花岗岩破裂过程声发射横、纵波时频特征实验研究

开展花岗岩单轴压缩声发射监测实验,利用横、纵波两种类型传感器接收花岗岩破裂过程声发射信号,从声发射事件率、能率、主频和主频幅值方面,研究花岗岩破裂过程声发射横、纵波时频特征的异同点,探索岩石破裂过程不同模式声发射波形信息的特征规律。研究结果表明:花岗岩破裂过程声发射纵波事件率在峰值载荷前出现明显声发射"平静期",而横波事件率"平静期"现象不明显;声发射横、纵波能率曲线形式一致,在临近峰值载荷时均出现陡升现象,但数值上纵波普遍高于横波。花岗岩破裂过程声发射纵波主频以低频(35～110 kHz)为主,数量占比达到96.4%,横波以高频(300～500kHz)为主,数量占比达到66.36%;对于纵波与横波,二者高幅值声发射信号均位于低频区间,意味着花岗岩破裂过程中高能量横、纵波声发射信号均表现出低频高幅值特征。研究结果扩展了对岩石破裂过程不同模式声发射特征的认识,进一步为建立基于声发射的岩石破裂预测方法提供科学依据。     

基于声发射多参量分析的岩桥裂纹扩展研究

为研究开放性岩桥裂纹扩展特征及破裂机制,通过对花岗岩岩桥试样进行单轴压缩试验和声发射监测,基于应力–应变曲线、声发射参数和频谱特征分析其裂纹扩展过程。研究结果表明:裂纹由倾斜预制裂纹尖端起裂,扩展方向受应力方向控制;应力–应变曲线出现"峰前波动上升"和"峰后阶梯式下降"特征;声发射振铃计数率和能率"突增点"与"相对平静期"间隔出现,累计计数和累计能量曲线"台阶式上升","突增点"对应宏观裂纹的形成,而"相对平静期"则是为宏观裂纹增长积蓄能量;声发射频谱对裂纹扩展更灵敏,高频低幅值和低频低幅值信号对应沿晶或穿晶微裂纹,高频高幅值信号对应中尺度或穿晶小尺度裂纹,低频高幅值信号对应宏观大尺度裂纹,中频低幅值信号与已有断面的摩擦有关。本文研究获得的裂纹扩展的声发射特征为岩桥破坏机制和监测提供了依据。     

花岗岩单轴受压条件下声发射信号频率特征试验研究

研究分析破裂过程不同阶段的声发射信号频率特性,对于选出相应谐振频率的声发射传感器具有重要意义。通过单轴压缩试验,结果表明:花岗岩受压过程中主要经历3个受力阶段,声发射振铃计数率随相对应力的增加呈现出阶段性的变化规律,声发射信号优势频率主要发生在岩石破裂前塑性破坏和主破裂阶段,且集中在41～85kHz。在相对应力较低时,花岗岩声发射信号频率以低频为主,随着相对应力的增加,其高频、低频信号密集且幅值很大,因此高频高幅值声发射信号的突然增多预示花岗岩有破坏危险。     

常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究

 通过岩石力学室内加载试验,对花岗岩在不同围压下的破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破裂全过程中的力学参数和声发射低频、高频信号特征,研究了低频、高频声发射信号的振铃计数、能量累计数与岩石应力、时间之间的关系,探求了声发射信号峰值频率在岩石主破裂前期的分布情况。研究表明：低频与高频通道接收的声发射信号基本特征--振铃计数、能量累计数在岩石破裂过程中的整体变化趋势基本相同,与岩石力学过程形成良好的对应;两通道的信号基本特征主要区别在于数值大小。在声发射频谱特征方面,岩石破裂的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征,表现为信号峰频分布由岩石加载初期的1～2个主频段(40～50 kHz和150～170 kHz频段)在岩石临界主破裂时增多到最多5个主频段(25～30 kHz、40～50 kHz、60～70 kHz、90～100 kHz及150～160 kHz频段)。     

裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究

冲击地压等动力灾害是含裂隙结构面岩体破裂发育、成核的动态演化结果,借助声发射监测可精确感知破裂演化过程进而实现灾害的有效预警。测试不同加载速率下含平行贯通雁行裂纹砂岩声发射行为的全程动态时变演化规律,借助声发射三维定位重点分析裂纹扩展关键特征点处声发射时–空–频–非线性响应及其加载速率效应。结果表明:(1)裂隙砂岩裂纹扩展及声发射响应行为存在着明显的加载速率效应:随着加载速率增大,声发射计数峰值、多重分形谱宽度Δα及主频幅值均逐渐增大,Δf(α)和主频则逐渐减小,岩体破裂过程的动力显现及非线性特征也越来越明显,破裂模式也由剪切破坏过渡为张拉破坏。(2)裂隙砂岩受载全程中随着应力增大声发射计数、分形谱宽度Δα、主频幅值及低频成分占比逐渐增大,多重分形参量Δf(α)逐渐减小;特别在亚失稳阶段,声发射计数表现出多次"突增+平静"特征,频谱及多重分形参数表现出波动特性,可以根据声发射信号动态时变趋势和"突增+平静"特征对动力灾害做出临灾预警。(3)裂隙砂岩宏观裂纹起裂、扩展形成主破裂过程就是锁固体不断破裂的过程,每一次锁固体断裂均对应着宏观裂纹发育、应力突降、声发射计数高值响应、频谱及多重分形参数极值。基于微破裂演化成核多锁固体破裂理论定量地解释裂隙砂岩力学性质的加载速率效应及亚失稳阶段声发射信号几起几落的"突增+平静"前兆行为。     

花岗岩剪切破坏过程声发射横、纵波特征试验研究

开展花岗岩剪切声发射监测试验,利用横、纵波2种传感器接收花岗岩剪切破坏过程的声发射信号,分析声发射横、纵波信号的变化规律及其异同点,探讨两类信号变化规律差异性的原因。研究结果表明：剪切破坏过程中声发射横、纵波事件率变化趋势不一致,纵波事件率在弹性阶段达到最大值后降低,峰值应力前出现“平静期”,累计计数呈“S”型变化;横波事件率在临近峰值应力时出现最大值,累计计数呈“指数”型变化。剪切破坏过程声发射横、纵波事件能量变化趋势一致,破坏过程能量不断增大,临近峰值应力能率达到最大值,累计能量陡增。声发射横、纵波信号频率演化和分布差异性明显,纵波主频在6个固定的频率,近似呈条带状演化,而横波频率成分复杂,主频条带状演化不明显;纵波主频集中分布在90～110 kHz,而横波主频离散分布在0～500k Hz。由于横、纵传感器类型的差异,对岩石破裂过程不同频率声发射信号响应机制不同,是二者声发射事件数量变化趋势不一致的原因;横、纵波声发射事件能量变化趋势一致,这可能与二者高能量的信号均呈现低频特征有关。研究成果进一步丰富和完善了对岩石破裂过程声发射信号特征认识,有助于深入揭示岩石破裂灾变机制。     

岩石破裂失稳声发射监测频段信息识别研究

首先对声发射信号进行分频处理,分析岩石损伤破裂演化过程中声发射信号频段分布规律。根据岩石断裂模式与声发射频率存在一定的对应关系,证明了岩石破裂监测中声发射前兆优势频段的存在,进一步构建前兆优势频段的计算方法,确定声发射监测岩石破裂的最优短临预报参数。通过开展花岗岩圆形隧洞模型水平卸荷试验,分析整个过程的声发射信号,寻找前兆优势频段,以此验证方法的可靠性。研究结果表明,水平方向卸荷瞬间,隧洞两壁发生劈裂破坏,频段(31.25~62 k Hz)的小波能量占比达73%以上。临近最终破裂,频段(7.8125~15.625 k Hz)变能系数CD6?由前一刻的0.5突增到15,具有典型的灾变响应特征,可以确定该频段为声发射前兆优势频段。选择CD6??作为宏观破裂的短临预报参数,再结合临近最终破裂前声发射主频在频段(90~105 k Hz)和(13~20 k Hz)所出现的响应突现规律,可以为预测花岗岩圆形隧洞模型的失稳破坏提供预警参量。     

花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制

 对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析。根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM微观结构照片,岩爆过程的声发射频谱特性及声发射参数RA值(声发射撞击上升时间/幅度)的不同,分析其破坏过程的微观机制。在试件相对稳定阶段,产生以低幅、低能量释放为特征的波,对应微裂纹的滑移或局部的微裂纹开裂;在岩爆发生时声发射波除低频部分的幅值明显增大之外,高频幅值也有增大趋势,表明有高能量释放,试件内产生宏观破裂;岩爆前RA值增加,岩爆时降低。高RA值是张裂纹形成产生的波,低值是剪切裂纹形成的波。试验结果揭示岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波,分别对应形成穿晶或解理微裂纹,以张裂纹为主及沿晶或穿晶宏观裂纹,以剪切裂纹为主,显示高能量释放及低RA值特征。     

