Fractal property of spatial distribution of acoustic emissions during the failure process of bedded rock salt

A rock mechanics test system and the acoustic emission (AE) test system were employed to perform experiments on bedded rock salt samples under uniaxial compression and indirect tension. Based on the basic theory of fractal geometry, a column covering method is proposed to analyze the fractal property of the spatial distribution of acoustic emissions during the rock damage and failure process. The experimental results indicate obvious differences in failure features for different parts of a sample due to the structural differences in bedded rock salt. The consistency between the failure state and the AE spatial distribution is confirmed. The relationships of the stress and energy release with the fractal dimension of the AE spatial distribution are established. An increase in the fractal dimension corresponds to a decrease in the stress and an increase in the energy release, which is consistent with the theoretical analysis. When the fractal dimension obtained from uniaxial compression and indirect tensile tests is less than 2.20 and 2.57, respectively, the stresses in the bedded rock salt sample are over 80% of the peak stress. A great amount of accumulated damage occurs, leading to the global failure of the bedded rock salt sample. Therefore, it is possible to forecast the failure state of bedded rock salt by inspecting the variation between the stress or the energy release and the fractal dimension of the AE spatial distribution.     

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。     

Experimental investigations on effects of gas pressure on mechanical behaviors and failure characteristic of coals

The mechanical behavior of coal is the key factor affecting underground coal mining and coalbed methane extraction. In this study, triaxial compression and seepage tests were carried out on coal at different gas pressures. The mechanical properties and failure process of coal were studied, as well as the acoustic emission (AE) and strain energy. The influence of gas pressure on the mechanical parameters of this coal was analyzed. Based on the conventional energy calculation formula, the pore pressure was introduced through the effective stress formula, and each energy component of coal containing gas was refined innovatively. The contribution of gas pressure to the total energy input and dissipation during loading was quantitatively described. Finally, the influence of gas pressure on coal strength was theoretically analyzed from the perspectives of Mohr–Coulomb criterion and fracture mechanics. The results show that the total absorbed energy comprises the absorbed energy in the axial pressure direction (positive) and in the confining pressure direction (negative), as well as that induced by the pore pressure (initially negative and then positive). The absorbed energy in the axial pressure direction accounts for the main proportion of the total energy absorbed by coal. The quiet period of AE in the initial stage shortens, and AE activity increases during the pre-peak stage under high gas pressure. The fractal characteristics of AE in three stages are studied using the correlation dimension. The AE process has different forms of self-similarity in various deformation stages.     

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

基于表面分形特征的煤岩冲击倾向性评价

对于煤岩体冲击倾向性的评价,目前主要采用煤的冲击能量指数K_E,弹性能量指数W_ET和动态破坏时间D_t三种指标。由于煤岩体的孔隙越发育(也就是孔隙率大、孔隙数量多、结构复杂等),则一般情况下其宏观力学强度就越低,岩体内积聚的能量容易通过塑性变形或破裂消耗掉,冲击倾向性就越低;同时,通过研究煤岩扫描电镜(SEM)图像,计算其孔隙特征参数和分形维数,发现煤岩体具有良好的分形特征,并且孔隙发育程度可以很好地被分形维数所描述,因此引入分形维数D_f来描述煤岩冲击倾向性是合适的,一般来说分形维数越大则冲击倾向性越小。     

动载作用下煤体损伤特性的电磁显现特征

电磁是煤岩动力灾害预测的重要手段,掌握电磁信号特征与煤体损伤程度间的关系是灾害预测的关键。通过原煤SHPB试验及瞬变电磁监测,分析煤体冲击破裂过程中的电磁信号(0~3 k Hz频段)特征,从破裂耗能及破碎程度两方面分析试件损伤特性,并探求电磁信号特征(幅值、能量)与煤体破裂损伤特性间的关系,研究发现:(1)分形维数与最终破裂程度规律相似,利用分形维数来定量评价煤体破裂程度是可行的;(2)煤岩冲击破裂电磁信号呈瞬时脉冲状,持续时间仅为微秒级,信号幅值及能量总体随着破碎程度的增大而增大;(3)煤岩冲击破裂电磁信号的幅值及能量与其损伤程度(分形维数)符合较好的线性关系,利用电磁信号特征监测煤岩损伤程度是可行的;(4)受煤岩材料固有缺陷的不确定性及共振破坏现象的影响,煤岩的损伤程度与冲击耗散能间的相关性较弱。研究成果对于利用电磁信号特征评价煤体损伤程度进而预测动力灾害的发生具有重要意义。     

