利用岩石Kaiser效应对地应力的测试实验

介绍了利用岩石声发射Kaiser效应测试地应力的原理、方法以及测试技术,根据弹性力学理论推导出岩体测点处地应力方程.按6个特殊方向对所取岩样进行制取,并对岩样进行声发射测试,由此结果计算出单向正应力值和3个主应力的大小及方向.其实验研究结果可为工程提供借鉴和参考.     

基于声波信号预测Kaiser应力点的水平地应力

声发射实验测试地应力方法需从地层原位取得的全尺寸岩样上钻取4个小尺寸岩芯,分别进行加载实验下的声发射测定.该方法将造成地层岩样损失,地应力评价成本较高.为此,根据岩石声学性质与力学特性具有较好的相关性特征,基于大量岩石试件的声波时差实验数据和加载条件下的声发射实验数据,构建声波时差与岩样Kaiser应力点的关系模型,并...     

具有弱冲击倾向性的须六段砂岩声发射特征

为了认识具有弱冲击倾向性砂岩的声发射特性,利用MTS815岩石力学测试系统、AE测试分析系统对永川煤矿须六段砂岩进行了测试。结果表明:砂岩受载过程的不同阶段产生的AE信号有较大区别;AE事件空间分布的变化反映了岩石受损伤后的破裂失稳过程;须六段砂岩存在Kaiser效应和Felicity效应。研究结论为应用AE监测技术预测、预报矿井岩石动力灾害提供了科学依据。     

岩石单轴压缩Kaiser效应的试验研究

岩石材料在压缩过程中能量释放将产生大量的声发射现象。本文基于Kaiser效应理论及Kaiser点的确定方法,运用单轴压缩试验研究分析了岩石试件的Kaiser效应,结果表明：当岩石压应力达到或超过先期加载应力水平时,将首次出现大量的声发射事件,此处应力水平点即为Kaiser点,采用声发射确定的Kaiser效应点应力值比真实值大8%-8.7%。这表明,Kaiser效应法是一种简单、直观、经济的地应力测定方法。     

砂岩破裂失稳声发射临界特征与Kaiser点识别研究

为了研究砂岩内部微裂纹的损伤扩展特征,对取自鄂尔多斯盆地的19块细砂岩试样开展了单轴压缩声发射试验,获得了岩石脆性破裂失稳临界应力特征,并与重整化群条件下理论临界特征进行对比,开展了基于关联维数的Kaiser点综合识别法研究.结果表明:试样破裂失稳声发射临界特征比较明显,撞击率和能率均呈激增现象;临界应力强度比平均0. 767,与理论分析结果存在6. 5%的误差,与电阻率、红外辐射、波速、电磁辐射等多物理参量临界值基本一致;利用G-P算法计算撞击率时间序列的分形维数,呈上升—下降—上升趋势,且存在较大范围的分维下降区间;针对利用声发射特征参数不太容易确定Kaiser点的情况,结合降维区间分维突降点和撞击率激增点分布特征,提出了综合识别Kaiser点的方法;试样Kaiser点应力强度比平均0. 331,主要集中在0. 20～0. 50之间,研究成果可为岩石稳定性监测、失稳前兆预警和Kaiser效应测量地应力提供一定参考.     

不同应力路径对岩石声发射Kaiser效应的影响

为了解在循环加载过程中使用不同应力路径岩石声发射Kaiser效应的特征,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)对三种不同应力路径下岩石试样的声发射特征进行了数值计算.在循环加载中采用不同的应力路径对试样加载,在二次加载过程中仍能观测到清晰的Kaiser效应,但是KF值却与先前的最大应力值有较大差别.研究结果表明,岩石Kaiser记忆的真实内容不是先前所受的最大应力,而是岩石内部的损伤程度.使用从原岩中取样,在实验室做单轴压缩声发射实验观测KF值的方法测得的应力值与真实的原岩应力有较大的差别.这一结论对于进一步认识Kaiser效应的本质和用Kaiser效应准确的测定原岩应力有重要的作用.     

