弱胶结砂岩破坏规律及其声发射特性试验研究

为探究煤矿巷道软弱围岩的变形规律,以彬长矿区某矿为研究对象,研究其顶板弱胶结砂岩在饱水状态下的三轴-声发射特性,分析其塑性变形破坏规律和不同应力阶段声发射特征,得到饱水弱胶结砂岩破坏过程中声发射演化规律。分析结果可为预测弱胶结砂岩变形破坏趋势提供理论依据,为控制同类砂岩顶板变形提供可行性方法。     

动态孔隙水作用下砂岩力学特性试验研究

为研究动态孔隙水作用下砂岩的力学特性,采用MTS815.02型电液伺服岩石力学试验系统和PCI-2声发射测试系统,对砂岩进行不同孔隙水压下的三轴压缩声发射试验,分析不同孔隙水压下砂岩的强度、变形及声发射信号特征.研究表明:在孔隙水压作用下,岩样的破坏形式大多为劈裂破坏.随着孔隙水压力的增加,砂岩的抗压强度和弹性模量明显降低,在达到应力峰值时的声发射信号峰值减小,应力峰值附近声发射信号突增明显.     

红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

对红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究,根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了全过程应力-应变、应力-时间-累计计数率、应力-时间-绝对能量率以及峰值前、后的应力-应变-累计计数率、应力-时间-绝对能量率曲线。据所得应力-应变曲线将该类砂岩破坏分为2种形式:一种为传统4阶段岩石破坏形式,另一种为5阶段破坏形式。5阶段破坏模式在应变软化阶段后出现了应力不变,应变继续增大的胶结延性阶段。对比2种破坏模式的声发射特征,峰值后的声发射现象较峰值前的均有量级的变化,抗压强度相近时,弹性模量小的试样产生更多的声发射现象,但产生的绝对能量属于同一量级。累计计数率能够作为判断试样是否发生完全破坏的参数。     

不同粒度弱胶结砂岩单轴加载下声发射特性试验研究

对不同粒度的弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究。根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了加载全过程中的应力、AE振铃计数、AE幅值以及AE绝对能量随时间的变化规律。研究表明:弱胶结砂岩随着颗粒粒度的减小,峰值强度增加。在单轴加载过程中,弱胶结砂岩AE振铃计数和AE绝对能量以数量级增加。不同粒度的弱胶结砂岩在初期压密阶段,AE振幅均较低;随着应力的增加,AE振幅不断增加。AE幅值在小于40dB的区间内,占比最高;在40～50dB区间内,占比次之,而这2个区间的AE幅值占比之和达到90%左右。说明不同粒度的弱胶结砂岩在单轴压缩破坏过程中,以小尺度裂纹扩展为主;最后裂纹贯通,完全破坏。     

含水率对弱胶结砂岩力学特征的影响规律

为了研究含水率对弱胶结砂岩力学特征的影响规律,以神东矿区大柳塔煤矿岩层中的砂岩为研究对象。首先对弱胶结砂岩进行了XRD,SEM,NMR观测,然后对含水率分别为0,2%,4%和6%的试样在RMT-150C力学试验机下进行单轴压缩试验。研究结果表明:弱胶结砂岩的孔隙率为20.29%,孔隙以中大孔为主,孔隙连通性好;黏土矿物以高岭石和绿泥石为主。含水率对弱胶结砂岩的应力-应变曲线、峰值强度和弹性模量都存在显著影响,峰值强度、弹性模量与含水率存在显著的负相关关系;含水率对峰值应变无显著影响。与干燥试样相比,含水率为2%,4%和6%试样的峰值抗压强度分别降低了20.76%,37.84%,49.01%,弹性模量分别降低了6.25%,31.65%,51.44%;随着含水率的逐渐增加,弱胶结砂岩的塑性逐渐增大。研究成果有助于进一步揭示神东矿区溃水溃沙的机理。     

