岩体声发射混沌动力学

采用混沌动力学研究了岩体声发射活动规律,并提出了岩体声发射时间序列确定性检验方法;计算了在岩体变形与破坏过程中不同阶段声发射混沌吸引子,分析了各阶段混沌吸引子变化规律;将混沌与神经网络相结合,建立了岩体声发射预测模型.此外,对工程岩体声发射进行监测,对测量数据进行了自适应滤波去噪处理.研究结果表明:工程岩体声发射活动存在4个不同的阶段:声发射稳定期,声发射活动初期,声发射活动加剧期和活动反转期.岩体破坏出现在声发射活动反转期,在此阶段声发射出现反常,混沌吸引子D减小;混沌动力学能反映岩体的声发射活动特征,所建立的模型能预测和分析工程岩体稳定性.     

岩体声发射检测技术在采场顶板安全分级中的应用

岩体在破坏过程中，必然产生声发射现象。岩体声发射的频度、强弱及高能事件与岩体的破坏过程密切相关。根据岩体声发射的特点及其相关参数将岩体声发射检测技术应用于采场顶板安全等级划分，为采矿安全管理提供技术指导。矿山实际应用情况表明该方法是可行的。     

采动煤岩体劣化过程中声发射损伤效应数值模拟

为了研究采动下煤岩体劣化过程的声发射特征并分析其演化规律,运用真实破裂过程分析RFPA2D系统,进行了载荷下煤岩试样的声发射数值模拟试验,分析了加载过程中煤岩体的初始裂纹出现及其扩展过程。模拟计算结果表明:随着加载的进行,煤岩体中的声发射事件逐渐增多,破裂带逐渐显现,直至煤岩体主破坏产生时形成了非常明显的破裂带,此时煤岩体中声发射频度突增,而对应的载荷出现突降;主破坏发生后,由于残余应力的作用,声发射处于较低水平,声发射总频次曲线也基本上没有增长,几乎与载荷曲线保持在水平状态。上述结果对利用煤岩体声发射特征进行煤岩的破坏过程实时动态监测提供了可能性,从而为煤与瓦斯突出动力灾害预测预报问题的深入研究奠定了理论基础。     

各向异性岩体破坏过程声发射测量及其定位实验研究

应用改进后的声发射设备,实验测量了花岗岩试样在单轴压缩加载条件下变形破坏过程中声发射现象;讨论分析了该试样损伤破坏过程中的诱发微裂纹相互作用、积累等.同时采用对速度结构依赖较少的相对定位方法,对非均质岩石试验中的声发射事件进行了定位研究.结果表明,相对定位方法可用于复杂试样和工程岩体的声发射事件定位,其可靠性及精度比以往有所提高,能够初步定量分析岩石在外载荷作用下的破坏过程的定位问题,对于工程岩体破坏问题分析具有很好的借鉴意义.     

载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性

通过在不同应力水平下对岩石试样的加载-卸荷实验,对岩石试件在不同应力状态下受到"加载-卸荷"扰动时的声发射特征进行了试验研究.结果表明:在较低的应力水平下,岩体在受到加载作用时,会产生少量离散的声发射,而在卸载过程中几乎不产生声发射;而在较高的应力水平下,在受到加载扰动作用时,声发射活动相对活跃,而且在卸载时也有明显声发射信号出现.因此,在不同应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材料不同的本构特征,在进行地下工程原位岩体的稳定性检测与评价时,必须考虑这种特性.     

声发射等多种技术在采空区稳定性监测中的应用

介绍了岩体声发射技术及应力、位移观测在云南某铜矿采空区稳定性监测中的应用情况,分析了监测过程中岩体声发射信号的变化特性以及采空区稳定性变化对区域内巷道和采场的影响,对矿山采空区监测预报作了初步的探讨.     

诱导冒落的声发射特性研究

采用RFPA软件,模拟不同应力场、不同节理分布的岩体冒落过程中声发射特征.研究表明:水平节理顶板声发射集中分布于采场上拱角处;竖向节理顶板声发射沿着竖向损伤破坏面和剪切破坏面分布;共轭节理顶板声发射沿着空区与水平面呈45°+φ/2方向,位于节理端部;高应力岩体声发射沿着采场竖墙发生,声发射沿着冒落拱形迹线分布.冒落过程声发射的能量变化分为两个阶段,第一阶段为平稳阶段,第二阶段为突变阶段,结果表明突变阶段的能量变化率为第一阶段的5倍以上时,可作为顶板冒落的判据,为工程预测塌陷及冒落提供指导.     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,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,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。     

静力侵入岩石裂纹扩展及声发射特征

为了研究刀具静力侵入岩石过程中裂纹扩展及声发射特征,基于刀具侵入岩石断裂特征,确定了声发射参数与刀具侵入岩石过程中径、侧向裂纹长度的关系式;通过分析不同脆性岩石和裂纹长度对声发射信号的影响,得到声发射参数随裂纹长度增加而增大,不同岩石脆性程度对声发射参数随裂纹长度的变化曲线有很大影响,是造成声发射曲线不同的根本原因.选取不同脆性的水泥砂浆和花岗岩为研究对象,在RMT-150C压力试验机上进行刀具侵入破岩试验.结果表明:高脆性花岗岩声发射计数率和能量率远大于低脆性水泥砂浆;不同脆性岩石在刀具侵入作用下声发射特征曲线与侵入载荷-侵深曲线具有较好的一致性,可以很好表征刀具侵入过程中岩石内部裂纹扩展和宏观破碎过程.研究结果对于判断岩石材料破坏性质、深化岩石破碎机理及指导岩体稳定性监测有一定参考作用.     

