岩石材料破裂过程中声发射信号的应力状态及能量演化研究

岩石受载破裂过程中能量不断积累和释放,而岩石材料非均质性等细观组构特征对其破裂产生的声发射具有显著影响.通过岩石力学试验建立不同非均质、非均匀岩石强度和能量参数的评价方法,分析了不同非均质性岩石的声发射特征与应力状态和能量水平之间的关系.研究表明：岩石在不同应力阶段有不同强度的成分发生破裂,不同应力水平所产生的声发射信号由不同成分的破裂所致;岩石破裂损伤后,剩余能量与总能量、能量降有关,声发射监测到的弹性波能量是能量降的一部分,此能量降与应力状态及材料特性有关;将粉砂岩细分为均质且均匀、不均质而均匀、不均质且不均匀三类,不同非均质、非均匀程度的岩石在不同应力状态下破裂及能量释放情况不同,其中均质且均匀的岩石强度和蓄能水平最高.建立的基于声发射的应力状态和能量水平判别理论可应用于工程中微震监测数据分析,为识别矿山开采过程中区域煤岩体临界状态与超前预警提供了理论基础.     

基于岩石破裂时间与声发射能量的花岗岩岩爆协同预警试验研究（英文）

在深部岩土工程和地下工程中,岩爆等动力灾害频繁发生且难以预测。本文以花岗岩为试验对象开展真三轴岩爆室内试验研究。结合花岗岩变形特征,采用声发射(AE)技术可以很好地揭示岩爆过程中微裂纹的演化规律。对撞击计数、振铃计数和能量等声发射特征参数进行综合分析,获得了花岗岩裂纹扩展和损伤演化的阶段性特征,与岩石变形破坏过程具有较好的一致性。随后,基于临界点理论,分析了岩爆过程中声发射能量的加速释放现象。基于损伤理论,提出了不同加载条件下岩石的损伤演化模型,同时确定了岩石破裂时间的预测区间。最后,以损伤为中间变量,构建了岩石破裂时间协同预测模型,并对模型的可行性和有效性进行了验证。     

煤体剪切破坏过程电磁辐射与声发射研究

用剪切实验台和电磁辐射、声发射接收系统对煤体剪切破坏的电磁辐射、声发射特征进行了研究 .结果表明 ,煤体剪切破坏过程中电磁辐射和声发射有两种类型 :一种是在加载初期出现较高的强度 ,加载中间阶段有较为平静的区域 ,主破坏发生前又逐渐增强 ,破坏时出现较高的强度 ,破坏后逐渐减弱 ;另一种是随应力增大电磁辐射和声发射持续增强直至破坏 ,破坏后减小 .试验结果与预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等动力灾害的现场测试结果吻合 .     

煤卸荷过程中声发射特征及综合破坏前兆分析（研究生论坛稿件）

为探究煤破坏全过程的声发射（Acoustic Emission,简称AE）特征及破坏前兆信息,利用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2型声发射监测系统,对不同初始围压下煤样的卸荷破坏进行声发射试验,得到了煤在卸荷过程中AE特征的围压效应及基于声发射的多参数综合破坏前兆信息。结果表明：煤的承载能力随着初始围压的上升明显提高;煤在变形破坏过程中的AE时序参数、空间分布演化特征和振幅分布均与其所处力学状态契合良好,部分AE参数在煤样变形破坏过程中产生明显突变：AE空间分布演化的两次突变点对应的应力水平分别为55%和80%,能量率的突变点对应的应力水平为87%,振铃计数率的突变点大致对应其峰值应力,振幅和b值的峰值分别对应峰后89%和78%左右的应力水平;根据突变点对应变形破坏阶段的不同,将其综合分为四组,作为煤卸荷破坏的前兆信息,为采用AE监测技术预防开挖过程中的动力灾害事故提供参考。     

