弹性范围内不同加载速率下的波速特征及能耗分析

为了探究不同加载速率下波速-应力的变化规律以及能量损耗特征, 采用硬岩材料大理岩进行了单轴压缩下弹性范围内不同加载速率下的试验研究, 测试了加载速率对波速以及能量的影响规律。结果表明, 加载速率的变化不会影响波速-应力之间的总体变化规律, 波速-应力依然符合线性关系, 但低加载速率和高加载速率下的线性关系显现不明显; 不同应力条件下加载速率-波速曲线呈现了3个阶段, 分别为压密-弹性过渡阶段、弹性阶段和弹性-损伤过渡阶段, 整体上加载速率对波速的影响不大; 大理岩在不同阶段吸收的总能量较为稳定, 弹性能在压密-弹性过渡阶段和弹性阶段较为稳定, 而在弹性-损伤过渡阶段出现缓慢的减小, 耗散能在整个阶段都出现了明显的减小。     

弹性范围内加卸载时岩石波速-应力-储能对应关系研究

为了获得岩石储能的定量化表征方法,基于岩石内部储能可以通过其受载状态下岩石应力-应变关系曲线下的面积来定量化计算的原理,在实验室内测试了岩石试样在弹性范围内反复加卸载下波速-应力、应力-储能的对应关系。结果表明,对处于弹性阶段的大理岩试件进行多次反复加卸载,加载过程中波速随压应力线性增加,卸载过程中波速随压应力减少而线性下降;且同一应力下,加载对应的波速一般低于卸载时波速,但随着加卸载次数增加,这种同一应力下的加卸载波速之间的差值会越来越小,趋近于相同,此时整体的线性规律性更加明显。测试结果还显示,弹性阶段内,大理岩试样的单轴加卸载应力与能量密度较好地符合复合幂函数关系。通过应力作桥梁,构建出波速与能量之间的量化对应函数关系,从而找到了一种用波速来表征岩石储能的定量化方法。     

温度对岩石强度及损伤特性的影响研究

通过单轴压缩试验,对经历不同温度(25~1000℃)后大理岩的纵波波速、抗压强度、破坏形态以及损伤特性随温度的变化规律进行研究。试验结果表明：高温后大理岩破坏时,沿轴向存在多个劈裂面,主要体现为劈裂破坏的模式;单轴抗压强度在100℃和400℃时有2次强化作用,从800℃左右,抗压强度开始急剧下降直至1000℃时,基本失去了承载能力;随着加热温度的升高,大理岩试样的纵波波速近似线性下降,损伤因子近似线性增加,反映了大理岩经历高温作用后内部性质的变化;岩石是由不同矿物组成的多晶体,高温环境下各种矿物性质的变化,在一定程度上影响着岩石高温后的物理力学性质。     

类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的相关性

类岩石锚固体声波波速与其强度特性的研究较少,针对类岩石锚固体试样制作的特殊性,结合室内单轴压缩试验,利用声波测试技术分析类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的关系特点.无论标准试样有无锚固或相似原料配比变化,纵波波速增大,单轴抗压强度也相应随着增大.锚杆轴向布置和横向布置均能提高试样的单轴抗压强度,但提高的幅度很相近,这可以通过两种加锚方向的试样纵波波速变化不大来反映.对比类岩石锚固体试样单轴抗压强度随试样密度和纵波波速的变化关系,纵波波速的影响更显著.     

冲击倾向煤岩纵波波速与应力关系试验研究

为了弄清煤矿中冲击矿压现象的发生机理,在实验室单轴条件下对冲击倾向性煤岩样的应力与纵波波速耦合关系进行了研究,建立了两者关系的试验模型,并对模型参数进行了分析.研究结果表明:1)岩样纵波波速对应力的敏感程度要高于煤样,即随应力增加,纵波波速变化更快；2)冲击倾向煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓,它表明应力与纵波波速间具有幂函数关系,与实测值的相关系数计算说明,模型具有较高的拟合度,能准确描述应力与波速的变化关系,并服务于现场层析成像冲击危险性计算.     