西部典型弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的类相变特征研究

以西部弱胶结粗粒砂岩为研究对象,采用细观测试、力学测试、声发射监测和理论分析等研究方法,获得了弱胶结粗粒砂岩细观结构形态和矿物成分,分析了弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的声发射信号频率组合模式。研究表明:弱胶结粗粒砂岩在细观结构上是以颗粒物质、胶结物质及孔隙胶结而成的颗粒胶结体系,颗粒接触特性和矿物成分是其物理现象与力学机制发生的内因;在应力峰值前,声发射信号的峰频频段3(31.25～46.875 kHz)占比先迅速减小,后趋于平稳,而频段10(140.625～156.25 kHz)占比先增加,后趋于稳定,存在低频信号向高频转化的现象;弱胶结粗粒砂岩在单轴压缩破坏过程中存在"类相变"临界状态,即弱胶结粗粒砂岩细观结构上的颗粒接触状态由连续接触状态转变为离散状态的类相变过程;且弱胶结粗粒砂岩达到某一应变状态时,试件对振动或者扰动异常敏感,微小的应变Δε极易导致弱胶结粗粒砂岩达到类相变状态。     

单轴压缩下含水砂岩强度损伤及声发射特征

宁东煤田主采煤层顶板广泛分布含水砂岩,该层砂岩受采动影响易于变形失稳。通过实验室试验,定量分析了含水砂岩组分,研究了其烘干、吸水随时间变化规律。研究发现该含水砂岩富含黏土矿物,砂岩分别烘干和浸水6h后含水率变化趋于稳定,且随着含水率增加该砂岩单轴抗压强度和弹性模量呈指数函数减小。声发射试验结果表明：干燥状态下,含水砂岩声发射计数峰值与应力峰值相对应,而随着含水率增加,声发射计数峰值较应力峰值位置滞后,呈现出“延迟”特征,并据此提出了预测预报该类砂岩顶板稳定的技术思路。     

人工砂岩材料力学特性及声发射特性试验研究

岩石颗粒粒径及胶结物是影响岩石力学性质和行为的重要因素。天然岩石的内部颗粒粒径大小及胶结物含量随机性强，为此制作了3种不同颗粒粒径及3种不同胶结物含量的人工砂岩，研究了颗粒粒径大小及胶结物含量对岩石力学特征及声发射行为的影响。研究表明：相同胶结物含量条件下，粗粒径(0.425～0.850 mm)人工砂岩试件的声波波速和单轴抗压强度最大；随着颗粒粒径的增大，试件裂纹扩展阶段缩短，在试样峰值强度点附近的声发射能和事件数呈增加趋势；相同颗粒粒径条件下，随着胶结物含量的增加，试件的单轴抗压强度降低，峰值强度点附近的声发射事件数也减少，声发射关联维数D的最低值所对应的应力百分比值下降。声发射关联维数D值与强度呈线性关系。     

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。     

高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征

为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测,而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:①高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,经历温度越高压密和屈服阶段越明显,峰值后应力跌落速度有所减缓;②高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低,在100和500℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100～400℃高温,高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25℃煤样比较,经历100,200,300,400和500℃高温后,煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%,抗压强度平均降幅依次为47.88%,49.99%,56.24%,56.91%和87.57%;③高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息,在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系,不同高温后煤样的声发射特征存在差异,声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生,声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点,且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前,而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征,其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低,累计能量随温度变化具有波动性;⑤高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系,抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100～500℃高温作用后煤样结构发生了变化,煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加,煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。     

漳村煤矿两种尺度煤样单轴压缩声发射特征的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统,对潞安漳村煤矿3号煤层两种尺度煤样进行单轴压缩声发射试验。标准煤样为50 mm×100 mm,大煤样为155 mm×155 mm×125 mm,两种尺度煤样含有原始节理,裂隙等缺陷存在差异,表现出单轴压缩试验过程的变形、强度和声发射参数有所不同。试验结果表明：大煤样单轴压缩试验过程的变形、强度参数明显低于标准煤样,单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的降幅依次19.7%,35.7%和55.4%;两种尺度煤样单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,4个阶段均产生不同强度和数量的声发射事件,于此对应可分为平静期、过渡期、活跃期和衰减期,活跃期可作为煤体破坏前兆信息;大煤样产生声发射事件的强度和数量明显高于标准煤样,瞬时最大能量、累计能量分别提高16.6倍和6.4倍;瞬时最大计数、累计计数分别提高11.1倍和8.1倍;瞬时峰值计数和累计峰值分别提高7.4倍和6.6倍;标准煤样的声发射特征值作为煤与瓦斯突出及冲击地压等煤岩动力灾害预测、预报偏于保守,采用大煤样的声发射特征值更加合理。     