粉砂岩破裂过程中波速场演化特征试验研究

为探究载荷作用下波速场演化特征,进行了粉砂岩分级加载试验,以波速成像云图为研究对象,对岩石破裂过程中波速场的阶段性、区域性演化特征展开研究。结果表明:应用波速成像技术对岩石的探伤效果良好,其中,低波速带与裂纹位置相吻合,高波速带与完整基岩区域一致;岩石在破裂过程中,伴随着裂纹发育,波速场的平均波速值与结构相似性均持续降低,损伤程度的差异越来越大;基于K-means法将岩石区域划分为3类,即完整域Ⅰ、弱化域Ⅱ与损伤域Ⅲ;区域的演化特征体现了岩石的非均质性特性,并通过熵权法判定3类区域对岩石损伤程度的影响性排序为损伤域Ⅲ完整域Ⅰ弱化域Ⅱ。     

多孔弱胶结岩石破裂的围压影响机制及压密-损伤本构模型

通过开展粉砂岩单轴、三轴压缩试验,研究不同围压下岩石的力学性质及声发射活动规律,揭示了围压对多孔弱胶结岩石破裂的影响机制;根据声发射能量计数建立损伤变量,并提出了表征岩石损伤分布程度的损伤度;采用粉砂岩空隙体积应变建立岩石的空隙压密度,验证岩石空隙压密-损伤破裂本构模型并进行了参数分析.研究表明：1)施加围压阶段产生的体积压缩量最高,占据岩石最大体积压缩量的65%;泊松比随围压增大而减小,与致密硬岩恰好相反.2)围压限制了岩石的微裂纹扩展,粉砂岩单轴压缩时的声发射振铃计数率最大值为三轴压缩的十几倍;围压越大,声发射空间分形维数越小,微裂纹分布越集中.3)多孔弱胶结岩石的破坏是岩石内部短时间内产生大量小尺度剪切微破裂并迅速汇集—兼并形成大尺度宏观裂纹的过程;低围压可以有效地抑制小尺度微裂纹的扩展,而高围压对大尺度微裂纹的约束效果更明显.4)空隙压密-损伤破裂本构模型的理论参数物理意义清晰,能够准确反映围压对粉砂岩压密及破坏的影响机制,对于描述三轴压缩下多孔弱胶结岩石变形破坏规律具有较好的适用性.     

岩石超声特性与加载应力关系及在深部开采中面临的挑战（英文）

地应力测量是矿山进入深部采矿后需要开展的一项重要工作,高效的地应力测量方法对于确定围岩的稳定性具有重要意义。岩石的超声特性是其物理力学性质、宏细观结构及受力状态等因素的综合体现,以波速为关键参数的声学信息与围岩的应力状态、变形、细观结构、实验条件等因素具有显著的关联性。以众多专家学者研究成果为基础,从波速-应力-应变关联性,考虑岩性、孔隙结构等内在因素影响,以及围压、温度等外界因素影响,波速数学模型四方面介绍了岩石声学特性的研究现状,提出了应力作用下考虑温度因素影响的应力-温度耦合波速关系方程,最后结合深部开采发展需求提出了关于岩石声学-应力研究发展的建议方向。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程 声发射特性的离散元模拟

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2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。随着层面倾角的增大,岩石的单轴抗压强度和弹性模量呈先减小后增大,层面倾角90°时的强度甚至超过了0°时的强度。     

输配水过程中管网铁释放规律的研究及应用

建立一套管网水龄水质模拟装置,通过与实际管网水质的对比,发现装置模拟的管网出水水质指标均在理想范围之内,为模拟并检测各项水质参数提供了快速便捷的方法.利用此装置研究了浊度、水龄、溶解氧和电导率等因素对铁释放的影响,结合Z市管网水质调查和地理管网信息系统(GIS),对城市"黄水"爆发区域进行了预测.     

