岩石变形破裂微震、电荷感应、自电位和声发射实验研究

 为有效提取岩石失稳破坏的前兆信息,针对岩石试样在外载荷作用下失稳破坏前伴随有微震、电荷感应、自电位和声发射等信号的变化特性,建立岩石变形破裂过程多参量综合监测系统,对试样在不同加载速率下变形破裂过程微震、电荷感应、自电位和声发射进行同步监测。实验结果表明：试样在失稳破坏前都有明显的微震、电荷感应、自电位和声发射前兆信号,岩石性质不同,岩石变形破裂过程中微震、电荷感应、自电位和声发射信号明显不同,花岗斑岩的前兆信号比大理岩的前兆信号明显丰富。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,可利用声发射进行微裂纹的定位,可以较好地反映电荷感应和自电位前兆信息,试样变形破裂过程的电荷感应和自电位信号比微震信号更早发生,受到的干扰更小,可利用早期的电荷感应和自电位信号进行提前预警,当频繁出现同步且幅值较大的各参量信号时,表明岩石即将进入失稳破坏阶段,可利用微震和声发射对微裂纹进行定位,微震、电荷感应、自电位和声发射信号相互对比分析从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究

讨论煤、岩体在2种组合模式下受压破坏过程中能量集聚与释放规律.通过试验分析,得出"煤-围岩"系统失稳规律,并结合红外热像、声发射、应变等监测手段,对"砂岩-煤"及"砂岩-煤-泥岩"两类组合体进行单向压缩试验,对比研究不同煤、岩组合体失稳破坏的前兆信息,得到煤、岩组合体失稳破坏过程中红外热像、声发射能谱及组合体不同部位应变的变化规律.研究结果表明,对比煤样单体,煤-岩组合试样失稳更突然,失稳前兆点更难于捕捉.     

岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探

硬脆性岩石的突发性失稳往往会带来灾难性的后果,因而研究硬脆性岩石突发性失稳破坏的前兆信息是十分有意义的。为此对红砂岩试样开展不同中间主应力条件下的真三轴加载试验,结合红外热像技术研究岩石破裂的热红外热像演化和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像技术分析岩石真三轴加载下的裂纹扩展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及破裂演化机制,提出基于热红外的非接触式岩石破裂前兆预警指标,可在岩石因破裂而导致的温度异常变化前对岩石的破坏做出预警。研究表明:岩石破裂前存在四类前兆信息,依次为热红外温度前兆、声发射前兆、热像异常前兆及岩石宏观裂纹前兆。热红外温度前兆和声发射前兆出现时间相对较早,能优先从时间上预警岩石的破坏,热像异常前兆和宏观裂纹前兆的出现时间则较晚,也距离试件破坏较近,热像异常能指示岩石未来潜在的破裂区域。从岩石的内部、外部、时间和空间上初步建立硬脆性岩石的热–声前兆信息链,研究成果可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

单轴加载下热处理混凝土声电信号特征

为研究火灾发生后混凝土力学性能变化及结构失稳的前兆特征,对混凝土试样进行20、100、200、300、400 ℃的热处理,并进行单轴压缩实验,监测试样受载破坏过程的声电响应信号,识别结构失稳的前兆特征。结果表明：高温热处理后,混凝土试样的外观颜色、内部结构及力学性质均发生了变化,且目标温度越高,试样外观的色变越显著,裂隙发育越丰富,峰值应力越低,而峰值应变越高;随着目标温度的增高,声发射信号和表面电位信号更加活跃,且两种信号的响应与裂纹的扩展密切相关,能够反映试样内部结构损伤演化的过程;对声发射及电位的时序信号进行变异性系数统计,结果表明声发射的变异性系数在试样受载过程中相对稳定,并在试样失稳前具有快速增大至峰值的异常响应,可作为判断试样结构稳定性的前兆。相比声发射信号,电位信号的变异性特征在试样受载初期处于较高值,随后下降,并在试样失稳前快速增大至峰值。     