干湿循环作用下弱胶结砂岩声发射特征及其细观劣化机理

针对弱胶结砂岩遇水软化和泥化现象,采用饱水实验、QEMSCAN扫描电镜以及声发射试验,对不同干湿循环次数作用下弱胶结砂岩的物理力学性质及其细观结构特征变化进行了探讨。研究表明:弱胶结砂岩遇水软化宏观特性分为4类,其宏观特性的差异主要取决于弱胶结砂岩细观颗粒胶结方式、胶结物成分和含量相关等细观参数;弱胶结砂岩遇水软化细观特征,一方面在饱水过程中胶结物溶蚀逐渐减少、颗粒自身膨胀产生细粒碎屑,另一方面饱水过程中导致岩样内部次生孔隙率增大;随着干湿循环次数的增加AE事件计数率与能量释放率也不断的降低,主要是干湿循环次数增加,砂岩内部骨架颗粒与胶结物质均得到不同程度的软化,颗粒胶结性能变差,裂纹发展速度较缓,规模较小,释放的能量较小,因此,随着干湿循环作用增加砂岩破坏时出现较低的试件计数率和能量释放率,反映出干湿循环次数增加后应力扰动敏感性降低进而导致破坏程度降低,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

砂岩变形率与水理效应的力学特性研究

通过不同变形加载速率下干燥和饱水岩样的单轴压缩试验,研究了砂岩抗压强度、 弹性模量、峰后应变和声发射特性的变形率效应和水理效应,定义力学参数的强化和弱化 因子,建立考虑砂岩变形率和水理效应的一维本构模型并进行验证。 结果表明:① 干燥砂 岩的应力-应变曲线包括弹性、弱塑性和破裂三个阶段,饱水砂岩则出现较长压实阶段,同 时弹性阶段缩短,塑性阶段增长。 ② 加载速率对干燥和饱水砂岩的抗压强度均具有强化作 用,抗压强度的率效应强化因子随加载速率的增大而增大;水对砂岩抗压强度具有弱化作 用,且水理效应弱化因子随加载速率的增大而增大;随着加载速率的增大,干燥和饱水砂岩 抗压强度的差值逐渐减小。 ③ 加载速率对干燥和饱水砂岩的弹性模量均具有强化作用,且 随加载速率呈线性增大趋势;水对砂岩弹性模量具有弱化作用,不同加载速率下砂岩弹模 的弱化因子变化不大。 ④ 加载速率对砂岩峰后应变的影响较小,饱水砂岩的峰后应变远大 于干燥砂岩,峰后应变的水理强化因子对加载速率不敏感。 ⑤ 砂岩的声发射信号随着加载 速率的增大而增多;相对于干燥砂岩,饱水砂岩的声发射能量累积速度明显推迟,但能量累 积的总量增大3~5 倍。     

不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究

为研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生的机理,从细观角度对三交河煤矿、屯留煤矿、平煤十矿煤样原生孔隙和裂隙等参量进行分析,选取平煤十矿煤样作为力学试验研究对象,采用自主研发的含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,利用DS-5型全信息声发射信号分析仪,分析其在不同瓦斯压力条件下力学性质和声发射特征,并对声发射的计数、累计计数、能量、累计能量等在不同瓦斯压力下的演化规律进行了对比分析。结果表明:随着瓦斯压力的增大(0~2 MPa),煤样的峰值强度和弹性模量呈降低趋势,泊松比呈升高趋势,其抗压强度下降22.61%,弹性模量下降23.97%,泊松比增加33.67%;不同瓦斯压力下煤样受载破坏过程中的声发射都经历了平静期、活跃期、提速运动期、残余运动期4个阶段,且煤样的声发射累计计数和累计能量随着瓦斯压力的增加而降低,其声发射累计计数减小了32%,累计能量降低了25.32%。研究成果有利于发现煤岩体破坏的细观机理,为找到煤岩体破坏失稳预测预报方法和指标提供了依据。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式——以陕西小纪汗煤矿砂岩为例

