帷幕体单轴压缩破裂声发射空间演化规律与分形特征研究

基于岩石破裂声发射事件空间定位技术和分形几何理论, 对以研山铁矿东帮砂砾卵石为骨料经胶结制作的帷幕体试块进行了单轴压缩试验研究, 探讨了不同含水率下帷幕体试块的强度特性、AE事件累积计数特点、声发射事件空间演化规律及分形特征。研究结果表明：帷幕体试块破裂受到卵石骨料等成分的空间分布非均匀性影响和内部存在的各级结合缝控制, 破裂空间分布呈现非均布向均布演化特征。一定的含水量可以提高帷幕体的强度; AE事件随应力增加逐渐活跃, 其空间分布逐渐由区域中心向外扩散, 渐呈均布趋势聚集于试件中部, 且AE事件大部分产生于应力峰值前; AE事件空间分布分形维数随应力变化表现为先升维后降维, 在峰值应力附近达到最大值, 然后出现分维突降现象。分形维数降低可以作为预测帷幕体失稳破坏的前兆。     

基于声发射定位的单轴受压帷幕体裂隙演化分析

利用RLW-3000伺服压力试验机和PCI-Ⅱ声发射三维定位实时监测系统对以研山铁矿东帮砂砾卵石制作的不同含水率的帷幕体试块进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合声发射空间定位、AE 撞击计数率对不同应力阶段帷幕体裂隙空间演化规律进行了分析。试验结果表明：帷幕体声发射事件空间定位在试块中分成上下2部分。在帷幕体的初始加载阶段,声发射事件定位位置为试块内部的应力集中位置;随着荷载的不断加大,声发射事件逐渐由区域中心向外扩散。声发射波的传播受水的影响,在养护条件下的帷幕体的声发射事件数最多,干燥条件下帷幕体的声发射事件数最少。随着含水率的增加,撞击计数率峰值出现得更早。研究结果对帷幕注浆破裂失稳机理研究有一定的意义,也可以为工程岩体稳定性提供理论依据。     

煤体破裂分形特征与声发射规律研究

探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键,开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计,获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性,含有夹矸或裂隙越多,煤体受载过程弹性区越短承载能力越低,破碎后完整性较高,峰后软化特征明显,煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2.08~2.60略高于岩石,碎块分形维数随峰值应力增加而升高,将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k),碎块密集度越小煤体分形维数越大,破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化,声发射累积量正比于分形维数,结合试验统计结果,深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系,并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式,研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。     

三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空演化规律

利用MTS815岩石力学实验系统,开展不同围压（3.2、9.6、16.0、22.4 MPa）下煤岩的三轴压缩声发射定位实验,研究煤岩破裂过程中AE(Acoustic Emission)时序特征、能量释放与空间演化规律。实验发现：静水围压阶段,AE信号主要产〖JP2〗生于中前期,声发射源主要是裂隙的压密、摩擦与滑移,其强弱与试件的原生裂隙、孔隙的发育程度密切相关;施加轴压阶段,煤岩声发射时空演化过程与应力应变曲线具有良好的对应关系,在产生初始损伤、屈服及破坏时,AE特征均会产生明显的突变。AE时序参数、能量释放与定位信息的综合分析表明,煤岩破坏前兆点的应力强度百分比为92%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。同时,实验揭示了煤岩破裂过程中声发射的围压效应,并发现AE时空定位演化较好地对应了破裂事件从单一到复杂、从无序到有序的演化过程。     

充填体单轴压缩峰后应力-应变曲线特征及声发射参数研究

低强度充填体在充填法开采中控制地压时可能处于峰后破坏阶段,其峰后应力-应变曲线特征及声发射参数与地压控制关系密切。以程潮铁矿灰砂比为1∶6的全尾砂胶结充填体为研究对象,开展了充填体单轴压缩及声发射监测试验,得到充填体单轴压缩下的应力-应变曲线及声发射参数,采用能率和声发射事件对峰后应力-应变曲线特征及破坏过程进行了分析。结果表明：充填体峰后应力-应变曲线斜率为负值,先逐渐减小,后逐渐增大,最后基本保持不变,根据峰后应力-应变曲线斜率变化趋势可将其划分为AB段、BC段及C以后段,其中AB段应力-应变曲线逐渐变陡,斜率逐渐减小,呈上凸型,充填体表面宏观裂纹不断增多,强度劣化加速,能率先急剧减小后快速增大,声发射事件定位点局部比较集中;BC段应力-应变曲线变缓,斜率逐渐增大,呈上凹型,剪切裂纹扩展、汇合形成宏观剪切面,破坏过程变缓,能率较高且逐渐下降,声发射事件定位点聚集呈带状分布;C以后段应力-应变曲线斜率基本不变,剪切面出现滑移,充填体残余结构支撑外部荷载,能率和声发射事件大幅下降;充填体峰后声发射参数能较好地反映其应力-应变曲线特征及破坏过程。     