花岗岩Kaiser效应的实验验证与分析

应用八通道的声发射系统,实验研究了10个花岗岩试样(150 mm×150 mm×150 mm)在单轴压缩循环荷载作用下的Kaiser效应,同时研究了保载、旋转(90°)加载和延时加载对Kaiser效应的影响.应用单纯形算法对声发射事件进行定位,研究裂纹扩展过程.结果表明:在初次加载条件下,声发射事件连续急剧产生,反映岩样本身的损伤程度;在岩样线弹性循环加载阶段,花岗岩表现出明显的Kaiser现象,同时表明岩石具有一定的受载记忆能力;声发射事件定位结果明显显示出裂纹的初始、扩展过程,与实际观察到的岩样破坏结果是一致的.同时发现保载、旋转(90°)加载和延时加载对Kaiser效应没有影响.但是,一...     

贺兰山岩画典型病害损伤的声发射演化特征研究

裂(隙)纹是宁夏贺兰山岩画表面完整性严重破坏的典型病害问题.本研究基于声发射原理,利用单轴压缩试验模拟岩画载体材料岩石所受荷载,分析岩画载体材料强度破坏模式,获取声发射信号特征,探究AE时空演变规律,建立基于声发射累计振铃计数的损伤演化模型.研究结果表明：岩石破坏呈现“圆锥形”,其损伤发展主要经历原生裂纹闭合、次生裂纹发育以及裂纹贯穿破坏3个演化历程;损伤演化模型的力学和物理意义明确.声发射特征与变形特征紧密相关,能够表征岩石内部损伤过程,可以用来判断岩样岩石内部(微)裂纹状态,为石质文物载体材料裂纹扩展至破裂失稳这一热点和难点问题提供解决思路.     

岩石损伤破裂过程与声发射特性耦合规律实验研究

采用MTS岩石力学试验系统和PAC公司SAMOS声发射监测系统,开展了灰岩、大理岩试样单轴受压破坏过程声发射特性试验,研究了岩石受力、变形过程中,声发射事件时间序列、空间分布、能量和b值等声发射参数特征,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律.研究表明,岩石试件宏观破坏前,岩石中的裂纹处于非稳定扩展阶段,声发射事件急剧增加,达到弹性变形阶段的5～8倍,并逐渐向破裂面集中,弹性能加速释放,声发射累积能量急剧增加,为弹性变形阶段的103倍;声发射事件的振幅明显增加,可达弹性变形阶段的10倍;声发射波形峰值前的延续时间相对较短,频谱分散,出现多峰现象;通过对岩样的声发射源定位,有效采集到微损伤“积聚区”,该区域的微损伤密度明显大于试样其它区域;随着岩样中微裂纹的局部扩展、贯通直至岩样破坏,b值和M值发生显著变化,岩样破坏前b值急剧减小,声发射事件震级明显增大.     

砂岩单轴循环加卸载过程中声发射信号特征与时空演化规律

为深入研究循环荷载作用下岩石内部微裂纹萌生、发展及贯通的时空演化规律,以砂岩为研究对象,开展了砂岩在单轴循环加卸载下的声发射试验。结果表明:借助不同方向的波速测试,可获得声波在岩石中的传播速度,为声发射定位提供合理的波速参数;通过合理布置传感器的位置,可准确定位破裂面的空间位置;加卸载过程中声发射事件数和能量呈现台阶状上升,表明声发射具有记忆效应;通过声发射事件空间定位与破坏岩样的对比,验证了两者的位置基本一致,表明声发射可有效获得岩石内部微裂纹发展的全过程。     

不同岩石声发射定位算法及其实验研究

应用声发射定位技术实验研究了不同加载方式下不同岩石(花岗岩、砂岩)破裂过程中内部裂纹扩展的三维空间演化过程;对Geiger定位算法和单纯形定位算法的定位原理进行了分析,并对两种定位算法的定位精度进行了探讨.研究表明:声发射定位事件直观反映了裂纹萌生、扩展的动态演化过程,声发射事件的定位结果与岩石试样的实际破坏模式非常吻合;单纯形算法的定位精度要高于Geiger算法,但定位的声发射事件数少于Geiger算法.在基于声发射定位技术对岩石失稳破裂过程进行研究时,可根据具体情况选用定位方法,也可通过两种或多种定位算法的对比分析来获得更精确的定位结果.     

