循环荷载作用下胶结充填体声发射特征试验研究

随着开采深度的增大,采场地压显现日趋严峻。胶结充填体作为充填采矿法中采场的重要结构单元,对维护采场稳定具有重要作用,因此了解认识胶结充填体在外界荷载作用下的响应特征具有重要的意义。通过进行单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加载阶段的声发射特征,以及声发射“平静”期的分形特征。结果表明:胶结充填体存在明显的压密阶段。在压密阶段初期,声发射能率较大。而后随着应力的增大,声发射能率又逐步降低,并最终维持在较低的水平;在弹性阶段,声发射事件率和能率随应力的增大而增大,并且声发射事件率普遍大于其余加载阶段;在加载应力达到胶结充填体峰值应力前,声发射会出现“平静”期。在此时期,声发射能率出现剧烈波动,且声发射分形维数是不断减小的;试验中,下级加载声发射能率大于上级加载,并且声发射能率对充填体损伤程度的敏感性大于声发射事件率。      

WNN模型在预测声发射信号方面的应用

小波神经网络具有预测精度高、结构简单以及收敛快等众多优点,因此,试图将这一优势模型用于声发射的预测方面,进而为矿业领域完善一种新的预测方法,并根据实验室岩石加载实验过程中采集的大量声发射数据,建立了一种与之相适应的预测模型。首先,针对实验室实验过程中监测得到的声发射数据建立了小波神经网络模型（WNN模型）,然后对声发射监测得到的声发射事件率进行网络自主学习,得到预测结果,最后与实际值相比并计算其误差。结果表明：WNN模型预测精度较高,与实际监测得到的结果基本吻合,证明WNN可以用于声发射信号方面的预测。     

RAEM岩体声发射监测系统

RAEM是一套可应用于地下或露天矿山的岩体声发射监测系统,主要由传感器、数据采集系统、数据处理计算机以及监测处理软件等组成。RAEM的主要功能包括声发射事件监测定位及事件信息统计分析,已经过现场试验的验证。     

尾砂胶结充填体声发射特征的分形分析

对取自某铜矿的尾砂按不同配比制备尾砂胶结充填体试样,在单轴压缩条件下,进行尾砂胶结充填体破坏全过程声发射试验,通过对声发射基本参数序列进行理论分析,证实了充填体的声发射过程具有分形特征,并采用＂G-P算法＂计算了能率时间序列的关联维数.结果表明：低配比（1∶8）试样的关联维数在应力水平为60%时突降到最低,结构内部裂纹扩展开始变得有序,并呈宏观态势发展;高配比（1∶4）试样的关联维数是逐渐降低的,在峰值破坏时降到最小.此外,关联维数的＂突降→平静＂和＂持续降低＂两种模式可分别作为两种配比的充填体现场稳定性监测、预报的前兆判据.     

拉伸试验中充填体声发射特性及数值模拟研究

下向胶结充填采矿过程中, 胶结充填体顶板的破坏不仅受抗压强度的影响, 而且还表现为张拉破坏, 为了充分探索充填体顶板张拉破坏过程中的损伤演化规律, 对胶结充填体试件进行了单轴抗拉破坏声发射试验, 并利用RFPA2D软件对其拉伸破坏过程及声发射信号进行了数值模拟.模拟分析表明, 胶结充填体的抗拉破坏是始于试件圆盘中部, 沿着加载轴线方向出现裂隙萌生与扩展, 并汇聚成宏观的裂隙带, 最终导致整体失稳的破坏过程.模拟结果还再现了抗拉破坏时声发射的分布规律, 其结果对比室内试验的声发射特征规律, 具有很好的一致性.      

块石对充填体损伤演化影响的声发射表征

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩实验,利用1 MHz的宽频声发射传感器采集峰值破坏前各阶段声发射参量,试验结果显示了块石对充填体不同承载阶段应力-应变水平的影响。对比应力-应变-累计声发射事件数关系,发现块石的掺入有利于降低充填体裂纹产生与扩展的速率从而使其承载能力得到加强。分析试验数据得到用累计声发射事件数表征充填体损伤程度的关系式,并得到2组试件的损伤-应变水平关系曲线。分析表明,块石的加入有效抑制充填体前期的损伤增长速率,并使得损伤激增段出现后延趋势。     

基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性

基于华蓥山隧道掘进爆破过程中的声发射监测结果,对比了上升时间/振幅比值(RA)与平均频率(AF)在不同传播距离下的分布规律,结果表明,随传感器与震源间距离增加,RA最大值增加,AF的分布范围基本不变。为验证基于RA与AF值描述岩体破裂情况的有效性,研究了RA/AF比值r在破裂过程中的变化规律以及r的变异系数的发展规律,并与常用的参数指标绝对能量、b值等参数进行对比验证。本文提出了3种变异系数（CV）计算方法,对比计算结果并探讨了各方法的适用条件。由计算结果可知,r值变异系数能够较好地描述岩体中的破裂发展过程,其中CV₁计算方法适用于声发射信号较离散的情况,而CV₃的计算方法更适用于存在连续声发射信号的围岩监测。      

大理岩声发射Kaiser效应法测量原岩应力试验研究

为研究声发射Kaiser效应法测量原岩应力,进行了现场套孔应力解除试验,得到了试件加载方向的实测应力值,对大理岩进行单轴压缩条件下的2次加载声发射试验并确定Kaiser点.试验结果表明:通过声发射Kaiser效应法测得的地应力与通过套孔应力解除法测得的原岩应力误差小于10 %,原岩应力位于20 %~26 %的峰值强度之间,即岩石压密阶段后期或弹性阶段初期.研究结果可为提高判读Kaiser点的精度和岩石工程实际提供依据.      

