含水煤岩损伤破坏过程中声发射特征的研究

岩土工程在施工及运营期间,经常会遇到地下水和施工及运行载荷的共同作用,岩体在地下水和各载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定性的重要因素之一。在收集国内外相关资料的基础上,对含水煤岩在单轴压缩、周期载荷作用、三轴压缩、剪切及拉伸等应力作用下的力学特性及声发射特征等方面进行了综述,对国内外的研究现状进行了回顾与分析,进而总结了含水煤岩力学特性及声发射特征的部分规律。指出随声发射技术在工程岩体稳定性监测领域的广泛应用及试验手段和试验方法的进一步发展,含水煤岩声发射有向真三轴、多场耦合方向发展的趋势,同时随着数值模拟软件及并行技术的快速发展,数值模拟试验将为含水煤岩声发射特征的研究开辟新的途径。     

颗粒煤岩破裂过程声发射与电荷感应试验

考虑颗粒间摩擦和黏结力作用,建立了基于颗粒物质力链失稳的煤岩体破裂判据。分析颗粒煤岩单轴压缩试验结果,得到了颗粒煤岩抗压强度、弹性模量随颗粒煤岩粒径增加而降低的变化规律,从细观尺度证明了煤岩单轴压缩张拉破坏的根源为剪切破坏。分级和循环2种加载试验研究结果表明：颗粒煤岩破裂过程中的声、电荷信号与力链中颗粒摩擦及粘结情况密切相关,声、电荷信号的产生机理存在本质上的差别。从破裂类型看,微裂隙的张拉破坏和颗粒摩擦错动均可导致声发射出现,而煤岩颗粒间的摩擦和微破裂面的相互错动是产生大量自由电荷、发生电荷感应现象的主要原因。可以利用声信号高-低-高的周期变化次数预测采动煤岩体经历的分级和循环加卸载次数;电荷信号首次突变-平稳-突变的出现时间是采动岩体应力阶段的划分标准。声、电荷信号幅值突变的剧烈程度是采动煤岩体失稳的重要前兆物理信息,可由此预测煤岩体稳定性,以便及时做出预警和相应的防护措施。     

不同应力速率下含水煤岩声发射信号特性

对不同应力速率下含水煤岩声发射频谱特性进行了实验和分析.结果表明,在煤岩的受载变形破裂过程中声发射是阵发性的,其声发射的频率特性较为单一.煤岩含水量的不同,对其声发射特性有一定影响.具体表现为对声发射强度的影响.含水量较大的煤岩较之含水量小的在声发射强度上略低.应力速率大时,声发射主要集中在煤岩破裂前的一段时间内;应力速率小时,煤岩破裂前的声发射较应力速率大时变少.在应力速率提高后,声发射在频次和幅度上有很明显的增加.     

煤岩破裂过程电荷信号时-频域特性及降噪研究

为了拓展电荷信号综合分析手段,进一步提高电荷感应方法的煤岩体冲击地压预测准确性,将室内物理试验和理论分析相结合开展煤岩受载破坏电荷信号监测试验,基于煤岩破裂电荷信号产生机制和傅里叶变换方法获得了不同受载阶段电荷信号时-频域特征及其变化规律,并设计数字滤波器进行电荷信号降噪处理。研究结果表明:电荷时-频域信号幅值与煤岩受载变化具有良好的一致性;非接触式感应电荷信号监测装置工频白噪信号组成频率较固定,白噪时-频域信号幅值随采样频率升高明显提高;煤岩受载过程中时域信号特点为弹性后期小幅值振发型,强化损伤阶段高幅值振发型,峰后破坏阶段高幅值连续型;频域变换得出电荷信号为主频率范围1~100 Hz的甚低频率信号,且该范围内的频域信号幅值随时域信号幅值升高而显著增加,此试验结果是区别电荷信号与高频率电磁辐射信号的主要标志,基于研究结果设计了数字低通滤波器,较好的剔除了工频白噪信号同时又不失真的保留了有益信号;基于电荷信号的时-频域特性可将工频干扰信号与有益信号区分有效提高信号监测准确性,达到预测预警冲击地压发生的目的。     