不同应力路径下煤样变形破坏过程声发射特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验机对义马耿村具有冲击倾向性煤样进行常规单轴、三轴和三轴卸围压试验,研究在不同应力路径下煤样变形破坏过程中的声发射特征。试验结果表明,煤样在不同应力路径下加载变形破坏过程中产生的声发射特征有所差异。常规单轴压缩过程中各个阶段均有不同程度的声发射事件,与三轴筒内单轴压缩相比,声发射累计计数和能量明显偏大,破坏瞬时的声发射计数和能量大致相当;常规三轴压缩试验时,在围压作用下煤样屈服前声发射事件较少,进入屈服阶段声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样破坏前兆,破坏瞬时声发射计数和能量达到最大值;三轴卸围压试验时,在卸围压前煤样处于弹性阶段声发射事件较少,随围压逐渐降低,由正应力提供的摩擦力不断减小,煤样内部材料强度相对较低逐步屈服破坏形成微裂纹。屈服前期产生少量声发射事件,屈服后期声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样卸围压破坏前兆,破坏瞬间计数和能量同时达到最大值,与常规三轴压缩相比,声发射计数更大,能量则更高,表明三轴卸围压煤样破坏时更加强烈;常规单轴压缩煤样破坏产生的声发射累计计数和累计能量明显偏大,三轴筒内单轴、常规三轴压缩以及三轴卸围压试验时,声发射累计计数和能量大致相同,没有明显差异。     

单轴多级循环加载下原煤加卸载响应比演化特征

煤矿井工开采往往对采场周边煤岩体产生周期性扰动,研究单轴多级循环加卸载条件下煤变形及破坏特征有助于深入认识煤柱损伤、劣化及失稳破坏机制,并为获取煤柱失稳前兆提供有效分析手段。通过开展原煤单轴多级循环加卸载实验,利用弹性模量变化量提取加卸载响应比以描述原煤破坏前兆特征;并基于声发射累计振铃计数定义加卸载响应比,探讨原煤破坏过程中内部损伤演化特征及破坏前兆。此外,通过对实验前、后煤样内部结构的CT扫描,结合逆向化建模方法,分析煤样破坏特征及模拟单元数量对加卸载响应比数值计算结果的影响。研究发现:基于实验获得的单轴循环载荷下原煤加卸载响应比存在3个变化阶段,且在每级应力水平下均呈周期性"W"型变化特征;当荷载水平逐渐升高时加卸载响应比呈下降趋势,当荷载水平较高且接近峰值荷载时,加卸载响应比先下降后急剧上升;而基于声发射累计振铃数计算的加卸载响应比则呈持续减小趋势,并在破坏前接近1。     

循环载荷作用下煤样能量转化规律和声发射变化特征

 利用TAW–2000 kN三轴试验系统和SH–II声发射系统,对循环载荷下煤样能量转化规律和声发射特征开展研究。试验结果表明：通过煤样破坏形态和循环曲线规律,c05破坏瞬时突然崩裂,c06曲线破坏前出现明显塑性跳跃,c08局部失稳累计成扰动破坏,破坏时曲线不断波动。从能量转化角度分析失稳前兆,一次初判通过耗散能加速增长,弹性能达到峰值及弹性能量指数达到极大值,二次终判通过弹性能不变,塑性能增加。随着循环载荷的增加,耗散能整体呈现上升趋势。通过阻尼比评价煤样抗震性顺序为c06＞c08＞c05,结论与单轴抗压强度一致。以径向弹性能和体弹性能均呈现降低趋势和径向塑性能和体塑性能均呈现升高趋势作为失稳判据有一定参考。加载阶段声发射计数峰值呈现倒“梯形”,卸载阶段声发射计数峰值呈现递减趋势。循环载荷加载前期Kaiser效应明显,后期Felicity效应明显。通过加载阶段和卸载阶段声发射特征参数变化规律可知,塑性能可以利用加载阶段声发射计数和能量表征,耗散能可以利用卸载阶段声发射计数表征;通过循环加卸载声发射特征参数变化规律,声发射累计计数与塑性能呈现一致规律,耗散能和声发射能量规律性一致。通过声发射能量突升和声发射幅值的突降来预判煤岩的失稳。     