单轴加载条件下砂岩声发射特性分析

通过单轴加载条件下砂岩破裂过程的声发射试验,采集了砂岩变形各个阶段的声发射信号,得到了应力-时间-累计振铃计数、应力-时间-声发射事件率曲线.结合应力-应变曲线,对整个破坏过程中的声发射信号特征参数进行了分析,同时采用快速傅里叶变换,对其中按时间序列选取的110个声发射信号进行了频谱分析,得到了声发射信号对应的主频,对主频随应力的变化情况进行了分析.结果表明:在峰值强度50%之前,主频随压力随机变化,在峰值强度50%之后主频有降低的趋势,且主频主要集中在140~180 kHz之间.     

不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性

针对巴西圆盘荷载接触条件对巴西劈裂试验影响的问题，采用声发射监测系统开展线/非线荷载接触条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验。直径为50 mm，厚度为25 mm的标准巴西圆盘按照同一种传感器三维布设方式布置8个Nano30传感器。在相同的荷载速率下，声发射监测Richter8系统对线/非线荷载两种荷载条件下的巴西圆盘进行准静态加载的波形信号连续记录。通过P波自动到时及网格坍塌搜索算法进行定位，在线/非线荷载条件下分别有1131和931个声发射事件被成功定位。圆盘的起裂位置均在圆盘非中心位置，对于非中心起裂的试验值可能低估了巴西抗拉强度。裂纹下半球极点密度投影分析表明，非线荷载条件下破裂面的局部扭曲程度大于线荷载。试样三维损伤演化结果表明，圆盘所受荷载面积大小，显著影响圆盘损伤累计的时间、释放能量的大小和裂纹扩展的稳定性。对有效声发射定位事件进行矩张量分解获取了两种荷载条件下各向同性部分（ISO）、纯双力偶（DC）和补偿线性矢量偶极成分（CLVD）频率百分比，并采用微裂纹破裂类型分类方法来定量分析震源机制，结果表明巴西劈裂对荷载条件并不敏感，两者均可以解释为近似平行于荷载方向上的张拉裂纹的萌生、扩展及贯通。      

混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及机理

试验模拟干湿循环作用下混凝土受10%(质量分数)硫酸钠溶液侵蚀的腐蚀环境,测试和分析硫酸盐不同侵蚀时期混凝土单轴压缩试验时波速和声发射的变化特征.采用环境扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合X射线衍射测试手段分析受蚀混凝土的损伤机理.结果表明:受侵蚀60 d和80 d的试件加载初期会有较明显的压密阶段,试件受硫酸盐侵蚀和干湿循环作用愈久,加载中波速急剧下降的突变点愈提前;受蚀40 d以上的试件加载中声发射事件活跃区间较集中,在腐蚀产生的缺陷和薄弱位置容易出现应力集中和能量集中释放,声发射事件数量急剧上升的突变点提前.通过数学模型以声发射累积振铃计数为损伤变量建立损伤模型可以表征混凝土中环境腐蚀、荷载及损伤之间的作用关系.腐蚀阶段钙矾石与石膏的膨胀作用和硫酸钠的结晶压在试件内部形成微破损,受蚀混凝土表现出不同宏观性能.      

不同岩石脆性破坏声发射时频特性及信号识别

针对不同岩石脆性破裂声发射信号的非稳定性等特点,提出了声发射参数、Welch 谱、EMD 和BP 神经网络相结合的声发射信号特征提取及识别方法.通过对3 类脆性岩石进行单轴压缩声发射试验,获取了岩石破裂全过程的力学、声发射参数及波形;对各类岩石的声发射信号的时频特征进行了对比分析;综合声发射参数、峰值频率及EMD 能量熵等特征向量,运用BP 神经网络对岩石声发射及干扰源信号进行模式识别.结果表明,不同岩石在单轴加载下声发射参数随应力或时间的演化特征存在异同;EMD 与Welch 谱可很好体现出不同岩石声发射信号频谱与能量分布的特征差异;不同岩石声发射多种特征的神经网络具有良好的识别效果.      

