基于声发射活动参数的岩石破裂过程应力阈值确定

在实验室应用声发射监测系统,对25块花岗岩样进行单轴压缩实验.通过连续实时监测花岗岩样破裂全过程中事件率、累计能量、能率、持续时间和振幅等声发射源特征参数的变化规律,获得岩样破裂过程各加载阶段的应力阈值.将岩石试件破裂全过程中各个阶段的应力阈值与峰值强度进行比较,并与以往实验结果对比,发现岩石变形特性和裂纹演化规律具有统一性.     

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.     

石灰岩声发射频谱特性演化及破裂阶段识别

为获得石灰岩受压破裂阶段声发射识别信息,开展石灰岩单轴压缩声发射试验,获得加载全过程的声发射特征参数及其波形信息,首先结合石灰岩应力与累积能量走势的特征选取 5 个岩石加载破坏过程中的关键点。通过频谱分析与小波包分析,找到石灰岩声发射频谱特征变化规律,获得适合的破裂阶段识别信息;其次利用小波包分解所提取的频带能量占比训练 BP 神经网络,为岩石破裂阶段预警提供双 重保证。研究结果表明：主频值整体呈现先上升后下降的趋势,频谱宽度变化为 200 kHz-300 kHz-200 kHz,频率由单一低频转化为低高频并存后又恢复单一低频;低频高幅为频谱特征的一种主要形态存在;小波包分解将信号频率分为 8 个频段,可将 1、2 低频段之和小于 30%的信号作为特征点,进行岩石破裂预测;以该特征点为界将石灰岩声发射信号划分为两类,训练后的 BP 神经网络能够实现这两类信号的快速准确识别与分类,对于预测岩石破裂阶段有一定价值。     

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。     

岩石破裂过程中声发射模式的数值模拟

利用数值模拟软件RFPA2D对在单轴压缩加载条件下3种不同均质度的岩石试件破裂过程进行了模拟研究,讨论了整个破坏过程中的声发射时间序列和空间分布规律以及相关的震源特征和前兆异常等·实验结果表明,随着均质度的增加,岩石在主破裂之前非线性逐渐减弱而脆性逐渐增强·3个岩石试件的声发射规律分别表现出群震型、前震主震余震型和主震型3种模式,结果和地震观测到的地震模式有很好的一致性     

英安岩三轴压缩试验力学特征及声发射特征研究

为研究英安岩的岩石力学特性及破裂损伤全过程中的声发射特征,通过MTS815伺服试验与PAC型声发射系统结合,对英安岩进行单轴压缩和常规三轴压缩声发射试验。试验表明:(1)英安岩单轴压缩和低围压下稳定破裂发展阶段具有"折线型"特点,临近破坏前,荷载值稍有停顿,然后继续上升,随即迅速大幅度下降,应力-时间曲线此刻的折线点(主破裂)对应监测的声发射(acoustic emission,AE)事件突出;高围压下曲线光滑,AE事件在累进性破坏阶段监测较集中。(2)随围压增大,英安岩物理力学参数也增大,监测的声发射AE事件也相应滞后出现,由张性破坏(竖向破裂)转变为剪切破坏。(3)英安岩有残余强度的在峰值后声发射活动持续,AE事件变化幅度小。无残余强度的声发射活动主要在峰值强度前,峰后无或微弱。(4)AE事件-时间、AE累计事件-时间曲线,以及岩石的应力-时间曲线三者结合,更好地反映出英安岩破坏全过程特点。     

英安岩破坏过程声发射特征研究

为研究英安岩的岩石力学特性及破裂损伤全过程中的声发射特征,通过MTS815伺服试验与PAC型声发射系统结合,对英安岩进行单轴压缩和常规三轴压缩声发射试验。试验表明：（1）英安岩单轴压缩和低围压下稳定破裂发展阶段具有“折线型”特点,临近破坏前,荷载值稍有停顿,然后继续上升,随即迅速大幅度下降,应力-时间曲线此刻的折线点（主破裂）对应监测的AE事件突出;高围压下曲线光滑,AE事件在累进性破坏阶段监测较集中。（2）随围压增大,英安岩物理力学参数也增大,监测的声发射AE事件也相应滞后出现,由张性破坏（竖向破裂）转变为剪切破坏。（3）英安岩有残余强度的在峰值后声发射活动持续,AE事件变化幅度小。无残余强度的声发射活动主要在峰值强度前,峰后无或微弱。（4）AE事件-时间、AE累计事件-时间曲线,以及岩石的应力-时间曲线三者结合,更好的反应出英安岩破坏全过程特点。     