岩石破裂失稳声发射监测频段信息识别研究

首先对声发射信号进行分频处理,分析岩石损伤破裂演化过程中声发射信号频段分布规律。根据岩石断裂模式与声发射频率存在一定的对应关系,证明了岩石破裂监测中声发射前兆优势频段的存在,进一步构建前兆优势频段的计算方法,确定声发射监测岩石破裂的最优短临预报参数。通过开展花岗岩圆形隧洞模型水平卸荷试验,分析整个过程的声发射信号,寻找前兆优势频段,以此验证方法的可靠性。研究结果表明,水平方向卸荷瞬间,隧洞两壁发生劈裂破坏,频段(31.25~62 k Hz)的小波能量占比达73%以上。临近最终破裂,频段(7.8125~15.625 k Hz)变能系数CD6?由前一刻的0.5突增到15,具有典型的灾变响应特征,可以确定该频段为声发射前兆优势频段。选择CD6??作为宏观破裂的短临预报参数,再结合临近最终破裂前声发射主频在频段(90~105 k Hz)和(13~20 k Hz)所出现的响应突现规律,可以为预测花岗岩圆形隧洞模型的失稳破坏提供预警参量。     

循环荷载下强冲击倾向煤样声发射特征参数分析

采用岩石三轴试验机,对具有强冲击倾向性煤样进行了常规单轴循环加卸载试验,在加载卸载过程中对煤样进行声发射同步监测,分析了煤样循环荷载下声发射特征参数的前兆变化规律,该研究成果为具有冲击倾向性危险区域的煤岩体预测和预警进一步的研究奠定了基础。     

煤岩单轴压缩破坏声发射轻量化三维卷积预测模型研究

声发射前兆信息能揭示煤岩内在破坏规律，因此基于声发射前兆信息建立判识模型是煤岩破坏监测预警的核心。基于DenseNet骨架，结合分组卷积(GC)与注意力机制中的“压缩–激励”模块(SE)，构建能融合声发射时空特征的轻量化三维卷积预测模型。以红庆河矿3^-1煤层强冲击倾向性煤样为研究对象，在煤样单轴压缩过程中，采集不同速率加载下的声发射损伤破坏参数，并将参数预处理为能融合声发射时空特征的图像序列，作为模型输入样本，预测煤样破坏的危险等级，并采用迁移学习预测煤样破坏的剩余时间。结果显示：在预测煤样破坏危险等级的验证样本中，4种网络结构(DenseNet,DenseNet+GC,DenseNet+SE和DenseNet+GC+SE)的预测准确率均高于99.08%，高风险样本召回率均高于99.50%，表明三维卷积能有效捕获声发射时空信息。DenseNet+GC+SE网络的预测概率趋于单点分布，表明该模型能区分不同危险等级。DenseNet+GC+SE网络嵌入分组卷积与SE模块能在保证模型精度的同时，大幅下降模型复杂度与时间复杂度，提升模型效率。煤样破坏剩余时间的预测值与真实...     

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。     

松散承压含水层下采煤的流固耦合模型试验与 数值分析研究

以松散承压含水层水下采煤为例,通过研制的新型流固耦合相似材料和突涌水物理模拟试验系统真实再现采区突涌水的灾变演化过程,采用光纤光栅技术、声发射技术和电阻率层析成像技术,全程捕捉隔水层围岩应力场、位移场、渗流场、温度场、电场和声发射信息的变化特征及其异常信号,研究突水前兆多元信息的演化规律及其临突特征。采用可考虑多场耦合效应的数值分析方法,研究突水灾变演化过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律,分析突水前兆多物理场信息的响应特征。试验和数值分析结果表明：在隔水层破断突水前,围岩应力变化持续增长后发生回跌,但已濒临突水。围岩位移变化持续增长后发生跳跃,在跳跃前出现孕育突水前兆的稳定突升段。围岩渗透压力变化持续降低后发生急剧跌落,在突水前很长时间里出现孕育突水前兆的异常波动段。围岩视电阻率和声发射能量也在突水前产生明显的突升和激增现象,尤其是视电阻率突升段的增长点出现在突水前较长的时间段。通过对多场信息变化规律的内在联系及其对突水预测的有效性分析,发现隔水层的渗透压力、视电阻率以及位移变化信息在突水前具有明显的前兆特征,是松散含水层开采突水灾害预警和监测的重要前兆信息源。研究结果有助于加深对煤矿突水灾变演化过程的认识,为突水前兆信息演化规律及实时监测理论的建立提供科学依据。     

