煤岩三轴压缩损伤破坏声发射特征

在对MTS815岩石伺服试验系统通讯传输接口进行改造的基础上,实现了将检波器置于三轴室内的三轴压缩声发射试验,克服了检波器置于三轴室外壁无法监测到全面可靠声发射信号的弊端.煤岩三轴压缩声发射试验结果表明,与单轴压缩相比,围压增强了煤岩的整体性及刚度,使压密阶段声发射活动明显减弱.声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍滞后于煤岩宏观破坏时刻,说明围压不但提高了其峰值强度,而且由于围压使煤岩内部裂隙的错动滑移受到抑制,提高了其峰后承载能力.振幅反映声发射的强度,三轴压缩条件下,轴向加载初期声发射振幅较小,宏观破裂前后出现大量高振幅声发射事件,残余塑性阶段仍然有较多振幅较大的声发射事件产生.声发射撞击计数率表征裂纹扩展的次数及速率,三轴压缩声发射撞击计数试验结果表明,弹塑性阶段是煤岩裂隙萌生扩展的主要阶段.岩石三轴压缩破坏声发射特征对于深刻理解矿山井下岩体破坏机理及采用微震监测技术预防相关动力灾害事故具有重要的理论及实际指导意义.     

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

含瓦斯煤体破坏过程中AE序列关联维数演化分析

利用分形理论对无瓦斯和含瓦斯煤体失稳破坏中的声发射序列关联维数演化特征进行了分析。结果表明,单轴载荷条件下煤体的声发射时间序列在各变形阶段具有明显的分形特征,各变形阶段的声发射过程具有不同的自相似性,其关联维数可描述煤样力学状态;三轴加载过程中,无瓦斯和含瓦斯煤样的声发射时间序列随应力水平的变化趋势和声发射关联维数变化趋势相似;弹性阶段后,煤样的声发射时间序列关联维数的突降,可以作为破坏的“前兆”,这一特征不随围压变化、瓦斯压力的存在与否而发生变化。     

英安岩破坏过程声发射特征研究

为研究英安岩的岩石力学特性及破裂损伤全过程中的声发射特征,通过MTS815伺服试验与PAC型声发射系统结合,对英安岩进行单轴压缩和常规三轴压缩声发射试验。试验表明：（1）英安岩单轴压缩和低围压下稳定破裂发展阶段具有“折线型”特点,临近破坏前,荷载值稍有停顿,然后继续上升,随即迅速大幅度下降,应力-时间曲线此刻的折线点（主破裂）对应监测的AE事件突出;高围压下曲线光滑,AE事件在累进性破坏阶段监测较集中。（2）随围压增大,英安岩物理力学参数也增大,监测的声发射AE事件也相应滞后出现,由张性破坏（竖向破裂）转变为剪切破坏。（3）英安岩有残余强度的在峰值后声发射活动持续,AE事件变化幅度小。无残余强度的声发射活动主要在峰值强度前,峰后无或微弱。（4）AE事件-时间、AE累计事件-时间曲线,以及岩石的应力-时间曲线三者结合,更好的反应出英安岩破坏全过程特点。     

煤岩单轴压缩声发射试验分形特征分析

针对有效预测煤岩破裂引起的动力灾害的难题,运用分形理论建立了声发射参数分形维数计算模型,对冲击倾向性煤岩单轴压缩声发射试验信号分形特征进行了研究. 结果表明:随试件的加载进程,声发射能量计盒维数逐步上升,破坏前上升到最高;关联维数降低,试件破坏前下降到最低;Gauss Amp方程能较好地描述煤岩在单轴压缩荷载作用下声发射能量关联维数随荷载的变化规律;可将声发射能量关联维数的持续降低作为煤岩失稳破坏的前兆.      

不同围压下煤岩声发射特征试验

利用MTS815岩石力学试验系统对煤岩试样进行常规单轴和三轴围压下的声发射(AE)试验.对声发射信号特征进行综合分析,结果表明:常规单轴压缩和围压作用下试样的AE参数变化均具有明显的趋势性;围压的作用下,弹性阶段的声发射信号显著减少,破坏前无明显AE相对平静期现象,随时间分布的AE振幅及其包络线可以间接反映应力的变化趋势.随着振幅的增加,声发射事件数呈递减的趋势,反映累积幅度分布的m值随着围压的增加而增大.AE频率均分布在3个频域范围内,试样破坏时AE主频成分所占比例显著增加.     

单轴压缩作用下CFST柱的声发射特征

通过对不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土(CFST)柱进行单轴压缩声发射试验,对比分析了各试件破坏全过程的声发射信号特征.试验结果表明:试件的整个破坏过程可分为弹性段、弹塑性段、强化段和失效段四个阶段,声发射特征参数变化与试件破坏过程表现出较好的对应关系.声发射累积能量和累积撞击数均随荷载的增加而稳步增加;b值经历了缓慢上升、平稳波动、迅速下降的变化,反映了试件内部裂纹的逐步扩展情况;通过对声发射RA值、AF值分析可知,钢管混凝土柱的破坏过程既产生拉伸型裂纹又产生剪切型裂纹,随着荷载的增大,破坏中剪切型裂纹所占比例逐渐增多.研究表明声发射技术可以有效监测轴压下钢管混凝土柱的损伤状态.     