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。     

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。     

红透山铜矿矿岩破坏过程中声发射实验研究

通过对红透山铜矿矿岩学轴压缩状态下声发射实验,分析了各种岩石产生声发射的机制及岩体破坏机制。实验表明,声发射的显著增加都发生在极限应力的95％,因此,声发射显著增加作为岩体破坏预报点是可行的。     

砼-岩一体两介质破裂过程中声发射特征试验

研究砼-岩一体两介质在受载条件下的声发射特征,可为预测该类型材料的破裂失稳提供科学依据。为此开展了砼、岩石、砼-岩一体两介质在单轴压缩条件下的声发射特征研究。结果表明:砼-岩一体两介质的能量计数曲线在破裂演化过程中呈现双峰值,峰值1的声发射特征可作为岩石材料失稳的预判;声发射事件的时空演化规律表明砼-岩一体两介质的非稳定破裂发展先从砼材料开始,而后通过砼-岩胶结面诱导岩石材料发生失稳破坏;声发射空间定位聚类结果表明砼材料先发生剪切失稳,而后通过失稳过程中所释放出的断裂动能以及骨料的应力集中,诱导岩石材料发生劈裂破坏。     

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.     

岩石-混凝土一体两介质体声发射试验结合离散元方法

工程体和地质体间的相互作用是土木与水利工程建设稳定性分析的重要研究对象,因此明确揭示岩石-混凝土一体两介质体的损伤破坏问题是十分必要的。基于齐热哈塔尔引水隧洞围岩-衬砌结构,以岩石-混凝土一体两介质体为物理模型,进行单轴声发射试验。研究了声发射参数变化的物理意义,并建立了离散元数值模型来探究两介质体的破坏机理。研究表明,单轴压缩试验中两介质体展现出连续介质力学的特性,主裂纹由混凝土部分向岩石部分延伸;声发射参数骤增点可作为两介质体破坏失稳的前兆信息;揭示了岩石-混凝土一体两介质体的基本力学特性和其破坏机理,证实了声发射参数骤增点即为混凝土裂缝贯穿交界面向岩石延伸、介质体加速损伤临近失稳破坏的时刻。     

中部锁固岩桥脆性断裂特征试验研究

锁固型岩桥的脆性断裂是带裂隙岩体失稳的主要原因,具有较强的突发性和隐蔽性。针对“三段式”“挡墙式”两种典型的中部锁固岩桥类型,开展端部开裂砂岩试件的单轴压缩试验研究。基于能量散耗理论及声发射(acoustic emission, AE)频度-能级指数关系,结合高速工业相机记录信息,探究了岩体受压过程中岩桥脆性断裂机理及其前兆信号特征。研究结果表明：(1)与“三段式”锁固岩桥相比,“挡墙式”锁固岩桥峰值强度和弹性模量降低,但其脆性断裂特征更加明显;(2)“挡墙式”锁固岩桥应变能耗散速率明显高于“三段式”锁固岩桥,其声发射平静期与塑性变形阶段持续时间较短,但AE事件率及声发射能量释放更高,岩桥内部裂纹扩展活动更频繁;(3)定义了“三段式”“挡墙式”锁固岩桥整体频度-能级的关系式,表明脆性破坏程度越剧烈,声发射b值(斜率)越小;(4)声发射b值的快速下降可作为岩桥脆性断裂的前兆信号。锁固岩桥的存在形式与赋存位置影响着裂隙岩体的脆性断裂倾向,研究所得可为端部开裂岩体突发脆性失稳提供理论依据及科学预测方法。     

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。     

基于声发射定位技术岩石破坏逾渗特征研究

通过单轴加载条件下岩石破坏声发射实验,分析了岩石在受载过程中破坏单元的演化规律,对岩石破坏过程中的逾渗特征进行了探讨.分析结果表明:声发射定位事件反映了岩石内部微裂纹产生、扩展的演化过程,基于声发射定位事件对岩石内部破坏单元进行划分,能够反映破坏单元从无序分布向有序集中的自组织演化过程.岩石失稳破坏前,破坏集团数目与破坏集团规模——数目的负幂指数均出现增长变缓的趋势,反映了破坏单元的大面积贯通过程,岩石由稳定的破裂阶段转变为非稳定的破裂阶段.在破坏单元达到一定概率时应变开始突发式增长.基于声发射定位事件对破坏单元进行划分,从物理实验的角度研究岩石逾渗问题,具有实际应用价值.     

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。     

Comprehensive assessment on dynamic roof instability under fractured rock mass conditions in the excavation disturbed zone

The damage process of fractured rock mass showed that the fracture in rocks induced roof collapse in Yangchangwan Coal Mine, China. The rock mass was particularly weak and fractured. There occurred 6 large-scale dynamical roof falls in the excavation disturbed zone (EDZ) with the collapsing volume of 216 m3. First, the field detailed geological environment, regional seismic dynamics, and dynamic instability of roadways were generally investigated. Second, the field multiple-index monitoring measurements for detecting the deep delamination of the roof, convergence deformation, bolt-cable load, acoustic emission (AE) characteristic parameters, total AE events, AE energy-releasing rate, rock mass fracture, and damage were arranged. Finally, according to the time-space-strength relations, a quantitative assessment of the influence of rock-mass damage on the dynamic roof instability was accomplished.