花岗岩巷道岩爆声发射信号时频特性实验研究

通过对花岗岩开展双轴卸荷岩爆模拟实验,利用FFT变换获取声发射信号主频,分析岩爆孕育及发生过程声发射信号主频变化规律,研究花岗岩巷道岩爆声发射信号时频特性。研究结果表明:声发射能率和RA值在时间序列上具有明显的阶段性特征,可以很好地反映岩爆孕育、发生全过程;声发射信号主频随岩爆孕育、发生演化过程整体呈下降趋势,岩爆发生后主频平均值比岩爆发生前降低3.06kHz;花岗岩岩爆全过程主频集中在38~50kHz,区间内不同频段占比呈高斯分布;42~43kHz频段的主频占比在岩爆发生后变化最大,对岩爆的发生最为敏感,建议将此频段主频占比达到某一阈值作为岩爆发生的前兆判据。研究结果为岩爆灾害的预测提供了新的方法和依据。     

岩石声发射特性的研究

对单轴压缩下的花岗岩，砂岩，灰岩的声发射及剪切时花岗岩，灰岩的声发射进行了测试，并对声发射的时间序列，活动特点和频谱特征等进行了分析。结果表明，岩石的声发射时间序列可分为主震型，孤震和震群型三类，与岩石结构的均匀性和受力状态有关，岩石声发射活动在岩石破坏前都有一个稳定发展阶段和加速发展阶段，声发射的主频在５－３０ｋＨｚ以内，与岩石种类和受力状态关系不大，声发射主频一幅值因岩石不同而呈不同的分布状态     

水对花岗岩受力灾变声发射主频特性的影响

通过对干燥、自然、饱和3种状态下的花岗岩进行单轴压缩试验,并对加载过程中的声发射信号进行同步监测,分析了3种不同含水状态下岩石受力灾变的声发射信号主频变化特征,结果表明:不同含水条件下花岗岩加载至破裂全过程的声发射信号主频区间为0~110kHz,绝大部分信号的主频值集中在35~65kHz及15~25kHz频带区间;花岗岩加载过程的声发射主频演化可分为3个阶段,水会对各个阶段的声发射信号主频特性产生不同的影响;岩石失稳破裂前,声发射主频值由密集分布转向稀疏分布,35~65kHz的主频数量骤减,超低频值及高频值开始大量出现,可以认为是岩石受力灾变的前兆信息。     

煤岩三轴卸围压破坏声发射本征频谱特征试验研究

对煤、砂岩在不同围压及不同卸围压速率下的三轴卸围压声发射试验中所采集到的波形信号进行小波包分析及FFT变换,探讨波形信号的能量、频谱特征及岩样卸荷破坏前兆。结果表明:煤、砂岩波形信号在0～625 kHz这一频带中的能量占总能量的比例分别为93.04%,90.07%,频率大于625 kHz的高频部分所占能量很少,表明煤、砂岩的声发射信号能量虽然在频域上分布范围较大,但主要集中在较低的频段区间;不同岩样声发射波形信号的最大主频值波动性较大,而最小主频值变化不大,说明岩样在试验过程中,其内部小裂纹的形成具有随机特点,而大尺度的破裂则具有一定的共性;在卸围压破裂前兆方面,声发射波形信号主频值在岩样宏观破裂之前会产生突变,出现极高(煤岩120 kHz、砂岩160 kHz)及极低(0 kHz)的频率值,主频出现突变,这一现象可作为岩样宏观破裂产生的前兆特征。     

不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析

对直径相同、高径比不同的4组红砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验, 获得了各试样的力学基本参数及试验全过程所释放的全部声发射原始波形信号, 在对每个声发射信号逐一去噪的基础上, 通过快速傅里叶变换提取其主频, 联合时频域共同分析尺寸效应对岩石力学性质及声发射信号主频特征的影响。结果表明, 随着高径比增大, 试样的脆性破坏程度明显, 破裂时的延性减弱;红砂岩声发射信号主频分布范围为10~175 kHz, 明显成频段分布;尺寸效应对声发射信号主频的影响主要体现在频段分布的差异上, 30~60 kHz、140~155 kHz和160~175 kHz为各尺寸试样所共有的频段, 其中30~60 kHz频段占比最大, 对应着岩石损伤演化的最主要破坏模式;岩石变形破坏过程中, 主频分布特征朝复杂离散方向持续转化。     