煤岩单轴压缩声发射试验分形特征分析

针对有效预测煤岩破裂引起的动力灾害的难题,运用分形理论建立了声发射参数分形维数计算模型,对冲击倾向性煤岩单轴压缩声发射试验信号分形特征进行了研究. 结果表明:随试件的加载进程,声发射能量计盒维数逐步上升,破坏前上升到最高;关联维数降低,试件破坏前下降到最低;Gauss Amp方程能较好地描述煤岩在单轴压缩荷载作用下声发射能量关联维数随荷载的变化规律;可将声发射能量关联维数的持续降低作为煤岩失稳破坏的前兆.      

永川煤矿T3xj4砂岩声发射特性及Felicity效应研究

在单轴和循环加载条件下对永川煤矿砂岩损伤破坏全过程的声发射特性进行了系统研究,结果表明:砂岩声发射类型与MOGI-I相似,应力应变全过程曲线对应的Kaiser点、屈服点及峰值点处声发射信号明显;随着循环加载水平的增加,不同轴向应力和轴向应变阶段对应的Felicity效应比值越来越小,反映了岩石损伤程度的增加。     

煤岩三轴压缩损伤破坏声发射特征

在对MTS815岩石伺服试验系统通讯传输接口进行改造的基础上,实现了将检波器置于三轴室内的三轴压缩声发射试验,克服了检波器置于三轴室外壁无法监测到全面可靠声发射信号的弊端.煤岩三轴压缩声发射试验结果表明,与单轴压缩相比,围压增强了煤岩的整体性及刚度,使压密阶段声发射活动明显减弱.声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍滞后于煤岩宏观破坏时刻,说明围压不但提高了其峰值强度,而且由于围压使煤岩内部裂隙的错动滑移受到抑制,提高了其峰后承载能力.振幅反映声发射的强度,三轴压缩条件下,轴向加载初期声发射振幅较小,宏观破裂前后出现大量高振幅声发射事件,残余塑性阶段仍然有较多振幅较大的声发射事件产生.声发射撞击计数率表征裂纹扩展的次数及速率,三轴压缩声发射撞击计数试验结果表明,弹塑性阶段是煤岩裂隙萌生扩展的主要阶段.岩石三轴压缩破坏声发射特征对于深刻理解矿山井下岩体破坏机理及采用微震监测技术预防相关动力灾害事故具有重要的理论及实际指导意义.     

砼-岩一体两介质破裂过程中声发射特征试验

研究砼-岩一体两介质在受载条件下的声发射特征,可为预测该类型材料的破裂失稳提供科学依据。为此开展了砼、岩石、砼-岩一体两介质在单轴压缩条件下的声发射特征研究。结果表明:砼-岩一体两介质的能量计数曲线在破裂演化过程中呈现双峰值,峰值1的声发射特征可作为岩石材料失稳的预判;声发射事件的时空演化规律表明砼-岩一体两介质的非稳定破裂发展先从砼材料开始,而后通过砼-岩胶结面诱导岩石材料发生失稳破坏;声发射空间定位聚类结果表明砼材料先发生剪切失稳,而后通过失稳过程中所释放出的断裂动能以及骨料的应力集中,诱导岩石材料发生劈裂破坏。     

岩石单轴压缩Kaiser效应的试验研究

岩石材料在压缩过程中能量释放将产生大量的声发射现象。本文基于Kaiser效应理论及Kaiser点的确定方法,运用单轴压缩试验研究分析了岩石试件的Kaiser效应,结果表明：当岩石压应力达到或超过先期加载应力水平时,将首次出现大量的声发射事件,此处应力水平点即为Kaiser点,采用声发射确定的Kaiser效应点应力值比真实值大8%-8.7%。这表明,Kaiser效应法是一种简单、直观、经济的地应力测定方法。     