冻融焦煤力学行为特征及微观结构响应规律试验研究（英文）

为深入研究煤岩在冻融与载荷作用下的力学行为特征和细观结构响应规律,开展了冻融焦煤单轴压缩试验,试验全程采用声发射和DIC系统监测,采用扫描电镜及显微镜观测了不同冻融次数焦煤细观结构及断裂面形貌。结果表明,随着冻融次数增加,煤样质量持续增长,孔隙裂隙结构显著发育,单轴抗压强度及弹性模量逐渐降低。冻融次数增加,压缩煤样声发射活动逐渐增强,且压密阶段AE事件分布密度及强度显著增加;煤样压缩全程内部拉伸微裂纹占比较大(除冻融30次外);声发射b呈“V”型变化,揭示冻融焦煤裂纹扩展速度先增后减,加载过程中b值平稳降低特征逐渐显著,微裂纹尺度不断增大。冻融次数增加,压缩煤样耗散能占比逐渐增大,弹性能占比对应减少;冻融0～20次煤样多呈劈裂拉伸破坏,冻融30次后转为剪切破坏,煤样破坏时最大主应变由17.42%降至4.65%,断面形貌由粗糙逐渐趋于光滑。建立了冻融及单轴载荷作用下冻融焦煤单轴压缩损伤本构模型,所得理论曲线与试验结果吻合度较高。研究发现,自由水冻结造成孔隙裂隙空间扩展延伸、不断强化的水岩作用以及矿物颗粒间的相互作用是造成焦煤冻融损伤的主因。     

基于不同拉伸试验的盐岩拉伸破坏及声发射特征研究（英文）

盐岩的抗拉强度是盐穴储气工程中的一个重要参数,由于直接拉伸试验对试验装置和岩石试件的要求较高,导致其测试难度较大,需要探索一种试验简单、测试准确的方法来获得抗拉强度。为此,本文针对盐岩开展了直接拉伸试验、简化ISRM标准巴西试验、中国标准巴西试验和三点弯曲试验,分析了基于不同试验获得的盐岩抗拉强度及拉伸破坏过程中的声发射(AE)特性。结果表明拉伸试验方法对盐岩抗拉强度以及声发射计数、能量和空间分布特征具有显著影响。对比基于不同试验方法得到的抗拉强度及盐岩拉伸破坏特征发现,三点弯曲试验测定的间接抗拉强度与直接抗拉试验测定的抗拉强度更为接近,因此三点弯曲试验可作为除直接抗拉试验外测定盐岩抗拉强度的较好选择。     

不同法向应力条件下页岩的各向异性剪切破断行为研究（英文）

为深入研究典型页岩在高法向压力条件下的各向异性剪切断裂力学特性和断面形貌特征,对龙马溪页岩开展了3种典型层理方向(arrester, divider和short-transverse)和5种不同法向应力条件下的双边槽直接剪切试验,并使用激光扫描仪对剪切断面进行扫描与重构。结果表明,Ⅱ型断裂韧度(K_Ⅱc)在divider方向最大,arrester方向次之,short-transverse方向最小,表现出强烈的三维各向异性。相比之下,临界Ⅱ型能量释放率(G_Ⅱc)在arrester和divider方向较为接近,未表现出明显的三维各向异性。值得注意的是,在剪切阶段峰前输入的能量与G_Ⅱc具有相同的各向异性特征。研究结果还表明,高法向压力提高了Ⅱ型断裂强度参数,但各向异性程度并没有被削弱。此外,受层理弱面影响,页岩在Ⅱ型断裂过程中仍会产生拉伸裂纹,最终形成粗糙的剪切断裂面,且页岩剪切断面分形维数、粗糙系数和粗糙面起伏度均表现出显著三维各向异性特征。     