红砂岩蠕变声发射分形特征

对红砂岩进行了蠕变声发射试验,以固定的时间窗口和固定的滑动步距,计算并分析了蠕变过程声发射幅值分形维数特征,试验结果表明：红砂岩等速蠕变阶段应变速率与蠕变应力呈指数关系。减速与等速蠕变阶段声发射幅值分形维数特征与蠕变应力的大小有关。当加载应力小于岩石长期强度时,由原生微裂纹被压密所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大而减小。当加载应力大于岩石长期强度时,由新生微裂纹萌生、汇集等过程所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大总体呈现增大的趋势。在加速蠕变阶段,声发射幅值分形维数持续减小直至破坏,该特征可作为红砂岩蠕变破坏的前兆特征。研究成果可为探索岩石蠕变破坏方法提供试验基础,具有一定的工程应用价值。     

不同冲击倾向性煤体声发射能量特征与时空演化规律研究

为了弄清声发射与冲击倾向性的关联性,对具有强、弱和无冲击倾向性的煤体开展单轴压缩下的声发射试验,分析了煤体的声发射能量特征与定位事件的时空演化规律。结果表明:强冲击倾向性煤体在受载前期和中期,声发射能率与总能量数均很低,临近峰值强度时开始急剧增长;弱、无冲击倾向性煤体声发射能量在整个阶段表现较活跃,尤其在受载的中后期,呈阶梯式逐步增长趋势;不同冲击倾向性煤体均在临近破坏时出现大量高能量声发射信号。声发射能率和总能量数趋于活跃可作为煤体破坏的前兆信息,随着冲击倾向性的增强,声发射能量趋于活跃越滞后。声发射空间定位演化结果直观反映了煤体内部声发射源位置与破裂发展状况,其空间分布与聚集位置可对应于煤体内部应力集中与宏观破坏区域;随着煤体冲击倾向性的增强、受载应力水平的增大,声发射定位事件数量逐步增加,临近峰值强度时,声发射定位事件急剧增长。声发射总能量数、定位事件数与冲击倾向性呈正相关关系,从一定程度上揭示了煤体积聚和释放弹性能的能力。     

基于小波去噪的充填体声发射序列分形特征研究

为了获取充填体在外荷载作用下声发射序列的分形特征,对灰砂比为1∶6的充填体试样进行单轴压缩声发射试验,并利用小波分析去除声发射信号中的噪声信息,在此基础上研究试样破坏各过程的声发射活动情况及其分形特征。研究表明未去噪的声发射特征参数的峰值会提前出现;随着相空间维数的增大,分形维数呈现出一种先增大后稳定的趋势;声发射序列的分形维数在应力接近峰值时骤减,此时试样出现主破裂。分形维数在试样失稳破坏前期呈现出波动到稳定的变化趋势,该特征为分形理论应用在充填采矿的安全监测提供依据。     

不同加载条件下的煤岩体压缩试验模拟研究

为研究不同加载条件下的煤岩破坏特征,采用离散元数值软件PFC建立了双轴压缩模型。选取颗粒间黏结颗粒模型,设定其接触关系,并利用伺服加载机制实现了不同围压下变速率双轴压缩数值模拟。对部分煤岩模拟试件破坏形态、微裂纹发育过程、应力-应变曲线以及声发射事件数进行研究,分析了围压与加载速率对试件破坏特征的影响。研究结果表明:围压越大,试件的轴向应力峰值越大;加载速率对试件的轴向应力峰值影响较弱;压缩过程中岩石试件内裂纹扩展主要经历平稳发展-急剧增加-平稳发展3个阶段,煤岩体损伤程度越高,声发射事件数越多。     