饱水对花岗岩声发射平静期影响的实验研究

通过对干燥和饱水花岗岩进行单轴加载声发射实验和扫描电镜实验,研究饱水对花岗岩破坏前声发射平静期的影响。结果表明:干燥和饱水花岗岩破裂前声发射事件率均出现平静期,干燥花岗岩在峰值载荷的54.89%时进入声发射平静期,饱水花岗岩约为峰值载荷的89.87%;干燥花岗岩平静期内AE事件率小且恒定,AE能率较高,饱水后平静期内AE事件率增大,AE能率减小;干燥花岗岩平静期内声发射波形信号的熵值为1.5~2.5,饱水花岗岩为0.5~1.5;饱水改变了花岗岩的微观破裂模式,这为水是如何影响岩石的声发射特征提供了理论依据。实验结果丰富了对岩石声发射平静期的认识,这对岩石破裂声发射监测中前兆现象的识别具有重要意义。     

花岗岩单轴压缩全过程声发射时空演化行为及破坏前兆研究

利用MTS815岩石力学试验系统与PCI-2声发射系统,开展花岗岩单轴压缩全过程声发射定位试验,通过对岩石破裂过程中声发射时空演化特征、能量释放规律研究发现:岩石单轴压缩全过程中声发射时序参数演化过程,可分为上升期、平静期和波动期3个阶段;AE信号源的空间分布和聚集位置,可对应岩石内部应力集中和宏观破碎严重区域;随着荷载逐渐增大,AE事件由前期低能量、小裂纹事件向高能量大事件转化,大量微破裂成核、扩展,最终贯通为宏观裂纹,试样完全破坏且大部分能量得到释放。基于声发射时空演化的破坏前兆特征研究发现:岩石单轴压缩全过程中,AE平静期、AE能率、AE振铃计数率和岩石扩容可作为预测岩石破坏的指标,其中AE能率和AE振铃计数率对岩石失稳破坏的预测最敏感,其次是AE平静期现象,再次为扩容点。本文研究可为高地应力区地下厂房岩体稳定性监测与预报提供依据。     

钢管混凝土界面黏结破坏的声发射特征及时空演化机制

为研究钢管混凝土界面黏结 滑移的破坏机制,采用声发射(AE)监测系统对9个钢管混凝土试件的推出试验进行了声发射测试,获得了撞击计数、能量释放和频谱特征等AE信号特性。结果表明：荷载 滑移曲线可分为胶结段、非线性滑移段和滑移段。AE撞击计数率、能量释放率与黏结 滑移演化过程形成良好的对应关系。AE频谱特征中,胶结段的AE信号较少,其峰频和幅值分布带在0~80kHz和0~55dB区间;非线性初滑移段的AE信号不断增多,主要来自黏结界面中不断拓展的破坏裂纹,出现高频高幅值AE信号,其分布带集中于150～400kHz和60~90dB区间,非线性初滑移段中高频高幅值信号可作为界面发生黏结破坏的前兆信息;滑移段的AE信号较多,主要来自界面滑移摩擦,以低频低幅值信号为主,其峰频和幅值分布带集中于0～150kHz和0~60dB区间。AE信号源柱面定位结果揭示了推出试验下钢管混凝土界面黏结破坏裂纹从两端开始形成、逐渐向中部拓展的时空演化机制。     

莱州花岗岩应变岩爆实验声发射频谱特征分析

深部岩爆的发生对应着岩石的猛烈破坏,同时产生弹性应力波,相应的就会有声发射现象发生。声发射频谱特征的变化能够反映岩爆发生的本质信息,因此开展此方面的研究有着重要的理论与应用价值。利用自主研发的深部岩爆过程模拟实验系统,进行了花岗岩循环加卸载条件下的岩爆声发射模拟实验。首先对花岗岩的应变岩爆实验过程进行划分,分析其声发射释能特征;其次,选取实验过程中的关键特征点声发射波形信息并对其进行傅里叶变换,观察各关键特征点的原始波形特征、二维频谱特征,寻求岩爆时刻的本征频谱;从其二维频谱功率谱图上,获取各个关键特征点的频谱响应特征和其对应的幅值特征,研究其频谱响应规律。研究结果表明:岩爆时刻区别于其他阶段最明显的特点就是声发射表现为连续型波形,低频高幅值特征。     

Rock burst process of limestone and its acoustic emission characteristics under true-triaxial unloading conditions