冲击倾向性煤体破坏过程声热效应的试验研究

介绍自行设计的多系统、同步监测试验机构，并对冲击倾向性煤体分别进行单向加载和循环加载破坏试验。利用系统所具有的红外热像、声发射、应变等监测方式，分析两种加载条件下，冲击倾向性煤体破坏过程的声、热效应及破坏前的异常信息特征。对比研究不同监测方式下，冲击倾向性煤体中同一破坏事件的响应速度以及各自响应的灵敏度；获得冲击倾向性煤体的固有物理力学特性，并发现强冲击倾向性和非冲击倾向性煤体单轴压缩时的最终破坏前兆点分别为0．9和0．7个荷载强度比，也说明强冲击倾向性煤体的失稳破坏更突然、更难于预测。     

加载速率对煤样破坏力学及声发射特征研究

为了研究煤体破坏的加载速率效应,分别从煤岩力学性质、声发射特性和数值模拟角度进行了分析。采用RMT-150 C型岩石力学试验机构成的煤样单轴压缩实验系统,结合DS5型全信息声发射信号分析仪,研究了不同加载速率下煤样力学指标和声发射指标的演化规律,研究结果表明:加载速率由0.2 mm/s降到0.000 2 mm/s,煤样的抗压强度降低了58.7%,弹性模量降低了68.7%;声发射峰值计数降低了71.5%,声发射峰值能量降低了52.3%,声发射累计计数和累计能量却有所升高。从数值模拟结果分析:加载速率由0.2 mm/s降低到0.000 2 mm/s,声发射峰值计数降低了75.8%,声发射峰值能量降低了60.9%;声发射累计计数和累计能量均有所升高;煤样的抗压强度和弹性模量分别降低了62.3%和69.1%。数值模拟结果与实验结果规律相一致。     

全波形声发射技术用于混凝土材料损伤监测研究

在研究了混凝土材料三点弯曲试验下声发射累积能量随载荷变化关系曲线的基础上,提取了混凝土材料不同破坏阶段的全波形声发射信号并分析了其频谱特性,并且通过与参数分析结果的比较,发现全波形声发射信号能够实时反映混凝土材料在载荷作用下破坏过程的特征信息。     

承压水上工作面破坏及裂隙演化相似模拟试验

随着我国煤炭开采深度的逐渐增大,承压水上开采工作面底板破断、突水事故呈上升趋势。以某煤矿承压水上开采工作面底板为研究对象,采用理论分析和开采固-流耦合相似模型对承压水上开采底板破断失稳特征进行了研究,并对回采过程中裂隙演化特征进行了数字化分析。研究结果表明:某煤矿承压水上开采工作面底板存在明显“三带”规律;工作面底板破坏深度为19.2 m,有效保护层厚度为2.3 m;随着工作面向前推移,底板所受应力随着距开切眼距离的增大而增加;采动过程中近煤壁底板为裂隙聚集区;采动过程中煤层底板裂隙数量随着深度的增加而减少;底板裂隙演化能很好反映底板破坏过程,可为矿井突水临突监测监控提供可靠数据。     

基于模型试验的深部煤层合理停采线结构分析

为分析合理停采线的结构,以存在深部煤层回采情况的济宁三号煤矿为背景,通过模型试验的方法,监测上方工作面回采过程中,垂直于回采方向的下方巷道围岩的扰动特征。试验过程中综合运用PAC声发射仪、静态电阻应变仪、数字散斑等仪器,得到下方巷道围岩声发射事件发展、应变量以及巷道整体变形量。模型试验监测相似材料试样单轴压缩过程中的声发射特征,发现声发射结果可以反映相似材料试样的破坏规律;认为停采线结构应包括受影响巷道的开挖影响区范围l_1、工作面回采的采动超前影响区范围l_2,以及避免两区域相互影响的最小安全间距l;通过监测上方工作面回采过程中,下方巷道围岩内的应变及声发射特征得到了l,l_1和l_2的范围,并通过数字散斑监测了上方工作面回采过程中下方巷道的整体变形量。     

相对定位方法在非完整岩体声发射定位中的应用

声发射技术是研究岩石变形破坏微观机理的重要手段，对研究岩石失稳的机制和前兆具有重要意义，而其定位技术是诸多研究的基础。应用对速度结构依赖较少的相对定位方法，对非完整、非同性介质岩石试验中的声发射事件进行了定位研究。定位结果表明，相对定位方法可用于复杂样品声发射事件的定位，其可靠性及精度比以往有所提高，在震相到时自动识别的基础上，可用于大批量声发射事件的连续定位。