三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性

在MTS815.02岩石力学试验系统上进行了煤的单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作用下全应力应变试验及声发射检测.结果表明:煤的三轴强度、残余强度随围压增高而增大,随孔隙水压增高而降低;在低围压试验范围内,煤的弹性模量不随围压变化.煤在不同试验条件下呈现的声发射特征有显著差异性:单轴试验时各个阶段均有声发射事件产生,三轴及孔隙水试验条件下煤样屈服之前声发射事件较少,而屈服之后声发射趋于活跃;单轴试验时煤的声发射能量最大,随孔隙水压增大,煤样变形过程释放的声发射能量逐渐减小.     

低温钢纤维混凝土破坏过程的数值模拟

通过实验测试了钢纤维混凝土在低温下的力学性能,发现其抗拉和抗压强度随温度降低逐渐升高.运用RMT-150B型岩石力学试验系统对钢纤维混凝土圆柱型试样进行了单轴压缩分析,发现低温下钢纤维混凝土应力应变曲线可分为弹性阶段,裂缝稳态扩展阶段,裂缝失稳扩展阶段和破坏阶段.将混凝土看成是细观上的各向异性非均匀准脆性材料, 运用RFPA2D数值分析软件对钢纤维混凝土单轴压缩全过程进行了数值模拟,模拟得到的承载力随温度降低逐渐增大,均质度好的试件声发射较为集中,声发射能量随温度降低不断提高,体现了低温下钢纤维混凝土的脆性特征.     

不同应力路径对岩石声发射Kaiser效应的影响

为了解在循环加载过程中使用不同应力路径岩石声发射Kaiser效应的特征,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)对三种不同应力路径下岩石试样的声发射特征进行了数值计算.在循环加载中采用不同的应力路径对试样加载,在二次加载过程中仍能观测到清晰的Kaiser效应,但是KF值却与先前的最大应力值有较大差别.研究结果表明,岩石Kaiser记忆的真实内容不是先前所受的最大应力,而是岩石内部的损伤程度.使用从原岩中取样,在实验室做单轴压缩声发射实验观测KF值的方法测得的应力值与真实的原岩应力有较大的差别.这一结论对于进一步认识Kaiser效应的本质和用Kaiser效应准确的测定原岩应力有重要的作用.     

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。     

岩石与类岩石单轴压缩过程中力学及声发射特性对比研究

开展石灰岩、砂岩与类岩石的单轴压缩声发射实验,从力学参数、破坏形态及声发射时域参数、频谱特征等多角度对比分析其破裂过程的异同。研究结果表明：石灰岩、砂岩在达到峰值应力后瞬间破坏,为脆性破坏;而类岩石在峰值应力后依然有残余强度,为塑性破坏;前者在临近破坏前会出现标志破坏前兆的声发射低事件率缺失现象,后者不明显。岩石声发射事件率呈现前低后高特征,类岩石则为‘高-低-高’,相应的声发射能率表现出高度的一致性;不同变形阶段两者的声发射频带分布不同,反映出两者内部破裂演化的差异性。     

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.     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律,研究表明,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。     

花岗岩Kaiser效应的实验验证与分析

应用八通道的声发射系统,实验研究了10个花岗岩试样(150 mm×150 mm×150 mm)在单轴压缩循环荷载作用下的Kaiser效应,同时研究了保载、旋转(90°)加载和延时加载对Kaiser效应的影响.应用单纯形算法对声发射事件进行定位,研究裂纹扩展过程.结果表明:在初次加载条件下,声发射事件连续急剧产生,反映岩样本身的损伤程度;在岩样线弹性循环加载阶段,花岗岩表现出明显的Kaiser现象,同时表明岩石具有一定的受载记忆能力;声发射事件定位结果明显显示出裂纹的初始、扩展过程,与实际观察到的岩样破坏结果是一致的.同时发现保载、旋转(90°)加载和延时加载对Kaiser效应没有影响.但是,一...