岩石单轴加载破坏全过程波速变化特征研究

岩石力学性质是声波监测技术的基础,可通过观测声波在岩石内部传播变化过程判别岩石的稳定性和发育状况。为了解赵庄二号井岩石载荷受力下声波于介质传播过程中变化状况,单轴加载试验采用岩石力学试验机和声波测试系统,对晋城赵庄二号井典型层位的砂岩、泥岩、灰岩加工成标准试样,在单轴加载条件下,采用不同加载方法进行比对,获取方法适用性。然后,利用观测声波对岩石裂隙发育程度、不同岩性的纵、横波波速及应力-应变全过程的变化特征进行了研究。研究结果表明:选用位移控制法可以更好获取全应力-应变曲线;在加载过程中,试样压密、弹性阶段波速呈线性上升的趋势;到达应力峰值后,试样破损,承受力降低并出现软化特征,应力与波速呈非线性变化;波速变化趋势与应力-应变曲线基本一致,不同的应力-应变阶段均发生不同的波速响应特征。通过对岩石加载声波变化特性的测试观察,可对岩体的稳定性或内部裂隙发育程度做出预测预判。     

温度对大理岩力学性能的影响

采用RMT-150C岩石力学试验系统开展不同温度作用（20、200和800 ℃）下大理岩的单轴、三轴试验及温度循环作用后大理岩的单轴压缩试验,系统地分析了大理岩在不同温度以及温度循环作用下的物理力学特性。试验结果表明：随着温度的升高,大理岩的变形特性表现为塑性变形明显、弹性模量降低、峰值应变增大。和常温下试件相比,加热到200 ℃后,试件的黏聚力提高,内摩擦角降低;加热到800 ℃后,试件的黏聚力降低,内摩擦角基本相同。在200 ℃循环作用下,随着作用次数的增加,大理岩试件的峰值强度、弹性模量均呈现出降低的趋势。随着温度的升高,大理岩的纵波波速发生不同程度的降低;与单次加温相比,随着循环加温次数增多,纵波波速降低,但是降低幅度很小。常温以及200 ℃温度作用下,试件的破坏基本为宏观单一断面的剪切破坏; 800 ℃高温作用下,部分试件产生了很多条破裂面;温度循环作用对岩石试件破裂形式没有显著影响。     

柠条塔矿不同深度覆岩波速特性及其物理参数相关性研究

为了分析陕北矿区岩层内天然孔隙-裂隙及其对地下水流场分布的影响,本文采用超声波无损检测技术对陕北柠条塔矿2-2煤覆岩进行波速测试,以反映陕北矿区覆岩天然孔隙-裂隙发育情况,得出岩层垂直方向(轴向)纵波波速V PA和水平方向(环向)纵波波速V PC随埋深H和密度ρ的变化规律,发现岩层埋深H与轴向纵波波速V PA呈近似线性正相关,密度ρ与环向纵波波速V PC呈非线性正相关,纵波波速VP的变化能反映密度ρ的波动情况.利用系统聚类法分析纵波波速VP、埋深H和密度ρ的相关性,得出了覆岩聚类系谱图和覆岩参数间的经验公式.通过岩层细观试验发现岩石颗粒属性对覆岩参数间关联性具有重要影响.     

岩石循环冲击损伤演化围压效应的实验研究

为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应, 对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载, 测试受冲击后试件轴向超声波波速。用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响, 得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系。分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明, 岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应, 围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。     

基于地震槽波与纵波的采煤工作面高应力区探测技术

随着煤矿生产区域向深部转移，开采深度持续增加，开采条件趋于复杂，冲击地压灾害趋于严重，迫切需要能够准确探测采煤工作面高应力区空间分布的探测手段。通过单轴压缩试验，研究了煤岩样在单轴压缩下的地震纵波速度变化，发现在单轴压缩下的弹性阶段，煤岩样轴向地震纵波速度随着应力增加而升高，直至煤岩块遭受破坏，波速迅速下降，地震波速与应力的响应曲线表明在煤岩样弹性阶段地震纵波与应力呈正相关关系；同时也尝试研究了单轴压缩条件下地震槽波速度与应力的响应曲线特征，发现地震槽波与应力呈正相关关系，也可用于采煤工作面高应力区探查；拟将地震槽波与纵波联合用于探测应力集中区。选取了地质条件简单的采煤工作面开展高应力探测试验，在试验数据中提取了纵波的初至速度和槽波特定频率下的速度，经过CT层析成像后形成波速等值线图，然后结合巷道相关资料对比分析，分别圈出各自的高速区，并按照地震波速与应力的正相关关系，将高速区解释为高应力区，最终把两者的重叠区域作为工作面冲击地压高风险区。经钻孔和回采验证：在应力重叠区施工钻孔时煤粉量明显偏大，易缩孔；回采通过应力重叠区时，巷道变形相对较大，“煤炮”时有发生。联合勘探试验表明槽波可用来...     