炭质泥页岩剪切破坏声发射特性及其分形特征

为了探究炭质泥页岩损伤细观机制和破坏前兆特征,通过剪切破坏声发射试验,结合分形理论,采用G-P(Grassberger-Procaccia)算法对振铃计数、能量、振幅进行相空间重构和关联维数计算,分析关联维数在炭质泥页岩破坏全过程的演化规律。结果表明：声发射活动在岩石不同变形阶段活跃程度不同,且在破坏前存在平静期;振铃计数、能量、振幅都具有分形特征,三者的关联维数在破坏全过程呈现出“升维—动态波动—降维”的演化规律;关联维数的降维现象出现在岩样破坏前,可作为炭质泥页岩失稳破坏的前兆特征;综合对比发现,与振幅和振铃计数相比,能量关联维数的降维现象更显著,持续时间更长,更适合作为炭质泥页岩失稳破坏的前兆特征。     

基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验

基于声发射定位技术和矩张量分析方法,对在单轴加载条件下岩石破裂过程中的裂纹破裂机制及时空分布特征进行试验研究.借助CAD软件展示不同破裂机制的声发射事件,直观反映裂纹破裂类型.研究结果表明:单轴压缩加载试验中,花岗岩试样破裂以剪破坏为主,但岩石微裂纹的破裂类型所占比例并不固定,岩石内部微裂纹破裂类型与岩石材料的力学环境有关;花岗岩作为一种脆性岩石,破裂不符合格里菲斯强度准则认为的脆性材料都是拉伸破坏的基本观点,证明格里菲斯强度准则对于均质度不高的脆性岩石的适用性有一定的局限;花岗岩单轴压缩试验中,试样的破坏类型与其应力水平没有关系,3种类型的声发射事件随应力增大的变化趋势相似.     

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.     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

Moment tensor analysis of the acoustic emission source in the rock damage process

To further investigate the mechanism of acoustic emission (AE) in the rock fracture experiment, moment tensor analysis was carried out. The AE sources characterized by crack sizes, orientations and fracture modes, are represented by a time-dependent moment tensor. Since the waveforms recorded by AE monitors correlate to the moment tensors, we prefer to select the P wave amplitude from the full-space Green's function of homogeneous and isotropic materials to determine the six independent components of the moment tensor. The moment tensor analysis was used to investigate the AE sources recorded in the experiment, and three types of micro-cracks were found, which are tensile mode, shear mode and mixture of the tensile and shear mode. In addition, the motion of micro-cracks was decided by eigenvectors of moment tensor. Results indicate that the moment tensor analysis may be used as a measurement to reflect the damage evolution of rock specimen.     

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.     

三维隐伏溶洞对临近隧道围岩破坏特征的影响：真三轴试验与数值模拟研究

地质体中的溶洞经常导致地下工程围岩呈现不稳定状态甚至出现剧烈破坏现象。针对贵州紫金部分矿井巷道围岩存在溶洞这一典型工况,利用简化的类岩石试样开展真三轴压缩试验,结合声发射和内窥摄像头监测围岩的变形和次生破坏行为。研究表明：1) 溶洞将导致试样Z轴峰值荷载降低约25 %,次生破坏的出现时间更早,且主导性破坏更加集中地出现在峰值应力时段。2) 位于隧道右上侧的溶洞导致隧道右侧围岩呈现一种新的板状破坏,即破坏由隧道-溶洞的中间岩柱起始、沿隧道右侧壁表层围岩纵向发展、并最终形成岩块向内移动,该类型破坏的起始位置和岩块厚度与典型板裂破坏明显不同。3) 压缩型应力和剪切破坏在隧道围岩的板裂破坏过程中占据主导地位,且由于三维溶洞位于隧道右上方,其对隧道下方和左侧围岩的影响相对较小。4) 球形溶洞导致其与隧道之间的岩体内出现更为密集的次生拉伸和剪切裂纹,即该区域内岩体破坏程度明显高于其他位置。     

节理岩体中隧洞围岩的损伤破坏机理

结合细观节理形态的变化,在二轴围压条件下,数值模拟了节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程,研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理,分析了岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律.结果表明:裂隙的产生和发展延伸主要是拉应力的作用,裂隙延伸方向大致与节理面垂直;节理倾角较小时,岩体中破裂以垂直于节理面的拉裂隙为主;节理倾角较大时,岩体裂隙以沿节理面的滑动裂隙为主;不同倾角的节理面对岩体破坏的脆性也有较大影响;岩体破坏前有大量微裂隙产生,同时伴随着声发射能量的释放,利用微震监测技术抓住这些微破裂前兆信息,能够较好地进行隧洞塌方、冒顶、岩爆等灾害预测,提前做好支护等应对措施,以保障人员、设备安全.