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。     

周期扰动应力作用下弱胶结砂岩声发射特性试验研究

对周期扰动应力作用下的弱胶结砂岩损伤破坏全过程中的声发射振铃计数和峰值频率特征进行了试验研究。结果表明:施加周期扰动应力时,岩样的AE振铃计数水平明显降低,同时AE累积振铃计数曲线斜率降低,呈现近水平特征;当周期扰动应力作用结束后,继续加载,AE振铃计数水平又开始增强,同时AE累积振铃计数曲线斜率再次增大,表现出明显的Kaiser效应。周期扰动应力水平为19%时,40～50 kHz的AE峰频密度降低,10～20、90～100、145～155 kHz的峰频密度显著降低,甚至缺失;而周期扰动应力水平为43.8%时,10～20、40～50、90～100和145～155 kHz四个峰频密度同样出现降低现象,但几乎不会缺失。随着周期扰动应力水平的提高,其对岩样内部裂纹的产生、扩展的影响更为显著。     

砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统,对义马曹窑煤矿顶板砂岩进行单轴、常规三轴和三轴卸围压试验,加载同时进行声发射检测.试验结果表明,岩样压缩变形破坏过程中的声发射参数与加载方式有关.单轴压缩时,各个阶段均有不同程度的声发射事件,声发射事件较为强烈,累计计数和能量明显偏高;常规三轴压缩时,岩样屈服前声发射事件较少,屈服...     

不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识

研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性,可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源,是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验,得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律,分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征,获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征,并基于AE峰值频率的演化特征分析,给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明,随着弱胶结砂岩粒度的减小,其峰值强度增加,岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显,AE振铃计数的峰值呈现数量级增加,能量集聚效应更加明显,岩样的自蓄能能力更强,且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10～20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275～285 kHz),且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前,两个主频段(40～50,145～155 k Hz)累积计数最大; AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别...     

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。     

不同加载速率下砂岩巴西劈裂声发射试验研究

利用RMT-150C电液伺服刚性试验系统和PAC声发射信号采集系统,对典型砂岩在巴西劈裂条件下变形破坏全过程的声发射特征以及不同加载速率对其的影响进行研究.试验结果表明:声发射特征与各变形阶段其内部结构损伤信息的变化是相对应的,声发射参数可表征岩石拉伸破坏微观结构损伤和演化;随着加载速率的增大,AE振铃率和AE能量率都随之增大,峰值处释放的AE能量最大值呈递增趋势,而AE累积能量呈递减趋势,这可能与加载时间有关;砂岩的抗拉强度随加载速率的增大而增大,同步监测AE能量峰值亦随加载速率的提高呈上升趋势,不同加载速率下AE能量峰值的变化能够反映岩石的抗拉能力.     

不同加载速率下小纪汗煤矿煤样强度及声发射特征研究

利用材料力学试验机及声发射信号检测分析系统,对小纪汗煤矿煤样进行了不同加载速率下单轴压缩过程中的声发射试验,得到了煤样应力应变全过程的声发射特征曲线,分析了不同加载速率下煤样的强度极限、声发射能量及振铃计数等特征参数的变化规律。研究表明:随着加载速率的增加,煤样抗压强度和压缩率呈现先上升后降低的变化趋势,煤样声发射能量释放形式由孤震型向震群型转变,在低加载速率下岩样能量释放形式主要表现为孤震型,在较高加载速率下则主要表现为震群型;不同加载速率下煤样振铃计数变化趋势大致相同,都经历缓慢增加与快速增加阶段,且随着加载速率的提高,声发射累计振铃计数明显减少;单轴压缩时煤样的破坏表现为单剪及双剪破坏,煤样声发射三维定位图与破裂实物图吻合较好。     

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。     

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。     

单轴压缩条件下白云质灰岩声发射特性

采用完整性、均匀性都较好的白云质灰岩进行单轴压缩声发射试验,试验采用型号为TAW-2000B的数字控制式电液伺服试验机进行加载,采用型号为SDAES的数字声发射检测仪采集声发射信号。研究分析试验后的声发射数据,其结果表明,加载初期AE振铃计数值保持在200~300,然后减小处于稳定期,最后骤然增加出现最大值;AE能量计数值经历稳定阶段后突然增大;AE事件计数率加载初期出现突变现象,接着处于稳定期,加载后期突增并在应力达到岩石单轴抗压强度的80%~90%时出现最大值;岩石的损伤破坏过程中的声发射现象处于不同的状态,说明声发射技术可以用来监测岩石的损伤破坏。     

不同加载速率下煤体破坏声发射信号响应规律研究

为了研究加载速率对煤体破坏声发射信号的影响,开展了基于不同加载速率的煤体破坏声发射监测实验,分析了不同加载速率条件下声发射计数以及声发射累计计数变化规律,得到了不同加载速率下煤体失稳破坏的声发射前兆特征。同时研究了加载速率对声发射计数分布密度的影响。研究结果为利用声发射技术监测煤矿煤岩动力灾害发生提供了理论基础。     