饱和破碎砂岩压实过程中粒度分布及能量耗散

分别对不同级配(Talbot指数为0.2,0.4,0.6和0.8)侧向受限饱和破碎砂岩进行压缩,利用显微CT观察了试样内部孔隙结构的变化规律;基于分形理论,定量研究了粒度分布特征;通过计算应变能密度,分析了能量耗散特征。结果表明,在16 MPa轴向应力下,轴向应变为0.304 5~0.324 1;在压实初期,试样结构松散,颗粒间接触不稳定,孔隙尺寸较大且联通性好;而在压实后期,试样密实,孔隙形状多为稳定的三角形。粒度分布具有分形特征,分形维数范围为1.733 1~2.561 0。当轴向应力为0~4 MPa时,颗粒破碎发生急剧,分形维数快速增大;而在4 MPa后,颗粒破碎发生较少,分形维数缓慢增大。变形引起的能量耗散随着轴向应变和分形维数的增大而加速增大,当轴向应变大于0.17或分形维数大于2.1后,应变能密度急剧增大。初始粒径配比对粒度分布和能量耗散均有影响,相同轴向应力下,Talbot指数越大,分形维数越小;相同轴向应变下,Talbot指数越大,应变能密度越小。     

蠕变加载条件下大理岩弹性储能的演化特征

为研究蠕变过程中大理岩对能量的吸收转化特征和应变能的释放与耗散机理,测试分析了大理岩在单轴循环加载和多级蠕变循环加载条件下的应力-应变关系,计算得到各自的弹性能密度曲线,采用幂函数拟合了大理岩弹性能密度与应力之间的关系.对比两种加载方式的测试数据,结果表明:单轴循环加载和多级蠕变循环加载试验的弹性能密度曲线基本重合,即...     

干燥及饱和含水煤样超声波特征的实验研究

采用超声波透射法对无烟煤、焦煤和肥煤煤样在干燥及自然饱和吸水状态进行超声波测试实验,利用快速傅里叶变换对超声波信号进行了频谱分析,研究干燥及自然饱和吸水状态下煤样超声波特征。研究结果表明：在干燥或自然饱和吸水状态下,同种煤样的纵波波速相差较小;在干燥和自然饱和吸水两种状态下,无烟煤煤样纵波速度最大,肥煤纵波速度最小,焦煤介于两者之间,煤样纵波速度与其密度呈正相关、与孔隙率和变质程度呈负相关关系。焦煤和肥煤煤样在自然饱和吸水状态下纵波波速高于其在干燥状态下的纵波波速,无烟煤则相反;焦煤和肥煤煤样的纵波波速对水的敏感性大于无烟煤纵波波速对水的敏感性,这是由水分子在煤样孔隙中的运动形式决定的。煤样自然饱和吸水后,其主频率值有所下降,出现“频率漂移”的现象,使其能量多集中在低频部分;在煤样中传播的超声波信号的波速和主频率值能够反映煤样内部的孔隙、微裂隙等结构情况及其含水情况。     

高温后大理岩各向异性响应特征研究

通过对含层理大理岩开展经历不同温度后的纵波波速测试试验,分析高温作用后大理岩纵波波速的变化规律,在此基础上探讨各向异性指数(平行与垂直层理方向波速比值)的变化趋势,研究温度对大理岩各向异性的影响规律。研究结果表明:经历高温后大理岩纵波波速下降,而且随经历温度的升高,大理岩纵波波速持续降低;大理岩纵波波速存在层理效应,主要表现为平行层理方向的波速大于垂直层理方向波速,各向异性指数为1.11~1.19;在30~200℃范围内,大理岩各向异性指数随温度呈现出两边低中间高的"倒U"形变化规律。研究成果在一定程度上反映了经历高温后岩石各向异性的变化,为预测和评估高温工程围岩的长期稳定性和安全性提供理论基础。     

煤岩特性对超声波速影响的试验研究

超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明：纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。     