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。     

加载速率对砂岩和花岗岩声发射事件宏微观形成机制的影响

分析了砂岩、花岗岩在不同加载速率下声发射事件的分布特征,并对有、无声发射事件区域的岩石碎片进行电镜扫描,从宏微观并结合声发射信号特征分析了加载速率对声发射事件形成机制的影响。研究表明:随加载速率的增加,镜面区特征逐渐减弱,即其对应的颗粒间的滑移以及岩石内部微裂隙共同作用产生的破坏变少,同时岩石越易发生脆性破坏,其产生的声发射信号多为连续型(或似连续型),不利于形成声发射事件,所以声发射事件数逐渐变少;对于砂岩,微破坏及小的宏观破坏是声发射事件形成的根源,对于花岗岩,颗粒间的位错是声发射事件形成的根源;花岗岩镜面区特征及范围较砂岩明显,即颗粒间的滑移及微裂隙共同作用更加明显,同时宏观上砂岩的破碎程度和规模也远小于花岗岩,所以砂岩的声发射事件数远少于花岗岩;镜面区特征明显说明颗粒间的滑移以及岩石内部微破坏是岩石的主要破坏组成,所以花岗岩从加载开始便有声发射事件,而砂岩没有。砂岩和花岗岩声发射事件的形成机制有着明显的区别。     

不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识

研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性,可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源,是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验,得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律,分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征,获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征,并基于AE峰值频率的演化特征分析,给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明,随着弱胶结砂岩粒度的减小,其峰值强度增加,岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显,AE振铃计数的峰值呈现数量级增加,能量集聚效应更加明显,岩样的自蓄能能力更强,且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10～20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275～285 kHz),且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前,两个主频段(40～50,145～155 k Hz)累积计数最大; AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别...     

含水对泥质粉砂岩I型断裂的影响机理及试验研究

张性断裂是工程岩体一种常见的致灾破坏形式,而工程现场中普遍的水环境增加了探究张性断裂的复杂性。利用TAW-3000电液伺服岩石试验机及PCI-2型全数字化声发射监测系统,对三种不同含水状态的泥质粉砂岩进行巴西圆盘劈裂试验,得到干燥状态、自然状态及饱水状态下岩石的力学曲线和声发射特征。试验结果表明,三种含水状态的泥质粉砂岩均发生了纯I型断裂,受泥质胶结成岩方式的影响,该岩石受水的软化作用效果明显,饱水状态岩石的平均抗拉强度仅为干燥状态下的39.71%。岩石I型断裂演化过程中,饱水岩样的声发射活动受到抑制,加载过程中能量释放微弱。此外,在岩石临近破裂前,干燥状态有高频主频值出现,饱水状态下有低频主频值出现。随着含水量增加,100kHz附近主频带逐渐减少,分布逐渐向中低主频带集中。值得注意的是,20 kHz和50 kHz的中低主频带“分布极少→集中出现→逐渐消失”的演化规律可作为本次泥质粉砂岩I型断裂试验的敏感频段。     

岩石声发射振铃累计计数与损伤本构模型的耦合关系探究

为探讨岩石不同破坏模式下声发射特征及其参数与应力、应变、损伤变量之间的关系,通过RMT-150C型测试系统及SAEU2S声发射系统对砂岩、变粒岩、花岗岩和石灰岩4类岩石单轴压缩下声发射特征进行实验研究。研究表明:在峰值应力之前,脆性破坏、脆-延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数均有剧烈增加的现象,延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数则是先激增而后有一段"平静期",可作为岩石即将进入破坏阶段的前兆信息。以时间为中间变量,建立了脆性破坏、脆-延性破坏及延性破坏模式下岩石声发射振铃累计计数与应变的关系模型;基于威布尔分布岩石损伤本构模型,进一步推导出声发射振铃累计计数与损伤变量、应力的耦合关系。经实测数据与所建模型对比验证,延性破坏、脆性破坏模式本构模型精度较高,可为岩石损伤评估提供依据。     

