相对稳定。     

岩体失稳过程中的声发射监测研究

对大红山铜矿岩样进行了单轴压缩和劈裂试验,研究岩样在加载过程中的声发射特征。同时,对该矿2个盘区进行了盘区顶板的声发射监测,探索岩体的破坏机理和预测破坏的方法。根据室内试验与1 a多的现场监测发现,室内岩样破坏过程中声发射特性与现场监测中出现的点柱垮落、采场顶板冒落现象的声发射参数规律相似。声发射活动从平静到剧增且维持较长时间的变化可视为岩体失稳的前兆信息之一。     

采场充填体单轴压缩变形及声发射特征

为揭示采场充填体变形及声发射特征,针对石人沟铁矿采场充填体开展了单轴加载的声发射试验。结果表明:充填体试件变形破裂过程分为压密线弹性、塑性屈服、应变软化、塑性破坏四个阶段;声发射特性参数随加载的进行呈现出阶段性变化的特点,能够很好地反映充填体在压缩破坏过程中的内部结构变化及损伤破裂情况;充填体单轴压缩破坏形态以张拉破裂为主,剪切破裂为辅,声发射特性参数RA、AF值分布规律能够反映充填体破坏裂纹演化机制。     

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。     

水对粉砂岩渐进破裂过程影响实验研究

通过对干燥、自然和饱水粉砂岩进行单轴压缩声发射实验,基于声发射方法确定岩石渐进破裂指标—损伤强度σcd,研究水对粉砂岩渐进破裂过程的影响规律。研究结果表明:粉砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随含水率的增加而减小,两者与含水率的关系可以用指数函数进行拟合,相关度在0.8左右,残余强度随含水率的增加而增大;随着含水率的增加,粉砂岩破裂前声发射事件率密集的程度降低,破坏时的累计声发射事件数减少,水降低了岩石的破裂程度;粉砂岩破裂失稳前声发射活动的一个重要特点:累计声发射事件数ΣAE的增长模式符合Exponential函数,含水率增加,其增长的速率降低;水对粉砂岩渐进破裂过程的影响主要表现在含水后粉砂岩损伤强度与峰值强度的比值(σcd/σc)增加,粉砂岩裂纹开始不稳定扩展的应力水平提高,水可以加速粉砂岩从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程。     

单轴压缩及劈裂试验下煤的声发射特征研究

为研究准静态加载下强冲击倾向性煤的抗拉及抗压性能,利用万能试验机系统和声发射监测系统分别对煤样进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验,并监测加载过程中的声发射参数,对比分析煤样在2种加载方式(拉、压)下的变形破坏特征、煤样声发射时空演化规律及微观破坏机制。研究表明:拉、压载荷下煤样的变形特征基本一致,但也存在一定差异,压缩下较劈裂下压密阶段历时长且变形大,峰后阶段历时短,破坏剧烈;拉、压载荷下声发射幅值分布基本一致,低幅值(40～60d B)较多,高幅值较少,且比例随着幅值的增大而减小,二者呈幂函数关系,以高幅值声发射信号的出现可将加载过程划分为5个阶段;拉、压载荷下声发射空间定位演化特征基本一致,裂隙压密和裂纹萌生阶段缓慢产生声发射事件,裂纹稳定扩展阶段较快产生声发射事件,非稳定扩展阶段快速产生声发射事件,出现声发射丛聚现象;峰后阶段存在一定差异,压缩下较劈裂下产生速度快;拉、压载荷下煤样微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏,但剪切破坏出现时间不同,压缩下主要发生在裂纹非稳定扩展阶段,而劈裂下则出现在裂纹萌生、裂纹非稳定扩展和峰后破坏阶段。     