金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究

针对金属矿山特有的地理地质条件,开展相应岩石声发射试验,确定矿区矿体围岩的时间序列特征,获得岩石破裂冒落声发射参数的危险临界值,并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有结构弱面的岩石试件进行比较试验,总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究,通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤,通过不同的模拟条件来研究岩石的破坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径.     

单轴加载岩石损伤及声发射特性非均质效应的数值试验

为研究岩石非均质性对其力学特性的影响,运用岩石真实破裂过程分析软件RFPA2D,并采用岩石单轴常位移加载方式,分析不同均质度条件下岩石损伤演化模式和声发射特性.研究结果表明:均质度对岩石力学特性影响显著,随着岩石均质度的增高,岩石单轴加载损伤演化模式由延性向脆性过渡,宏观破裂弥散性降低,岩石峰值强度不断增大,当均质度大于30时,岩石峰值强度基本趋于稳定;岩石均质度较低时,单轴加载条件下岩石声发射体现出强度低、事件频率高的声发射特性,均质度增高时,岩石声发射强度也进一步提高,并且突变性增强.     

岩石非均匀性和围压对Kaiser效应的影响

为了解采用Kaiser效应测原岩应力过程中的影响因素,应用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)对岩样进行数值模拟分析。结果表明:利用Kaiser效应测得的原岩应力值比真实值要小;岩石先前所受围压越大,岩石的均匀性越差,利用该方法测得的Felicity比值越小,Kaiser效应点应力值与真实值相差越大;对于均匀性极差的试样,Felicity比值曲线在首次加载施加围压后出现明显的拐点;随着岩石均质度的提高,先前所受围压对于Kaiser效应的影响逐渐降低。Kaiser效应的本质是对岩石内部损伤的记忆而不是对先前所受最大应力的记忆,要想得到准确的原岩应力,必须根据岩石的损伤本构关系对单轴加载得到的Kaiser效应点应力值进行修正。     

鄂尔多斯盆地南泥湾地区古构造应力场模拟与裂缝储层有利区分析

依据钻孔岩心裂缝特征统计成果,在对鄂尔多斯盆地南泥湾地区长4+5油层组声发射地应力测量、岩石力学参数和单轴抗拉强度测试的基础上,采用有限元法对裂缝形成期的古构造应力场进行模拟.结果表明,研究区内长4+5区域性剪破裂裂缝发育区和次发育区主要位于研究区西部和东部等区域,主要发育方向为NEE-近EW向与NWW向,局部地区方向...     

混合花岗岩加载细观力学特性及破裂演化规律

根据室内试验获得的岩石宏观物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,标定模型材料细观力学参数,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴压缩试验进行模拟.通过对试验与模拟应力-应变曲线、AE声发射与PFC程序中“Crack”裂纹监测成果等的综合比较研究,获得荷载作用下杏山铁矿-45 m水平混合花岗岩细观力学特性、微破裂行为以及岩石微裂隙发展与宏观破裂演化规律.通过对混合花岗岩单轴和不同围压下三轴压缩PFC模拟曲线与室内试验结果的比较可知,PFC模拟能准确地表征荷载下岩石颗粒的细观力学特性和运动学行为.     