煤体爆破破碎分维评价方法的研究

 提出了煤体爆破破碎分维评价方法和分维比概念, 考虑了煤体原始结构特征对煤体爆破破碎效果的影响。通过主因素分析, 明确了爆破参数与分形维数、分维比的相关关系以及影响的显著性大小, 探讨了不同分维和分维比的表征含义。在单自由面深孔煤体爆破的条件下, 爆破块度相似分维与分维比体现了顶煤预爆破破裂裂隙的整体分布, 可作为定量评价爆破方案的主要指标, 表面裂隙分维测量计算简易, 是煤体内部裂隙的外在表现, 可作为初步评价爆破方案的定量指标。应用煤体爆破破碎分维评价方法对大同矿务局忻州窑矿坚硬顶煤进行了预爆破研究, 取得了很好的经济效益。     

单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究

层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。     

岩石显微空隙粒度分布的分形特征与岩石强度的关系

研究了大同燕子山煤层顶板岩石的显微空隙,粒度分布的分形特征及其与岩石强度的关系,显微镜下的统计分析与岩石力学实验表明,岩石的显微空隙与粒度分布都是自然界的分形,可用分维定量描述其复杂程度,同时,它们又都是影响岩石强度的重要因素,其分形维数与岩石强度具有显著的相关性,可据之估计岩石强度。     

岩石破坏声发射强度分形特征研究

通过对岩石单轴受压破坏全过程的声发射实验,建立了岩石破坏声发射强度分维模型,研究了岩石破坏全过程各个应力水平声发射分形特征以及分形维值随实验时间的变化规律。研究结果表明:加载初期岩石试件声发射强度分形维值变化不稳定,分形维值的大小变化有反复,但从分形维值总的变化趋势来看,这一阶段的分形维值还是处于较大水平;加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性,其值逐渐由大变小,试件破坏前的分形维值最小。由于实际应用中最小分形维值点(临界值点)难以确定,故提出将岩石破坏前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破坏的前兆特征,从而对利用声发射参数进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。     

基于损伤能量耗散的岩体块度分布预测

提出一整套岩体块度分布预测方法。首先，根据岩石分形断裂切割岩块的块度形成机制，利用能量守恒关系，建立损伤–能量–碎块尺寸理论关系式。为方便应用，将该式简化。然后，根据块度分布的自相似性，将岩石块度分布特性应用于岩体块度分布预测。提出适合工程应用的损伤模型建立方法，并针对岩体块度分布的特点，定义岩体裂隙损伤参数。作为实例，计算金川节理岩体的块度分布。该研究对于自然崩落法采矿岩体块度分布预测具有重要意义。     

声发射测量地应力综合分析方法与实验验证

通过岩石声发射试验测量地应力需要确定声发射某个参数或参数累计的试验曲线的拐点,即Kaiser效应点,针对作图法难以精确确定试验曲线拐点的难题,提出了声发射试验测量地应力的一种综合分析方法,即首先通过作图法求取试验曲线的拐点作为近似的Kaiser效应点,其次采用G-P算法计算声发射能量关联分形维数,将近似的Kaiser效应点邻近的能量关联分形维数最小点确定为最终Kaiser效应点,对应的应力值即为试验中试件加载方向的原岩应力值。为了验证该综合方法的有效性,进行了现场套孔应力解除试验,得到了试件加载方向的实测应力值,共进行了11个试件的岩石声发射试验,试验结果表明：综合分析方法得到的地应力值精度明显高于作图法,可作为岩石声发射测量地应力试验的一种新的分析方法。     