煤岩组合体变形破裂声发射特征及损伤演化规律研究

为研究煤岩组合体变形破裂过程中煤厚对其声发射特征和峰前损伤特性的影响,对煤厚分别为20mm、33.33mm和60mm的三种煤岩组合体进行室内单轴压缩声发射试验。研究表明：随着煤厚的增加,煤岩组合体的单轴抗压强度和声发射峰值计数均下降,且煤厚与声发射峰值计数满足指数函数关系;组合体的破坏持续时间随煤厚的增加而变长;声发射累计数的变化情况可分为缓慢增长阶段、快速增长阶段和声发射峰值及破坏后阶段,前两个阶段,累计数增长的速度与煤厚呈正相关,最后一个阶段,呈负相关。组合体峰前损伤演化可分为初始损伤、损伤稳定发展和损伤突增不稳定发展三个阶段;损伤变量与应变满足幂指数函数关系,且随着煤厚的增加,组合体D=1时对应的峰值应变也增加。     

不同层理煤破坏过程声发射RA-AF特征研究

为研究不同层理煤破坏声发射RA-AF特征,开展了0°、30°、60°、90°层理夹角煤单轴压缩破坏试验,同步采集了煤体力学和声发射数据,分析了RA-AF特征与裂纹扩展模式的关系。结果表明:第Ⅰ和第Ⅱ阶段,声发射计数水平较低,第Ⅲ阶段,计数值逐渐增加,在第Ⅳ阶段,α=0°和60°时,声发射计数更多,峰值较高;α=0°和90°时,张拉破坏占比分别为58.44%和58.06%,裂纹以张拉破坏为主;α=30°时,张拉剪切破坏占比相当,裂纹表现为张剪复合破坏;α=60°时,试样剪切破坏占比68.14%,裂纹以剪切破坏为主。     

瓦斯抽采钻孔煤体破裂过程声发射特性试验研究

采用TAW-2000KN微机控制电液伺服岩石三轴试验系统和声发射(AE)三维定位实时监测系统,对带瓦斯抽采钻孔煤样和完整煤样(尺寸50mm×50mm×100mm)进行了压缩破坏声发射特性试验。试验结果表明:带瓦斯抽采钻孔煤样和完整煤样破坏形态完全不同。带瓦斯抽采钻孔煤样和完整煤样的加载时间与声发射事件数无显著差异。研究得到带瓦斯抽采钻孔煤体压缩破坏特征和声发射特性,为复杂应力作用下瓦斯抽采钻孔稳定性分析研究奠定基础。     

不同加载路径煤岩破裂过程声-电荷复合信号特性

通过开展不同加载路径下煤岩力学行为及其变形破裂过程声发射和电荷信号特性试验研究,从能量角度分析了加载路径影响的煤岩力学行为和承载能力的变化规律。对极化引起的煤岩表面微电势的产生和衰减进行了理论推演,理论分析结果对煤岩变形破坏过程中声发射与电荷信号产生和变化特征进行了较好的解释。试验结果表明:煤岩变形破坏过程声-电荷信号增减与承载结构破坏所致应力突降呈现出较好的一致性。受载初期两种信号幅值较低且为离散型,随载荷增加,信号幅值、密集程度显著提高且向连续型过渡,峰值前后声-电高值信号连续出现。煤岩受载变化次数越多,强度、峰前应变能越高,振铃计数变化率和能量变化率越高,电荷量变化率越大。由此提出了基于声-电荷复合信号幅值和信号变化率的煤体破坏和失稳灾变预测方法。     

基于小波变换的岩石声发射信号分析

在钢性试验机上对大理岩进行了单轴压缩声发射试验,以小波变换为主,结合频谱分析和参数分析对获取的声发射信号进行处理和分析。结果表明,声发射率的大小与能率的大小不具有一致性,声发射率高的岩石（岩体）仍可能处于能量累积阶段,大理岩破坏各阶段的衔接处会产生能率或声发射率突增。声发射信号频率在大理岩破坏的前两个阶段比较单调,第三阶段变复杂。无论哪一阶段,复杂频率信号多产生在声发射率突增时刻。利用小波降噪,可以最大保持与原信号相似性,不会丢失与噪声信号频率相近的低能信号;用小波分解可以将各频段的特征信号从原信号中提取出来,这种分析方法适合处理包含多特征信息的岩石声发射信号。     

加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响分析

借助细观颗粒流PFC2D软件平台建立煤岩单轴压缩模型,模拟了不同加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响。分析结果表明:加载速度对煤岩损伤破裂声发射特征规律的影响不大,但伴随加载速度的增大,产生明显声发射的时间将提前;加载速率的提高对煤岩初始发射起裂应变没有影响,但使产生强烈声发射的应变范围增加;加载速度越大,煤岩破坏前积聚的变形能越多,煤岩破坏损伤程度越高,产生的声发射总数越多。     

