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.     

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.     

光纤传感器对煤岩体声发射的检测

为实时掌握煤岩体安全状况,将光纤Sagnac传感器应用于煤岩体的声发射检测。当煤岩体因外力或内部缺陷产生的声发射信号被光纤传感器检测到,光纤传感器输出端的输出光强便发生变化;通过对输出光强进行监测,并经傅立叶变换后得到声发射信号的频率特征。对整个系统进行计算机仿真,结果表明,该系统适用于煤岩体声发射信号的特征识别。     

基于声发射的岩石疲劳损伤演化

通过砂岩试件疲劳破坏的声发射实验,分析了砂岩疲劳破坏过程的声发射特性,研究了岩石的疲劳损伤演化规律.按岩石整个疲劳过程的声发射特征及损伤演化规律,并参考岩石不可逆变形发展的三阶段规律可以将其分为四个阶段.岩石疲劳损伤破坏具有突发性,在岩石失稳阶段损伤加速演化.如果以声发射监测和预测岩石疲劳破坏,在损伤量0.4左右即进入失稳阶段,在损伤量0.3左右即进入失效阶段.     

基于声发射的层状复合岩石损伤演化规律实验研究

为了研究层状复合岩石内部微观裂隙的损伤情况,采用单轴压缩试验,结合声发射分析仪对试件内部破坏过程进行实时监测,分析岩石的破坏过程、声发射的参数等力学特性。研究结果表明:层状复合岩石的破坏特征不是单一岩石破坏特征的直接相加,而是在荷载作用下耦合破坏的结果。强度高的硬岩可以约束强度低的软岩发生横向变形,而强度低的软岩对强度高的硬岩的横向变形具有推动作用;声发射的能量计数与复合岩石内部裂纹的压密、扩展、贯通过程有紧密联系,可以评估岩石内部的损伤程度;根据累计能量建立的损伤演化方程,其拟合数据与试验数据吻合较好,实现了用声发射能量计数反应层状复合岩石的损伤演化规律,为层状复合岩石的损伤研究提供了参考。     

Fractal analysis on the spatial distribution of acoustic emission in the failure process of rock specimens

The spatial distribution of acoustic emission (AE) events in the failure process of several rock specimens was acquired using an advanced AE acquiring and analyzing system. The box counting method (BCM) was employed to calculate the fractal dimension (FD) of AE spatial distribution. There is a similar correlation between the fractal dimension and the load strength for different rock specimens. The fractal dimension presents a decreasing trend with the increase of load strength. For the same kind of specimens, their FD values will decrease to the level below a relatively same value when they reach failure. This value can be regarded as the critical value, which implies that the specimen will reach failure soon. The results reflect that it is possible to correlate the damage of rock with a macroscopic parameter, the FD value of AE signals. Furthermore, the FD value can be also used to forecast the final failure of rock. This conclusion allows identifying or predicting the damage in rock with a great advantage over the classic theory and is very crucial for forecasting rockburst or other dynamic disasters in mines.     

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.     

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.     

运用声发射技术研究橡胶混凝土疲劳损伤过程

借助声发射技术对水泥混凝土及橡胶水泥混凝土的疲劳过程进行实时监测,通过声发射信号的强度和活度等相关参数分析疲劳损伤过程.实验结果表明:疲劳循环加载过程中,0.6,0.7,0.8应力水平下水泥混凝土中声发射信号的撞击总数随时间变化均呈现近似线性增长趋势,幅度随时间变化分布密集,声发射信号连续发生,表明水泥混凝土的疲劳损伤过程是一个持续的损伤累计增长的过程;橡胶混凝土声发射信号的撞击总数随时间变化曲线分为中间阶段曲线平缓、幅度随时间变化分布松散3个阶段,疲劳损伤全过程呈现典型的裂纹引发、稳定扩展和失稳扩展3个阶段.由于在疲劳循环加载过程中橡胶的能量耗散特性以及良好的吸声性能,橡胶混凝土中声发射信号发生的强度和活度普遍低于同应力水平下的普通水泥混凝土,损伤演化速度缓慢,损伤程度降低,因此具有优异的疲劳性能.     