塑性煤与脆性煤破坏过程的声发射演化特征试验研究

在单轴压缩条件下,进行了塑性煤与脆性煤试件破坏过程声发射监测试验,研究两类煤破坏过程的声发射演化特征。试验结果表明:煤体破坏失稳过程中的声发射与煤体中的裂纹萌生、扩展、贯通等活动相对应,煤体的声发射演化特征与其破坏特征密切相关。塑性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值—下降"的演化规律;声发射事件率出现急速增大之后的稳步下降是煤体主破裂面即将贯通、煤体破坏失稳的前兆。脆性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值"的演化规律,声发射"下降"段不明显。研究结果可为煤体稳定性监测的声发射参数演化的解译、灾变判识准则的建立提供理论基础。     

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。     

不同加载速率下深部砂岩的声发射与破裂响应特征

为探究深部砂岩破裂演化特征与加载速率的相关性,开展了3种加载速率下的单轴压缩声发射监测试验,深入分析了加载速率对深部砂岩微破裂集聚成核机制和多类型破裂源演化特征的影响。研究结果表明,在不同加载速率下,深部砂岩的声发射参数(声发射计数与幅度)曲线的演化趋势具有一致性,随着加载速率的增加,声发射累计计数与累计幅度呈现减小的趋势;试样在不同加载速率下的时空演化特征具有一定的相似性,在不同的变形阶段,岩样内部多类型破裂源的占比不尽相同,在裂纹扩展阶段前,多类型破裂源占比情况受加载速率的影响较小,当岩样进入裂纹稳定扩展阶段后,随着加载速率的提高,剪切型破裂源占比趋于减小,张拉型与压缩型破裂源占比趋于增加;不同加载速率下岩样的声发射矩震级与频次关系均服从正态分布规律,声发射b值随着加载速率的增加逐渐减小,声发射矩震级中值随着加载速率的增加呈缓慢增加的趋势,加载速率可以增大试样内部破裂源的整体强度。     

岩石真三轴分级加载声发射与波速演化规律试验研究

为研究岩石在真三轴分级加载过程中声发射特性与超声波波速演化规律两者间的关系,采用自主研发的岩石真三轴试验机、声发射监测系统及超声波测试系统,开展了岩石真三轴分级加载声发射定位监测及超声波测试试验。研究表明:声发射累计能量与累计计数变化趋势可作为岩石破裂前兆信息,第1阶段随着岩石压密其增幅较小;第2、3、4阶段砂岩内部裂隙开始发育其增幅缓慢增加;第5阶段为砂岩破坏的主要阶段其增幅超过80%,推断第5阶段砂岩由于应力达到峰值强度而失稳破坏。声发射定位可以很好地表征裂缝形态与扩展规律。第1、2、3阶段,砂岩内部极少产生声发射定位事件且分布较为分散。第4、5阶段,声发射定位事件大量产生并集中于最小和中间主应力方向两侧的破裂面与破碎带上。超声波波速变化对于岩石内部变形破坏以及裂缝扩展具有良好响应。加载过程岩石波速具有各向异性,最大主应力方向随岩石压密波速增加,压密程度降低波速增速降低;中间主应力方向波速随岩石压密升高,之后随岩石形成破裂面降低;最小主应力方向波速则首先随岩石压密升高,然后随岩石形成贯通破裂面,并伴随有破碎带导致波速迅速衰减骤降至较低水平。     

基于声发射的含瓦斯煤试件失稳破坏预测研究

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法．利用RFPA2D数值模拟系统．对含瓦斯煤试件在破裂过程中声发射（AE）的分布特征进行了研究,并结合AE在时间和空间上的分布特征对失稳破坏区域进行预测。研究表明：含瓦斯煤试件在形成宏观破坏发生失稳前都有明显的声发射前兆,利用声发射在时间上的分布特征可对失稳破坏做出提前预警,利用由拉应力作用产生的声发射前兆信息在空间上的分布特征,可对裂纹的起裂区域做出较准确预测;能为含瓦斯煤体失稳破坏的防治及声发射监测技术在煤矿的应用提供理论基础,具有一定的理论和现实意义。     

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。     

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。