突出煤体变形破坏过程声发射演化特征综合分析

对阳煤新元矿3号突出煤层的原煤和型煤进行载荷控制方式下的变形破坏试验,研究不同类型煤样变形破坏过程中声发射特征及其差异。研究结果表明,煤体破裂过程经历了3个阶段：非裂纹发展阶段、裂纹的稳定发展阶段和非稳定发展阶段。原煤在裂纹的稳定发展阶段及其以后,体应变速率的增大伴随着声发射指标的增大,且体应变的突降伴随着声发射指标的激增。原煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力之前,表现出峰后的脆性变形特征,声发射指标峰值也出现在峰值应力之前;而型煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力以后,表现出峰后塑性流动的延性变形,声发射指标峰值也出现在峰值应力以后。原煤破裂过程中呈现出两种体应变-时间曲线形态,既有较为平滑的曲线形态,也有在裂纹的稳定发展阶段就开始出现短时突降的体应变-时间曲线形态;而型煤仅呈现出平滑的曲线形态。原煤的声发射参数与应力之间总体上呈正相关关系,且在裂纹的非稳定发展阶段或者稳定发展阶段的中期以后,声发射参数具有较高的数值;而型煤声发射参数的演化分为两个阶段,峰前的平静期和峰后的爆发期,由峰前较为稳定的低值跃升到峰后较高水平的最大值,其破坏的声发射参数具有突增性。原煤声发射强度包括平均强度和峰值强度均远大于型煤的声发射强度,这主要是原煤强度较高容易积聚较高的弹性潜能且内部结构相对破碎所致。     

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。     

煤体破裂声发射的频谱特征研究

对受载煤体声发射的频谱特性及变化规律进行了测试及研究分析，结果表明，煤体受载破裂时，其声发射信号的频谱不是一层不变的，而是随载荷及变形破裂过程而发生变化，基本上是随着载荷的增大及变形破裂过程的增强，声发射信号增强，主频带增高．煤体声发射的频谱特征变化与煤体变形破裂过程密切相关．     

含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息试验研究

针对含瓦斯煤体加载破坏前兆信息难以识别、提取的研究现状,自行研制了含瓦斯煤体加载声-电监测装置,对含瓦斯煤体加载全过程进行实时监测以获取声-电前兆信息。试验结果表明：声-电监测系统能够捕捉到含瓦斯煤体产生的电荷与声发射信号,加载过程中部分电荷信号先于声发射信号变化,声-电信号的产生与煤体内部裂纹扩展相关;煤体内部自由电荷与声发射信号的产生具有本质上的区别,前者是在压电效应、摩擦作用、微破裂新生表面电荷分离以及瓦斯运移携带电荷等综合叠加作用下产生,而后者是煤体内部裂纹扩展以脉冲波形式释放应变能的过程;通过划分含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息异常区域,确定了声-电监测技术应用于矿山动力灾害预警的可行性。     

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。     

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。     

基于HHT的粉砂岩破裂声发射信号频率特性研究

通过对粉砂岩进行单轴加载声发射实验,基于HHT分析方法,研究岩石破裂过程的声发射信号频率特性。研究结果表明:HHT是一种基于主成分分析的信号时频分析方法,可以确定信号的主次成分,用瞬时频率来精确描述信号的时频特性;粉砂岩破裂过程中声发射信号的时频分布有3个阶段,即初始区、波动区、沉寂区;粉砂岩破裂过程中声发射信号的主频与所处的应力水平有关,在岩石破裂前,随着应力水平的提高,主频逐渐降低;粉砂岩破裂过程中,从裂纹稳定扩展到不稳定扩展,直到岩石破裂,高能量声发射信号由高频率向低频率转移,且持续的时间增加;粉砂岩破裂过程中声发射信号适宜监测频段为20~120 k Hz。     

含瓦斯煤体声发射应力波传播规律理论研究

基于含瓦斯煤岩体属于固-气两相孔隙介质,运用经典的弹性动力学理论进行AE信号的传播分析不能准确反映含瓦斯煤层中的传播情况.提出了固-气耦合两相孔隙介质模型,进行了两相介质AE传播理论的初步研究,推导了固-气两相孔隙介质的本构关系和波动方程,对含瓦斯煤层中的AE应力波进行了理论分析.结果表明：含瓦斯煤体双相介质中的横波方程仍然保持单相介质中的传播形式;纵波方程发生明显改变.