不同岩石破坏全程声发射Welch参数演化规律探究

通过变粒岩、花岗岩和石灰岩单轴压缩声发射试验,采集了岩石力学及声发射相关数据。运用Welch谱估计法对岩石破裂过程声发射信号的功率谱特征进行分析,并研究了峰值频率、能量占比的演化规律与岩石破坏的关联。结果表明,3类岩石受压破裂声发射信号的峰值频率均维持在(100±20)kHz,且在峰值频率正向较大波动点与能量占比高于25%信号点的波形特征多属突发型;能量占比的演化规律分两类,一类是先上升后下降,另一类是一直上升;在试件破坏期间,出现了峰值频率的较大波动与较高能量占比信号群增多的现象。应力、峰值频率以及能量占比值的联立分析,为更准确地预测岩体破坏失稳提供新思路和理论依据。     

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

红砂岩加速蠕变阶段声发射主频特征

岩石蠕变是诱发矿柱破坏的主要因素。通过进行蠕变声发射试验,以小波包分析方法为研究手段,分析了红砂岩加速蠕变起点与终点对应的声发射主频特征。研究结果表明:红砂岩发生蠕变破坏时声发射振幅存在两次明显的"跃迁"现象。第一次位于加速蠕变起点处,对应的声发射主频为125～156.25 kHz,第二次位于加速蠕变终点处,对应的声发射主频为218.75～250 kHz,该特征可分别作为红砂岩步入加速蠕变阶段与发生蠕变破坏的定性-定量前兆特征。研究成果可为金属矿山矿柱稳定性判别提供依据。     

干燥与饱水状态下砂岩的声发射特征研究

针对干燥和饱和含水两种状态下的砂岩进行了单轴压缩破坏声发射测试与岩爆倾向性研究。结果表明:砂岩含水状态的不同,其加载过程都可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个阶段,但两者对应各阶段的时域分布有较大差异;每阶段,饱水试件振铃计数均数、峰值、总计数都比干燥试件小,饱水试件振铃计数随时间序列分布较稀疏,饱水试件峰值集中出现在极限应力附近,而干燥试件峰值分布相对较分散;两种含水状态试件第Ⅰ、Ⅱ阶段能量释放趋势一致,都较缓慢,能量释放主要集中在第Ⅲ阶段,不同的是,干燥试件的能量释放呈现出多个阶跃,而饱水试件的能量释放主要集中在破坏瞬间,干燥试件接收到的声发射累积能量为含水试件的10倍左右。结论:岩石中水分会影响岩石的变形特性,饱水岩石失稳前兆信息较少,岩爆倾向性更强。     

红砂岩破坏过程声发射震源演化规律及其主频特征

采用GDS VIS 400 HPTAS三轴流变仪与PCI-2声发射系统，对红砂岩进行了单轴压缩条件下声发射震源定位试验，以矩张量分析方法为主要分析方法，研究了红砂岩破坏过程中剪切型、张拉型与混合型声发射震源空间分布特征与演化规律及其对应的主频特征，提出了基于累计声发射震源数非线性增长特征的起裂应力与损伤应力估测方法，与基于微裂纹非稳定发展阶段震源主频特征的岩石破坏预测方法。研究结果表明：在微孔隙压密阶段声发射震源分布远离试件的轴线，主要分布于试件上、下两端面附近。在弹性至微裂纹稳定发展阶段声发射震源遍布整个试件，并且具有向试件中心发展的趋势。在微裂纹非稳定发展阶段，声发射震源主要集中于试件中上部与中下部。不同类型震源演化规律与加载应力大小有关。当加载应力大于起裂应力但小于损伤应力时，剪切型震源迅速增长；当加载应力大于损伤应力时，张拉型与混合型震源进入相对快速增长期，并且剪切型震源快速增长起始应力与张拉型、混合型震源快速增长起始应力，分别与起裂应力、损伤应力具有良好的对应关系。在红砂岩破坏过程中，剪切型、张拉型与混合型震源的主频范围主要位于0～50,100～150与250～350 kHz...     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。     

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。     

岩石压缩破坏声发射时序特征研究

不同类型岩石因其内部组分、结构、均质度不同,其压缩破坏过程的声发射时序特征不同,总体可分为主震型、震群型、孤震型。典型塑性煤体的声发射时间序列比较分散,破坏前声发射频率及能量较大,但最大振幅和次大振幅相差较小,表现为群震型;而非常均匀致密石灰岩的声发射能量主要集中在破坏前的很短的时间段内,声发射时间序列表现为孤震型;而均质度介于两者之间的砂岩的声发射时间序列表现为主震型。     

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。