不同层位砂岩单轴压缩过程中的声发射特征研究

利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,以余吾煤业3号煤层顶板不同层位的两组砂岩为研究对象,在单轴压缩条件下进行声发射实验。实验结果表明:A组砂岩达到峰值前的应力应变曲线近似于直线,达到峰值后直线迅速下降到零,B组砂岩的应力应变曲线先下凹再直线上升(斜率小于A组),达到峰值后,先保持一定承载力后才下降到零。初始压密阶段,两组岩样的声发射计数很少且能量很低;弹性阶段,A组砂岩的声发射事件略有增加,但能量、计数率和能率几乎为零,而B组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃;塑性阶段,A组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃,B组砂岩发生片帮,声发射参数跳跃式增大;峰后破坏阶段,达到应力峰值时,两组岩样的声发射计数、能量、计数率和能率都达到最大值,B组砂岩峰后还有一定地声发射事件发生。两组砂岩的声发射规律差异可为判断声发射源和监测预报何处岩石失稳破坏提供参考依据,对提前做好防护工作减少灾害发生和未来进一步研究具有一定意义。     

刀具侵入破岩声发射特性试验研究

在RMT-150C岩石力学实验平台上选用一字型与十字型刀具对花岗岩进行破岩实验,采用AEwin-USB型声发射监测系统收集破岩全过程的声信号,得到花岗岩全过程的声发射振铃计数、声发射能量特征参数。结果表明:一字型与十字型刀具下花岗岩声发射特征信号曲线与载荷—时间曲线都具有很好的对应性;十字型刀具作用下声发射特征信号强度明显大于一字型,且十字型刀具作用下花岗岩破碎更完全;综合对比分析破岩效率,发现十字型刀具较之一字型刀具破岩效果更好。     

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。     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了砂岩在单轴压缩条件下应力-应变全过程的声发射特征以及加载速率对其的影响。获得了岩石轴向应力与轴向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线,以及全应力-纵向应变过程曲线中4个阶段的声发射特征;在初始压密和弹性阶段,声发射撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;在应变硬化阶段,撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;在应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。由于岩石每个变形阶段具有不同的声发射特征,因此,可用声发射来表征岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。另外,随着加载速率的提高,岩石裂纹扩展速率会加快,损伤加大,从而产生更多的声发射;但峰值处释放能量的最大值呈递减趋势,产生强烈声发射的应变值变小。     

单轴加载作用下花岗闪长斑岩声发射特性与破坏前兆研究

准确判别岩石产生失稳破坏是当前研究的热点。本文通过花岗闪长斑岩试样单轴加载声发射试验，并分析其受载作用下失稳破坏全过程声发射的幅值、振铃计数率和b值变化特征可知：振铃计数率与b值的整体变化趋势具有高度相似性，均能反映岩石承载作用下其内部新裂缝的产生、发育、贯穿直至失稳破坏的变化规律。进一步发现，当加载应力达其峰值强度的 80%～90% 时，不仅振铃计数率进入大幅度反复振荡的非稳定期，而且声发射b值的峰后“断崖式”回落中出现“波动中值”，此现象可作为岩石失稳破坏前的判据。研究成果可为岩体变形破坏预测预警提供理论依据。     

深井中砂岩力学特性的声发射信号特征分析

试验得到了深井中砂岩的基本力学性质参数,同时监测声发射信号,分析得到振铃计数率与应力释放(应变能释放)水平成正比,且当中砂岩主破断发生时达到最大值。按照中砂岩变形过程中的声发射信号特征,将破坏前的中砂岩形变过程划分为A、B、C三个阶段:A阶段形态上凸,峰值水平约300次/s,对应了岩石应力应变关系中的原生裂隙压密阶段;B阶段的声发射信号强度比较均匀,平均约100次/s,与应力应变关系中的弹性阶段相对应;C阶段开始时的声发射信号强度即高于B阶段,至主破断发生时台阶式升高,中砂岩破断前的振铃计数率达到最大值700次/s,该阶段主要对应于应力应变关系中的塑性变形阶段。结合应力应变曲线与声发射信号图,得到中砂岩的kaiser点,即该中砂岩在现场位置所承受的历史最大压力约为47 MPa,有利于指导深部地下工程设计。     

不同加载速率下深部砂岩的声发射与破裂响应特征

为探究深部砂岩破裂演化特征与加载速率的相关性,开展了3种加载速率下的单轴压缩声发射监测试验,深入分析了加载速率对深部砂岩微破裂集聚成核机制和多类型破裂源演化特征的影响。研究结果表明,在不同加载速率下,深部砂岩的声发射参数(声发射计数与幅度)曲线的演化趋势具有一致性,随着加载速率的增加,声发射累计计数与累计幅度呈现减小的趋势;试样在不同加载速率下的时空演化特征具有一定的相似性,在不同的变形阶段,岩样内部多类型破裂源的占比不尽相同,在裂纹扩展阶段前,多类型破裂源占比情况受加载速率的影响较小,当岩样进入裂纹稳定扩展阶段后,随着加载速率的提高,剪切型破裂源占比趋于减小,张拉型与压缩型破裂源占比趋于增加;不同加载速率下岩样的声发射矩震级与频次关系均服从正态分布规律,声发射b值随着加载速率的增加逐渐减小,声发射矩震级中值随着加载速率的增加呈缓慢增加的趋势,加载速率可以增大试样内部破裂源的整体强度。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究#br#

通过RMT 150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明：当加载速率增大时,强度为148.89~202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52~94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。