基于矩张量反演的矿山突水孕育过程

为实现矿山突水孕育过程中岩石破裂事件的有效分析,利用河北矾山磷矿所监测的异常微震事件,引入基于数字地震学的矩张量反演方法。矿井尺度的震动位移场可表示为矩张量与格林函数的时间褶积。通过提取微震事件位移场资料,并计算格林函数(震源至传感器之间传播介质的脉冲响应),线性反演了微震事件的矩张量,并利用微震事件的破裂方位判别了其破裂类型。随后建立微震监测三维效果图,拟合出岩石破裂面发展趋势,并初步确定了突水危险区域范围。研究表明,矩张量反演方法能够计算出微震事件震源机制解,可有效反映矿山突水孕育过程中岩石破裂的形成过程及发展趋势。     

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。     

单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系

设计了岩石试块的单轴加卸荷实验.利用声发射观测动态检测损伤的扩展,通过超声波检测来定量评价岩石试块的损伤程度.结果表明:岩石在加载和卸载两种过程中都有新的损伤产生;其损伤扩展和演化过程可以通过声发射监测来动态观测,损伤演化的水平则可通过超声波的信号特征进行定量评价.     

典型岩石单轴压缩变形及声发射特性试验研究

声发射是岩石在受力变形和破裂过程中的重要物理现象,也是反映岩石力学特性的一个直接参量.通过对某矿山矽卡岩、石英闪长岩、蛇纹岩和粉砂岩单轴应力-应变全过程变形特性和全过程声发射特征研究,并作了对应分析,结果表明岩石的变形速率与岩石声发射事件出现的频率有较好的对应性.     

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.     

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.     

含硬包体岩石破裂演化过程的声发射数值模拟

从岩石的损伤模型出发,推导了受到损伤岩石的单元刚度矩阵,采用声发射数值模拟方法研究了含有硬包体岩石的破裂演化过程,研究了硬包体的形状对岩石破裂演化过程的影响,确定了主破裂即将发生的临界状态,研究了围压条件对岩石破裂演化过程的影响.论文工作对于进一步研究含有随机裂纹与硬包体同时存在的岩石破裂演化过程以及研究地震空区和条带的生成条件具有较重要的参考意义.     

页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探

水力压裂模拟实验中,对水力裂缝的监测和识别是研究储层裂缝形态的基础。利用室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟装置对300 mm×300 mm×300 mm立方体页岩试样开展体积压裂实验,建立多通道声发射实验监测系统,在试样两个对称侧面布置声发射探头,采集实验过程中裂缝破裂时的声波信号,对裂缝缝网形成过程进行三维动态实时跟踪,可以明确水力裂缝起裂和裂缝扩展形态;再结合声发射计数曲线和泵压曲线可以实时监测水力裂缝不同扩展阶段,判别水力裂缝与天然裂缝相互沟通过程。监测过程发现,声发射累积次数最高点先于破裂压力点出现,水力裂缝扩展接收的声发射信号多于天然裂缝开启过程,地层破裂后泵压曲线的波动可以识别裂缝之间的沟通程度,打开试样观察示踪剂的分布特征进一步验证了声发射监测结果。     

基于声发射旋风分离器内颗粒粒度分析

采用声发射技术对旋风分离器内颗粒粒度进行分析,获得了声发射信号结构与分离器内气固两相运动行为的对应关系。选用0.4 mm、0.7 mm、1.5 mm和2 mm的活性炭颗粒进行实验,将采样得到声发射信号进行Daubechies二阶小波的1~9尺度分解,用R/S算法分别求取各个频段的Hurst指数。结果表明,声发射信号具有多尺度特征,依据hurst指数的不同,将其划分为微尺度、介尺度、宏尺度,分别反映颗粒间的无规则运动、主体流相对于系统运动或不同主体流之间的相互运动,整个系统相对于外界环境随时间的变化。在同一质量流量下,计算出各颗粒粒径对应的微尺度,介尺度分别所占总能量的比值。实验发现,固相颗粒粒径与其有很大的相关性;随着粒子尺寸的增大,微尺度信号所占的能量比率减少,介尺度能量所占的比率增加。声发射技术可用于旋风分离器内颗粒粒度的分析。     

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。     

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。