不同加卸载路径下岩石卸荷劣化特征及机制研究

为研究深部煤层底板卸荷劣化破坏机理,开展了轴压不变卸围压、加轴压卸围压、卸轴压卸围压不同加卸载应力路径下的假三轴力学试验,分析并拟合了不同应力路径下岩石弹性模量、广义泊松比与围压的变化关系;构建了岩石断裂力学模型,分析了不同加卸载路径下,分支裂纹端部应力集中程度;从偏应力、能量、声发射事件等方面剖析了卸荷过程中岩石力学参数劣化机制。研究表明：(1)不同轴压加载方式下岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度依次为加轴压>轴压保持不变>卸轴压;相同轴压不同围压卸载速率下,岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度与卸荷速率呈正相关变化。(2)围压卸荷过程中,轴向加载或保持不变的应力路径相比于轴向卸载的应力路径,岩石积聚的能量增长幅度较大;在围压卸载至一定程度时,内部闭合的微裂隙和原生裂隙重新被打开,用于裂纹扩展的能量迅速增加,泊松比和弹性模量变化比例明显增大,声发射事件振铃数呈现出非线性增长的特点。(3)不同加卸载路径下,偏应力是诱发岩石失稳破坏的根本原因,偏应力增长越快,岩石弹性模量劣化程度和泊松比变化程度越明显。工作面附近处于压剪破坏区偏应力相对较大,岩体劣化程度相对较为严重,这...     

三轴压缩下花岗岩声发射Kaiser点信号频段及分形特征

采用高、低两种频率的声发射(AE)通道,对花岗岩试件完成了1~30 MPa围压范围内的循环加卸载AE试验。首先根据应力-时间-计数准则确定了Kaiser点。然后运用小波包频段分解法与G-P算法,分别对Kaiser点及相邻点的频段能量分布特征与AE能量关联维数进行了研究。研究结果表明:两种频率通道中接收到的AE振铃计数特征主要区别为数值大小,但整体的变化趋势基本相同,故Kaiser点出现的位置也基本相同;在Kaiser点频段特征方面,围压对Kaiser点特征频段变化规律的影响不明显;轴向相对应力水平小于63.67%时,Kaiser点特征频段为频段0~62.5 k Hz和187.5~250 k Hz;轴向相对应力水平大于69.06%时,Kaiser点特征频段为62.5~125 k Hz;Kaiser点的AE能量关联维数均小于其相邻点。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪,对混合岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系;混合岩岩样每出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值将发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征;建立了混合岩体应变损伤演化模型,该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性到延性的转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

岩石试样声发射的加载体刚度效应

基于加载体刚度对岩石试样产生声发射率时间序列的影响，利用统计细观损伤力学对加载体和岩石试样组成的简单力学模型产生的声发射进行了理论分析，推出了具有围压作用的应力－应变全过程关系，并利用计算机对全过程进行了仿真模拟．结果表明，加载体刚度的变化通过影响岩石试样变形速率的方式来参与影响岩石试样声发射率的时间序列．理论结果和实验值吻合较好．     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

大尺寸试件在梯度应力作用下的岩爆孕育声发射特性

岩爆是地下深部岩体开挖过程中常见的一种地质灾害现象，而梯度应力是影响岩体岩爆孕育的主要因素之一。为探究梯度应力作用下的岩体岩爆孕育声发射特性，借助YB A型岩爆模拟试验装置对大尺寸试件进行不同梯度应力作用下的室内岩爆加卸载试验，采用声发射监测手段获取试件在加载过程中的声发射数据并进行分析。研究结果表明：围压一定时，试件所受顶部应力梯度差越小，试件岩体产生的声发射现象相对越早，声发射能量的释放频率在加载过程中更均匀，且声发射能量相对较小；随着试件顶部所受梯度应力差值的增大，试件的声发射能量值释放愈发频繁，振铃计数的变化范围越大，越符合岩体压缩作用下的4个变形阶段。     

矸石充填体受压裂纹扩展规律及声发射特性研究

为研究矿井矸石充填体内外破坏形式以及裂纹演化规律,利用PCI-2型声发射测试仪和压力试验机等仪器,分析不同水灰比、胶凝材料条件下,矸石充填体的强度、AE信号以及裂纹演化规律。结果表明：矸石充填体3d强度最小为3.6MPa,满足充填要求,水灰比的增加使得矸石试件的应变曲线斜率减小,提升了试件的抗变形能力|应力最大时,AE活动最为剧烈,试件裂纹上下贯通,呈张拉破坏|矸石充填体裂纹演化分为：闭合压密阶段、线弹性变形阶段、不稳定延伸阶段、峰后变形阶段。闭合压密阶段与线弹性变形阶段内,试件AE信号较弱|不稳定阶段矸石试件AE活动剧烈,内部颗粒碰撞明显|峰后变形量大,AE活动骤减。