深部灰岩劈裂破坏的声发射损伤表征

开展深部岩石的损伤破裂信息识别研究对岩体稳定性监测预警具有重要的指导意义。通过开展深部灰岩巴西劈裂声发射试验,分析了试验采集到的声发射实测全波形演化特征,在信号频域内提取了波形的主频,在时域内计算了特征参数的RA-AF值。研究结果表明:通过声发射实测全波形,可将岩石损伤过程细分为微损伤萌生阶段,裂纹扩展阶段和结构破坏阶段;低幅值波形多为连续型信号,高幅值波形则多为突发型信号;声发射频谱结构与损伤量及损伤程度密切相关,主频具有聚类分布特征,能够对应岩石微观及宏观破坏;基于声发射主频划分的RA-AF分界线,促进了声发射信号表征岩石破裂模式由定性分析向定量分析的转变。     

基于声发射检测的岩石材料非均质性评价与分类研究

对于深部岩石力学和地下工程而言，准确表征与评价岩石的非均质性，对于研究岩石在深部复杂环境下物理力学性质的变异性至关重要。由于岩石成分的复杂性和矿物分布的随机性，采用传统的图像观察方法难以准确的表述岩石的非均质性，因此，亟需寻找一种科学、实用的试验方法对岩石的非均质性进行表征评价。本文假设同种岩石具有相同的矿物几何特征及边界特征（即岩石的微观基质相同），岩石在破坏过程中强相矿物破坏的声发射信号相比于弱相矿物破坏的声发射信号较多。岩石巴西劈裂过程中轴线上的破裂可以近似的认为岩石内部强弱相矿物的依次破裂，通过统计不同应力阶段岩石的声发射信号特征可以间接的分析岩石内部强弱相矿物的差异性。基于此，通过定义岩石强弱相矿物占比及矿物空间分布的均匀性表征出了岩石的非均质性。之后选取不同特征变辉长岩和花岗岩验证了分析方法的科学性和实用性。最后，本文在岩石非均质性评价的基础上探究了岩石宏观力学参数与岩石非均质特征的相关性。单轴和三轴试验表明，岩石的峰值强度和弹性模量不仅仅与岩石强弱相矿物占比有关，也与岩石矿物空间分布的均匀性相关。     

三维分层地应力模型与井眼岩石破裂准则

对油田开发分层地应力进行弹性力学分析 ,建立了分层地应力三维弹性力学计算模型 .分析模型综合考虑了垂向地应力与岩石特性对破裂压力的影响 ,给出考虑垂直应力影响的最小地应力计算公式 ,结果可用于油田开发设计 .另外 ,分别考虑地层垂向压力和岩石变形特性的影响 ,采用控制最小周向应变参数得到了井眼岩石破裂的准则 .     

循环载荷作用下岩石声发射时空演化规律

利用先进的声发射测试分析系统对细粒砂岩进行了声发射定位试验。通过对循环载荷作用下细粒砂岩声发射定位试验研究,分析循环载荷作用下岩石变形破坏全过程的声发射时空演化特征及其损伤演化规律。试验结果表明:静态加载阶段的声发射信息很好地反映了岩石在压密阶段、弹塑性变形阶段的损伤演化规律;循环阶段初期声发射都由小裂纹产生的小事件组成,持续时间及能量值都比较小,空间定位结果显示了事件大都在静态加载阶段形成的成核区产生,且空间事件点变化不快;循环中期声发射能量在时间上变化不大,偶有起伏,空间上事件点变化缓慢,每循环只有少量增加,在时空上都处于一个稳定发展阶段;循环末期每循环的声发射事件数、能量值都急剧增加,特别是破坏阶段达到最大值,事件点由能量高、持续时间长的大事件组成,空间演化迅速,事件点在成核区不断聚集并快速连接,不断向顶部扩散,最后容汇贯通形成宏观破裂面;峰后由于破裂面相互滑动摩擦带动附近的弱结构单元形成新损伤,继续产生声发射,且在完全停止加载后因岩石内部寻求新应力场平衡仍有少量声发射。