不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。     

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。     

完整及含裂隙岩石试件单轴压缩过程数值模拟

采用 FLAC^3D数值模拟程序对完整岩石试件及含有单一裂隙岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟。结果揭示了完整岩石试件和含裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,最终形成一个倾斜的应力面,导致试件最后形成一个倾斜的破坏面;而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的两端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展贯通整个岩石试件。     

基于尺寸效应的岩石声发射时空特性数值模拟

为研究不同大小尺寸岩石破坏过程中的声发射时空分布和演化规律及其对岩石破坏过程声发射的影响,以某矿山岩石力学参数为依据,利用数值软件对相同高径比、不同大小尺寸的6组岩样进行试验研究。试验表明当岩样尺寸小时,大的声发射事件主要出现在岩样大破裂贯通前后,声发射在岩样中从当初的随机性分布,到过峰值载荷之后大量集聚在岩样中部。试样尺寸较大时,未达到峰值应力前声发射较少出现,且分布弥散,大的声发射事件仅在峰值载荷后出现1次,其能量和数量均是声发射历史上最显著的,在试样中两处聚集成核,这与不同尺寸岩样内部包含不同缺陷强度离散性有密切关系。     

三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验,对不同加载条件下煤样的声发射特征进行分析。分析结果表明：在常规三轴压缩过程中声发射能量、累计计数和累计能量随时间变化趋势基本一致,均能较好反映煤样内部的破坏过程;在煤样循环加卸载过程间隔出现声发射信息,其能量、计数和幅值变化趋势一致,与煤样所受应力相吻合;煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在峰值应力的85%左右,可以作为判定煤样破坏的前兆;在循环加卸载过程中Felicity效应较明显,Felicity比值FR远小于1,随着循环应力水平提高,FR值不断降低,表明循环加卸载过程中声发射记忆具有超前特征,Kaiser效应的记忆效果较差,Kaiser效应作为煤体稳定性指标需谨慎。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明：因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。     

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。     

大尺寸试件在梯度应力作用下的岩爆孕育声发射特性

岩爆是地下深部岩体开挖过程中常见的一种地质灾害现象，而梯度应力是影响岩体岩爆孕育的主要因素之一。为探究梯度应力作用下的岩体岩爆孕育声发射特性，借助YB A型岩爆模拟试验装置对大尺寸试件进行不同梯度应力作用下的室内岩爆加卸载试验，采用声发射监测手段获取试件在加载过程中的声发射数据并进行分析。研究结果表明：围压一定时，试件所受顶部应力梯度差越小，试件岩体产生的声发射现象相对越早，声发射能量的释放频率在加载过程中更均匀，且声发射能量相对较小；随着试件顶部所受梯度应力差值的增大，试件的声发射能量值释放愈发频繁，振铃计数的变化范围越大，越符合岩体压缩作用下的4个变形阶段。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

基于声发射定位的单轴受压帷幕体裂隙演化分析

利用RLW-3000伺服压力试验机和PCI-Ⅱ声发射三维定位实时监测系统对以研山铁矿东帮砂砾卵石制作的不同含水率的帷幕体试块进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合声发射空间定位、AE 撞击计数率对不同应力阶段帷幕体裂隙空间演化规律进行了分析。试验结果表明：帷幕体声发射事件空间定位在试块中分成上下2部分。在帷幕体的初始加载阶段,声发射事件定位位置为试块内部的应力集中位置;随着荷载的不断加大,声发射事件逐渐由区域中心向外扩散。声发射波的传播受水的影响,在养护条件下的帷幕体的声发射事件数最多,干燥条件下帷幕体的声发射事件数最少。随着含水率的增加,撞击计数率峰值出现得更早。研究结果对帷幕注浆破裂失稳机理研究有一定的意义,也可以为工程岩体稳定性提供理论依据。     

层理倾角对黑云变粒岩声发射特征的影响

为研究层理倾角对岩石声发射特征的影响,将取自河北滦县司家营铁矿露天坑的层状黑云变粒岩分别加工成层理倾角为0°,45°,90°的3种试件,并进行单轴压缩条件下的声发射试验。通过对不同层理倾角岩石声发射事件时空分布、盒维数以及能量释放特征的分析发现:层理倾角为0°和90°的岩石均发生劈裂破坏且具有相似的声发射事件时空分布规律;层理倾角为45°的岩石以剪切破坏为主,声发射事件时空分布规律与破裂模式有关;随着层理倾角的增大,临近破坏时盒维数降低现象出现的可能性会降低,并且声发射能量释放方式由匀速释放向阶跃式释放转变。研究成果对于利用声发射手段深入揭示层状岩石破裂机制具有一定的学术价值。     

矸石充填体受压裂纹扩展规律及声发射特性研究

为研究矿井矸石充填体内外破坏形式以及裂纹演化规律,利用PCI-2型声发射测试仪和压力试验机等仪器,分析不同水灰比、胶凝材料条件下,矸石充填体的强度、AE信号以及裂纹演化规律。结果表明:矸石充填体3d强度最小为3.6MPa,满足充填要求,水灰比的增加使得矸石试件的应变曲线斜率减小,提升了试件的抗变形能力;应力最大时,AE活动最为剧烈,试件裂纹上下贯通,呈张拉破坏;矸石充填体裂纹演化分为:闭合压密阶段、线弹性变形阶段、不稳定延伸阶段、峰后变形阶段。闭合压密阶段与线弹性变形阶段内,试件AE信号较弱;不稳定阶段矸石试件AE活动剧烈,内部颗粒碰撞明显;峰后变形量大,AE活动骤减。     