基于收敛约束法和岩石整体破坏准则的非圆形隧洞初始支护距离（英文）

在地下隧洞开挖过程中,为了充分发挥围岩的自承能力,掌子面附近初期支护距离的选择至关重要。在这项研究中,提出了一种直观、快速的隧洞初期支护距离的确定方法。首先,基于收敛约束法,将非圆形带衬砌隧洞的解析解与可视化Tecplot软件相结合,构建三维空间力学模型。然后,根据岩石整体破坏准则,计算硬质围岩隧洞的破坏倾向系数,并输出其空间分布图。在此基础上,定义隧洞的关键破坏位置,并建立隧洞关键破坏位置的破坏趋势系数与其距工作面的距离之间的关系。最后,将与临界失效趋势系数对应的工作面距离作为最佳支护距离。以实际工程为例,应用该方法成功地确定了合理的初始支护距离。此外,还发现硬质围岩隧洞的稳定性在距工作面1.0D(D为隧洞断面最大距离)范围内迅速下降,在1.0D范围外趋于稳定。     

全磷废料在矿山充填过程中有害气体的释放特性（英文）

针对全磷废料充填过程中产生有害气体的实际问题,通过监测骨料磷石膏(PG)、胶凝剂黄磷渣(YPS)和充填过程中的气体产生情况,探究了气体产生的来源、释放特性以及抑制方法。结果表明,气体主要是在酸性环境下在胶凝剂中产生的,气体产生的先后顺序为PCl₃、PH₃、NO、H₂S、NH₃和CO。降低充填浆料的pH值将增加气体产量,未添加酸的浆料原始气体产量仅为外加酸性环境下极限气体产量的6.3%。通过对产气情况的分析,提出了在料浆中直接添加碱性CaO以控制气体产生的方法。添加胶凝剂质量12%的CaO时,气体产率降低了99%。当充填料浆的pH达到10以上时,可有效控制气体产生。本研究结果对保障采矿工人的健康和减少环境污染具有一定意义。     

基于不同预裂长度防控顶板型冲击地压风险：机理与效果研究（英文）

顶板预裂是控制潜在顶板型冲击风险的有效方法。本文采用不同预裂长度的细砂岩试样开展了三点弯曲加载试验,利用数字散斑方法(DSCM)和声发射技术(AE)对裂纹扩展全过程进行了监测,分析了预制裂隙对岩梁断裂的影响规律,揭示了岩梁断裂过程的力学机理,提出了顶板预裂设计方法,在济宁二号煤矿10303工作面进行了工程实践。研究结果表明：预裂岩梁的加载曲线表现出明显峰后特征;与完整岩梁相比,35 mm预裂岩梁的抗拉强度和最大拉应变分别降低了32.4%和33.1%,声发射b值增大了30.2%;10303工作面预裂施工后的最大微震能量和平均微震能量分别降低了25.6%和6.4%,厚层坚硬顶板预裂效果良好。     

不同渗透压作用下砂岩卸围压破坏过程中裂纹扩展行为研究（英文）

地下工程开挖卸荷会导致岩体的水-力耦合作用增强,加速岩体内部裂隙的萌生和扩展,威胁工程安全。开展不同渗透压力作用下砂岩的常规三轴加荷和卸围压试验,明确砂岩裂纹应变扩展速率与应力路径和渗透压之间的内在联系。研究结果表明,围压增大,砂岩的特征应力增大,损伤应力和峰值应力对应的裂纹应变扩展速率减小,表明围压能够抑制裂纹应变的扩展。相反,随渗透压增加,砂岩的特征应力减小,而损伤应力和峰值应力对应的裂纹应变扩展速率会增大。表明渗透压会促进裂纹应变的扩展。围压相同,在渗透压和卸围压的共同作用下,砂岩峰值应力对应的裂纹应变扩展速率和脆性指数最大,其次是卸围压路径,加荷路径最小。通过量化围压和孔隙水压力对砂岩力学参数的影响权重,发现围压与峰值强度、轴向应变、环向应变、裂纹轴向应变和裂纹环向应变之间呈极显著相关。而孔隙水压力与裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率也呈极显著相关。