The rock failure process is associated with acoustic emission (AE). Hence, violent rock failure processes such as rock burst under different stress paths in laboratory can be studied using the AE monitoring technique. In this paper, single-face dynamic unloading tests under true-triaxial condition were carried out for Paleozonic marine sedimentation limestone samples produced by blocks cored from 1140 m depth in Jiahe coal mine of China. Frequency-spectra analysis was conducted for the full-wave AE data and figures showing the relationship of frequency–amplitude of AE signals in rock burst stages were obtained. The dynamical damage process and characteristics of limestone under the test condition are summarized. It is found from the fast Fourier transformation (FFT) analysis of the AE signals that there exist two main frequency ranges, i.e. lower (60–100 kHz), and higher (170–190 kHz), for the samples. When the limestone samples are under relatively lower stress, the AE signals are characterized by high frequency and low amplitude. As the stress increases, the AE signals tend to shift more towards a signature of high amplitude. Near the bursting failure of the rock samples, it is observed that there are much higher amplitude and lower frequency events. The AE accumulated energy release rapidly increases from the unloading state of the rock samples to its failure. The dynamic unloading test facility provides a useful tool to gain an insight into the characteristics of rock bursts.     

不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前特征信息试验研究

 通过对花岗岩在不同围压下循环加卸载声发射(AE)试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低频通道中AE累计振铃计数、岩石应力与时间的关系。基于此,研究岩石AE的不可逆性特征。同时运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点AE信号进行消噪,并通过FFT分析消噪后信号的频谱特征,探求岩石主破裂前特征信息。研究结果表明：(1) 两通道中接收到的AE振铃计数整体变化趋势基本相同,所揭示的Kaiser效应和Felicity效应规律基本一致;两通道中AE振铃计数特征主要区别在于数量不同;(2) Kaiser点主频分布在46.39～70.80与151.37～166.99 kHz范围内。岩石主破裂前,随轴向应力水平增加,低频通道中Kaiser点主频整体变化趋势由较低频向较高频转移,高频通道中由较高频向较低频转移;(3) 花岗岩Kaiser效应应力上限值为极限强度的65%左右。Kaiser点的主频特征及变化规律,可为岩石的损伤破坏评价提供依据。     

单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频段声发射耦合判据和前兆识别特征

为寻求岩石临界破坏判据和前兆特征,在粗砂岩单轴压缩声发射(AE)试验的基础上,研究了岩石破坏过程中AE信号频段占比随应力变化特征,重点分析高、低两个特征频段占比随应力变化规律,同时对两个特征频段中不同应力水平下AE幅值关联维数进行计算与分析,并建立了基于频段占比与应力间关系的多频段AE信号主频识别判据模型。研究表明:AE信号频段占比的分布特征能较好地诠释岩石破坏所经历的主要过程;岩石破坏过程中,较低频段AE信号(31.25~46.875 k Hz)占比先减小后增大,较高频段AE信号(140.625~156.25 k Hz)占比先增大后减小。在临界破坏状态下,高、低两个特征频段占比分别出现最大值和最小值,且二者中AE幅值关联维数都下降到最低。通过对特征频段占比与应力之间的耦合分析,利用特征频段占比、AE幅值关联维数的变化可更准确地对岩石临界破坏前兆进行判别和预测。     

不同岩石声发射时频特性实验研究

通过对变粒岩、花岗岩、石灰岩、粉砂岩等四种岩石进行室内单轴加载声发射试验,获取岩石破裂全过程的应力-应变曲线、声发射参数及声发射信号。根据岩石破裂过程,从时、频域对声发射信号进行分析,着重对比了不同岩石的力学性质、声发射信号频域特征。研究结果表明:采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;随着加载的进行,根据岩体变形及破裂程度的不同,不同岩石破裂阶段的声发射信号的频带范围也在不断发生变化。结合声发射时间序列参数特征和频谱特性,可得出岩石破裂时的损伤特性,为现场岩体的稳定性监测提供技术支持。     

岩爆过程的声音信号特征研究

 为探究岩爆过程的声音信号特征,采用自主研发的真三轴岩爆试验机系统,在室内实现花岗岩岩样的岩爆过程模拟,并对试验过程中的声音信号进行全程监测,分析岩爆过程声音信号的波形特征、分形特征以及频谱特征。研究结果表明,岩爆的声音信号波形变化特征能够反映岩爆所经历的主要破坏过程,临近岩爆弹射破坏前,存在一段声音信号波形幅值较小的“相对平静期”;岩爆过程的声音信号幅值具有时间分形特性,声音信号幅值分形维数持续增加至峰值后在一段时间内持续下降至最低值可作为岩爆发生的前兆信息;岩爆过程中,不同破坏现象具有不同的声音频谱特征,声音信号主频总体呈“高频向低频迁移”的演化趋势,频谱形状经历“多峰–单峰”的交替变化过程。岩爆过程的声音信号在波形、幅值的时间分形维数、频谱3个方面具有显著特征与内在演化规律,声音信号的变化特征可作为岩爆预测的前兆信息。     

真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。