不同应力路径下含瓦斯煤岩渗流特性与声发射特征实验研究

 对含瓦斯煤岩进行常规三轴路径和卸围压路径的渗流特性与声发射特征实验,研究2种路径下煤岩失稳破坏过程中渗流特性和声发射特征的差异。结果表明：常规三轴路径和卸围压路径下含瓦斯煤岩的应力、瓦斯流量与声发射信号均具有较好的相关性,2种路径下含瓦斯煤岩的流量曲线具有相似的变化规律,常规三轴路径下瓦斯流动困难点存在滞后性,卸围压路径下瓦斯流动困难点与卸围压起始点相对应。与常规三轴路径相比,卸围压路径下含瓦斯煤岩失稳破坏过程中产生的累积损伤要大,从卸围压起始点开始声发射累积振铃数曲线斜率明显增大,且在失稳破坏点出现了急剧增大的拐点。2种路径下含瓦斯煤岩的声发射幅值曲线变化规律不同,与常规三轴路径相比,卸围压路径下含瓦斯煤岩的声发射幅值曲线呈现出以卸围压起始点为界的双峰状态。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

不同含水率泥质粉砂岩破裂声发射特性试验研究

以干燥、自然和饱和含水3种典型状态的泥质粉砂岩为研究对象,进行单轴压缩破坏全程声发射检测试验,研究了3种状态下岩石破裂的力学和声发射特性的不同。研究结果表明:含水使得泥质粉砂岩软化,且峰值应力和弹性模量均随含水率的增加而减小,变形特征由脆性逐渐向延性转化;声发射累计事件数、声发射事件率峰值、声发射累计绝对能量、声发射绝对能率峰值等声发射参数均随含水率的增加而减少,即含水使得泥质粉砂岩损伤破裂程度减小,破裂全程能量释放水平降低;根据试验所得声发射累计事件数和累计绝对能量随时间变化曲线,得出含水率使得泥质粉砂岩由“突发型”的脆性破坏向“平稳型”的延性破坏过渡。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

基于声发射能量分析的煤与瓦斯突出前兆特征试验研究

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中最严重的动力灾害,其突出机制不清制约了灾害预警的可靠性和有效性。采用声发射监测技术,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出模拟试验装置,结合DS5系列全信息声发射信号分析测试系统,开展深部矿井不同埋深下煤与瓦斯突出相似模拟试验,分析煤与瓦斯突出能量演化过程,建立声发射参数特征与煤与瓦斯突出前兆信息关系指标。研究结果表明:(1)煤与瓦斯突出过程经历了孕育前期、孕育后期、激发–发展和终止4个阶段,突出过程中声发射能量信号经历了"平稳→升高→峰值"的演化过程,表明煤与瓦斯突出是一个煤体破坏和能量积累的力学过程。(2)在突出孕育前期AE能量处于较低水平,累计AE能量上升平稳,低能级频次占主导地位,突出危险性较弱;孕育后期AE能量大幅度增加,累计AE能量上升加快,高能级频次占主导地位,突出危险性较强。突出孕育不同时期AE能量信号的差异性可作为突出前兆信息,用于实时监测煤岩内部破裂动态变化情况,对突出预测、预警具有指导意义。(3)从声发射能量角度定义了反映煤与瓦斯突出孕育阶段危险性强弱的量化指标,为深部开采煤与瓦斯突出动力灾害预测预警提供科学参考。     

砂岩渗透性能微观图像分形分析

砂岩渗透性能一般都通过实验室或野外试验测试确定。本文基于岩石微观空隙分形特点．确立了岩石渗透率与分形维数的定量关系,实现了直接利用岩芯电镜扫描微观图像分形技术测定岩石宏观渗透性能的目标。为了精确统计SEM图像中不规则孔的面积、周长、半径、个数等参数,解决获取切片孔喉分形维数这一难题,应用Imagepro plus专业图像软件处理扫描电镜切片图像。将岩石渗透率理论值与实验室渗透率测定结果对比,结果表明：宏观渗透率与微观分形参数D的理论关系式成立,具有工程应用推广价值。