三点弯曲作用下不同粒径组成的类岩石材料声发射特性试验研究

为探讨粒径组成对三点弯曲受拉破坏材料的声发射(AE)特性的影响规律,制备了4种粒径的类岩石材料试件,分别进行三点弯曲声发射试验,分析了各试件加载过程中的力学特性和声发射特性。研究表明:类岩石材料的三点弯曲荷载-位移曲线经历非线性和近似线性2个阶段;随着粒径的减小,峰值荷载和到达峰值荷载时的声发射累计事件数均呈增大趋势,声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值r的最大值也呈减小趋势,说明粒径越小产生相对高能量的声发射事件越多,振铃计数的关联维数D值变化幅度呈减小趋势,同时,到达最低点时的相对荷载水平越高。r值升高后再次降低到持续的低值阶段为孕育主破裂阶段,可将D值的最低值作为主破裂前兆点。     

岩石高径比效应对其声发射影响的数值模拟研究

对6种不同高径比岩石试样进行数值模拟研究,讨论了不同高径比值下声发射之间的关系,得出了声发射的时间序列特征和空间分布的规律:H/D1时,达到应力峰值前,声发射频度及能量极少,且弥散、随机的过程较长;当达到峰值时,声发射频度和能量达到历史最大,主要分布在试样中部。H/D≤1时,在初期声发射已有出现,达峰值应力前有声发射突跃,且能量也较大,出现声发射带;达到峰值应力和在峰值过后仍有几次频度较高的声发射。这些特征为用压力机做实验时,控制一定高径比尽量避免岩石试样破裂过程受垫板干扰提供了参考依据,对预测岩石破裂来临及位置具有一定的参考意义。     

石膏和砂岩试样损伤破裂及声发射时空演化规律研究

通过对石膏和砂岩试样进行单轴压缩声发射试验,获取两种试样破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试样破裂失稳情况,分析破裂过程中的声发射时空演化规律和波形的多重分形特征。研究结果表明:砂岩试样的单轴抗压强度是石膏试样的7倍多;由于岩性的变化,石膏和砂岩试样的破裂宏观形态由"X"型变化到倒"Y"型;两种试样声发射脉冲计数与应力变化规律比较一致,但是砂岩试样脉冲计数的最大值远远大于石膏试样;两种试样三维空间定位点分布与各自破裂宏观形态是一致的,但出现的时间以及分布位置是不同的;二者破裂过程中的波形都具有多重分形特征,破裂时的多重分形谱宽Δf(α)小于破裂前的Δf(α),破裂前的Δf(α)小于破裂后的Δf(α),砂岩试样各阶段的Δf(α)都小于石膏试样对应各阶段的Δf(α)。表明两种试样在破裂时的能量大于破裂前,破裂前的能量大于破裂后,而且石膏在各个阶段的能量小于砂岩对应各阶段的能量。通过对比分析,更加深入了解石膏冲击破裂的规律。石膏和砂岩一样会发生冲击破裂,只是冲击破裂形式不同,而且在同等条件下,石膏破裂产生的能量小于砂岩,为石膏矿冲击地压的防治打下了理论基础。     

内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究

为研究部分充填置换高强度充填材料对矩形开口矿柱力学承载特性的影响。采用中机电子万能试验机和DS5型声发射信号采集系统,对不同开口宽度的矿柱试样开展了单轴载荷作用下破坏全过程的力学承载特性试验,在破坏过程中采用快速相机进行监测和记录,总结了充填高强度充填材料填充矩形开口矿柱的力学承载特性和破坏机理。结果表明：无充填矿柱试样(Ore Pillar Bearing, OPB)和充填矿柱试样(Ore Pillar-Filling Bearing, OPFB)模型试样变形破坏分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,与AE振铃计数演化特征同步响应;OPB模型试样b值曲线缓慢下降,而OPFB模型试样b值曲线呈平缓趋势,高强度充填材料能有效改善脆性材料的应变软化现象,且对破坏后残余强度的提升影响最大;OPB和OPFB模型试样抗压强度及弹性模量随着掘充宽度的增加而减小,OPB模型试样由劈裂破坏面转向剪切破坏面,呈现延性向脆性破坏转变,OPFB模型试样呈现出延性破坏。研究可为矿柱的回收和稳定提供科学依据。     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-Ⅱ声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律。试验结果表明:进入屈服阶段,大于80dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能级之间存在近似线性关系,岩石内部高能级高震级事件的集中出现表征着岩石局部损伤劣化加剧,与高速摄像仪记录结果一致;屈服强度过后,其他破裂类型也开始逐渐增多,但能级大于4的声发射事件基本都是张拉破裂类型。上述特征现象均可以作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。     

裂隙数量和开度对低强度岩体力学特性及破坏模式的影响

采用MTS815电液伺服控制试验机对不同裂隙数量和不同裂隙开度条件下的低强度岩体试件进行常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了每种类型裂隙试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。研究结果表明:① 裂隙数量可使试件应力-应变曲线的峰后破坏阶段由快速下跌转变为台阶式下跌,最后变为水平延伸式缓慢下跌,呈近似塑性流动变形破坏,相对而言裂隙开度对试件应力-应变曲线的影响则非常小;② 受结构效应的影响,试件峰值强度只在水平和倾斜裂隙条件下才随裂隙数量的增加呈明显减小趋势,而裂隙开度对试件峰值强度的影响较小,且存在最弱影响开度值;③ 裂隙数量对不同裂隙倾角条件下试件的变形特征均有较大影响,而裂隙开度只对倾斜裂隙试件的变形特征影响较为明显;④ 裂隙数量对倾斜和垂直裂隙试件破坏模式的影响要比水平裂隙试件的明显,但影响规律不明确。裂隙开度可以完全改变垂直裂隙试件的破坏模式,使其由纯拉伸破坏向单一剪切破坏转变,但对水平和倾斜裂隙试件的破坏模式基本没有什么影响。     

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。