基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价

疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言,非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测,并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究,利用直流电位法测量实验中的裂纹长度,得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测,通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价,同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系,并进行寿命预测.研究表明:声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估,声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段,这可以为工程人员提供失效预警;声发射波形和频谱分析表明,噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长,信号包含的频率成分比较复杂,而裂纹扩展信号是突发型信号,衰减较快,信号频率主要集中在80~170 kHz范围内;声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系,裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义.      

不同岩石单轴压缩破裂全过程声发射序列分形特征研究

通过对青砂岩和花岗岩两种岩性岩石的单轴压缩声发射试验,获取岩石破裂全过程的基本力学特征及声发射时域特征参数,观察两种岩石破裂时的破坏情况,着重对比了两种岩石的声发射事件率及能率时域特征,并探讨了声发射事件率及能率的分形特征。试验结果表明:声发射事件率及能率均可很好地描述岩石破裂损伤的整个过程,青砂岩事件率变化特征有明显的"上升期"和"下降期",花岗岩则无明显变化特征,两种岩石能率变化特征均存在两个"活跃期(Ⅰ,Ⅱ)"和一个"缓慢释放期";青砂岩事件率分形特征与花岗岩差异明显,相比较花岗岩而言,青砂岩分形维数D值存在多处转折点;能率分形特征,两种岩石较为相似,分形维数D值均表现为随着加载应力比的增大而波动增加,在试样破裂前又突降至最低值。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.      

基于声发射监测的矿柱破裂过程试验研究

在地下开采过程中,往往留有各种不同形式的矿柱。矿柱支撑采场顶板的同时还维护采场围岩的稳定性,因此矿柱的稳定性是影响矿山安全生产的重大因素。借助声发射定位技术手段,对不同尺寸的矿柱做了一系列试验,旨在探索矿柱试件在加载过程中变形、破坏规律,并对矿柱试件的变形、破裂作出初步的预测。     

Q345R疲劳裂纹扩展过程的声发射研究

为了建立疲劳过程与声发射参数之间的关系,对压力容器常用钢材的典型代表——Q345R的疲劳裂纹扩展过程的声发射信号进行详细研究.结果表明:Q345R疲劳裂纹扩展的声发射过程分为三个明显的阶段,累积计数值和累积能量值可以很好地表征整个疲劳裂纹扩展过程;声发射参数在第2阶段到第3阶段的转折点比线弹性断裂力学定义下的要提前,表明声发射技术对疲劳进入失稳扩展阶段更加敏感;建立了Q345R声发射计数率和能量率与疲劳裂纹扩展速率的关系,它可以为Q345R剩余寿命的预测提供依据.      

含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析

含硫胶结充填体随着养护龄期的延长会出现膨胀开裂现象，存在明显裂隙的充填体试件再进行单轴抗压强度测试其结果十分离散，已不能有效地获得充填体力学参数.在室内进行配比试验，采用数字图像处理技术对得到的充填体表面裂隙图像进行二值化、去噪等预处理，而后计算其分形维数并分析其演化规律，且将分形维数与单轴抗压强度关联分析.研究结果表明:充填体试件面表的裂隙存在自相似性，表面裂隙越发育，其分形维数越大；分形维数与单轴抗压强度存在负相关关系，分形维数越小，其单轴抗压强度越高；分形维数可判别含硫充填体试件的完整性，当充填体表面裂隙的分形维数小于某阈值时，强度试验的结果更为可靠.      

砂岩单轴压缩下声发射特征与损伤演化

为获取钨矿砂岩矿柱岩石破坏过程中声发射特性及损伤演化规律,对其进行单轴压缩条件下同步测试应力-应变曲线、声发射参数-时间变化曲线的室内声发射试验,通过分析声发射参数与应力变化关系,并试用声发射振铃计数、能量计数来表征岩石损伤。结果表明:该岩石的声发射分布可分为三个不同阶段;第Ⅰ阶段为相对平静期,振铃计数较小、幅值较小,能量释放值较低;第Ⅱ阶段为活跃期,声发射活动分布逐渐密集,但大多数信号值都处于低级别水平,岩石仍处于稳定阶段;第Ⅲ阶段为失稳前兆期,振铃计数、幅值均值和弹性能释放迅速增大,且分布更为密集,出现多个峰值,峰值处都对应着应力-应变曲线上的拐点,岩石失稳时各声发射参数都达到最大值。用声发射振铃计数或能量计数能较好的反应岩石内部的损伤演化过程。     

冲击式压入法的声发射信号表征涂层结合强度可行性研究

采用配有声发射检测装置的冲击式压入设备分别对基体、金属涂层、有底陶瓷涂层及无底陶瓷涂层进行试验,研究了不同类涂层的表面压痕形貌,分析了各类涂层在冲击过程中产生的声发射信号,并采用K-means聚类算法对所有声发射信号进行聚类。结果表明,金属涂层、有底陶瓷涂层及无底陶瓷涂层的结合强度存在较明显的差异,其在冲击过程中产生的声发射信号也有显著的区别,涂层的结合强度与冲击产生的声发射信号之间存在密切的内在联系,进而得出冲击式压入法可用于检测涂层的结合强度。