微波作用下砂岩孔隙结构演化及强度劣化的试验研究

为研究岩石经微波作用后的细观损伤演化及强度劣化, 选取红砂岩为试样, 采用核磁共振技术探究了不同微波功率作用下红砂岩孔隙结构演化特性。同时, 结合超声波波速测试与岩石力学强度测试等手段对核磁共振的结果进行了验证。结果表明: 试样经微波作用后, 由于红砂岩内部不同矿物成分对微波的敏感度不同, 使红砂岩内部产生热应力差, 从而使其内部孔隙度增大、超声波波速减小、单轴抗压强度减小;并且微波作用功率越大, 其孔隙结构及强度劣化结果越明显。分析结果表明, 微波对红砂岩的孔隙影响及强度劣化主要归因于内部水分丧失及内部矿物颗粒间相互压拉。     

煤体加载过程中声波波速变化规律实验研究

利用自制的声波参数测试系统实验研究了煤体加载过程中声波波速变化规律。研究结果表明:随着加载过程轴压或者围压的增大,试样的纵横波速表现出非线性增大趋势,并且波速增大过程中有明显的阶段化特征,最后趋于稳定;试样在受力加载过程中,试样纵横波波速比逐渐减小;建立了应力和纵波波速的关系式,理论分析表明,随着应力的增加,孔隙度减小,颗粒间的接触面积增大,引起波速的增大。     

单轴压缩下煤岩细观结构参数表征及演化规律

为研究煤岩细观结构特征随着轴向应力增加的演化规律，利用NanoVoxel-3502E X射线三维显微镜与Deben原位加载实验台进行煤岩单轴压缩试验，获取不同应变条件下的CT数据，并结合三维可视化软件AVIZO，研究煤样试件的孔隙裂隙分布特征，统计分析煤样试件孔隙裂隙细观参数-球形度、配位数、曲率和开度。揭示了煤样在单轴压缩情况下的细观结构空间分布特征及随时间的展布规律，细观结构随轴向应力的演化规律。研究表明：微小裂隙在20～732 N过程中大量出现，孔隙增多，在431～732 N过程中孔隙球形度集中分布范围变窄，部分孔裂隙逐渐融合进入裂隙网络，部分孔裂隙被压实压密，732 N时部分孔隙被压实压密，导致孔裂隙减少90 000个，裂隙曲率逐渐增大、裂隙逐渐开度变大，配位数集中率更高，同时也说明煤样内部连通性更好，732 N是裂隙网络发育的巅峰。轴向力达到1 100 N（峰值）时，形成复杂的裂隙网络。随着单轴压缩过程的推进，部分孔裂隙虽然在732 N被压实压密，但由于轴向力的增大以及残余荷载的作用，孔裂隙的增多是必然趋势，峰值和峰后仍然存在微小孔裂隙，但峰后裂隙较窄，球形度更多的是集中在1...     

川东北砂岩单三轴压缩过程中应力-波速变化规律的试验研究

为能够利用声波测井资料对岩石的力学参数进行反演,选取代表性埋深砂岩,对单三轴压缩过程中的应力-纵波波速之间的变化规律进行了研究,对不同围压下,压缩过程中的波速变化规律进行了比较。结果表明,在轴向压缩过程中,砂岩纵波波速显著增加,砂岩单轴抗压强度与纵波波速之间存在一定关系。砂岩压缩过程中,在低围压下波速变化相对明显;高围压下波速变化相对较小,在偏应力较小时,波速与应力基本为线性关系,当偏应力达到一定数值时,波速稳定在某一定值,即曲线出现水平渐近线。     

岩石类试件损伤失稳时的位移特性分析

通过对平面应变条件下不同损伤程度时试样变形过程中的应力位移变化值进行监测,分析了试样分叉与剪切带形成过程中轴向应力位移曲线,轴向-侧向位移对比曲线,剪切带网络特征及其随损伤程度变化的规律。研究表明,加载初期,围压存在时,试样首先表现为短暂的侧向压缩,随后开始发生侧向膨胀,损伤发生于材料达到峰值强度后,损伤程度越大,试样的残余强度与达到残余强度时的轴向位移越小,试样达到分叉点和剪切带形成点处的轴向位移越小,试样越容易发生失稳,剪切带网络开始于应力-位移曲线的弹性II阶段,发展于软化下降阶段,而形成于残余强度阶段。