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明:对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长(至峰值),峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

浸水次数影响下裂隙砂岩强度损伤及声发射特征

循环浸水能够造成工程岩体结构及其力学性质的弱化,对工程岩体的稳定性产生一定影响。为探讨在反复浸水影响下裂隙砂岩强度损伤特征,采用无损浸水试验装置制取浸水0,1,2和3次的标准砂岩岩样和预制裂隙砂岩岩样,研究了其强度损伤及声发射特征。研究结果表明:随着浸水次数增加,砂岩单轴抗压强度和弹性模量减小,而对其破坏形式无显著影响;不同浸水次数影响下的裂隙砂岩全应力-应变曲线均呈现裂隙压密、弹性变形、塑性变形和峰后4个阶段;声发射计数频率和范围随浸水次数增加而减小;标准砂岩起裂位置在试样中部,裂隙砂岩起裂位置在预制裂隙上下端附近;浸水次数越多,声发射定位数量越少,预制裂隙附近损伤越大,在荷载作用下周围产生次生裂隙。研究成果对岩土工程中涉及的反复浸水问题的研究提供了有益参考。     

不同含水状态砂岩三轴压缩声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验机对不同含水状态下的砂岩进行了三轴压缩声发射试验,得到自然状态及饱水状态下砂岩的应力-应变曲线、声发射振铃计数率、能量及振幅分布曲线。试验结果表明,在水的影响下砂岩的力学特性和声发射特征都有较大变化:饱水状态岩样的平均峰值强度为自然状态岩样的84.4%,且在试验过程中整体变形及弹性模量都较小;在岩样三轴压缩的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率、能量及振幅值均比自然状态岩样小;对比饱水岩样和自然岩样的宏观破裂时间及声发射信号最大值出现的时间,饱水状态岩样都存在"滞后"现象;此外,两种含水状态下岩样的声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍"滞后"于砂岩宏观破坏时刻。研究结果对含水岩层工程设计及施工具有指导意义。     

不同层理方向煤岩单轴压缩声发射特征试验

为了研究不同层理方向的煤岩体变形破坏规律及声发射特性,选取同忻煤矿3-5#煤作为研究对象,对垂直层理和平行层理2种煤样进行单轴压缩下的声发射监测试验,分析二者在强度、变形特性、声发射计数、累计计数,能量以及累计能量特征方面的差异。结果表明:二者的破坏类型不同,垂直层理煤样呈现出崩解破坏的特性,而平行层理煤样以塑性破坏为主;平行层理煤样相较垂直层理煤样,其单轴抗压强度、弹性模量、变形模量以及极限应变均呈一定程度的降低;二者的应力-应变曲线很好地与声发射计数-时间曲线、能量-时间曲线相对应,瞬时计数峰值或瞬时能量峰值可作为煤岩破坏的前兆;2种煤样声发射特征值虽具有一定的离散性,但可以认为平行层理煤样累积能量更大,计数、累计计数和能量相对更低。     

加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究

天然岩石含多种原生缺陷,受工程扰动影响易促使载荷速率发生变化,为确保岩体工程的稳定性,需对加载速率及裂隙影响下的岩石力学特性进行研究。以均质细砂岩试样为研究对象,试样中央预制0°～90°贯通裂隙,通过单轴压缩试验和声发射试验研究加载速率影响下的裂隙砂岩力学性质变化规律。结果表明:相同裂隙倾角下,试样的抗压强度、峰值应变以及弹性模量均与加载速率呈正相关关系;加载速率对岩石力学性质的强化效应具有区间性,低数量级时加载速率的作用程度明显高于高数量级时。砂岩试样的力学性质受控于裂隙倾角α,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减小,并在α=15°时达到最低值。声发射计数特征能够准确反映砂岩试样的破坏过程,岩石加载过程中,声发射计数经历"剧烈-平静-剧烈"的过程,且随着加载速率的增加,加载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声发射事件数降低。