基于声发射定位的三轴受压帷幕体试样裂隙演化分析

利用TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机和PCI-II声发射监测系统对以研山铁矿东帮卵石制作的帷幕体试块进行不同围压三轴压缩条件下的声发射(AE)测试,结合声发射空间定位、AE事件能率对不同应力阶段帷幕体裂隙空间演化规律进行了分析,并对分形维数的变化规律进行了研究。试验结果表明：围压越大,帷幕体试块的抗压强度越高,到达峰值荷载所用时间越多,对应的时间-应力曲线的曲线上升段越长、曲率越小,帷幕体塑性特征越明显,累计AE定位点数越多。分形维数变化基本特征为升维、降维、再升维模式。AE事件能率和定位点数骤然增多以及二次升维标志破坏前兆。同样的应力状态下帷幕体内卵石和砂浆的结合面先起裂,其次是砂和水泥浆的结合面开裂,最后裂缝进入硬化水泥浆。     

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。     

三轴加载充填体围岩耦合体声发射特征研究

根据矿山开采状况设计了三种不同采场规格尺寸的充填体围岩耦合体模型，采用双轴试验机、拟真三轴装置结合声发射系统对耦合体进行了三轴加载下的破裂演化监测，研究了耦合体破裂过程声发射特征。结果表明：AE事件率和AE能量在塑性阶段前处于“平静期”，塑性阶段出现突增现象，突增现象可作为应力峰值附近宏观破裂预警；AE事件率峰值、AE能量峰值随着侧压增加推迟产生，耦合体稳定性随着侧压增加逐渐增强。AE事件率峰值、AE能量峰值随着规格尺寸的增加则与之相反；AE能量峰值随着侧压增加逐渐增大，随着规格尺寸增加逐渐减小。AE能量预警阶段突增值随着侧压增加逐渐降低，随着规格尺寸增加逐渐增大；Kaiser效应出现在耦合体应力峰值的70%~85%范围内，Kaiser效应点对耦合体塑性阶段宏观破裂具有一定的预警作用。研究结果有望为充填体与围岩作用机理研究提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

充填体与围岩组合模型循环加卸载破裂声发射特征研究

以不同种类围岩与充填体构成的组合模型为研究对象,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对组合模型进行循环加卸载,设置了3种不同侧压力,研究了组合模型在循环加卸载过程中的声发射特征及破裂特性。试验结果表明:在循环上限应力值较小时组合模型声发射表现为Kaiser效应,AE事件率曲线能够很好地描述组合模型内部损伤演化的特征,AE事件率峰值不断增大代表着组合模型内部裂隙逐渐发育;随着循环次数的增加,荷载值较大时表现为Felicity效应,组合模型的Felicity比随循环次数的变化均呈现下降趋势,表现出记忆超前性能;声发射活动的活跃期对应着组合模型宏观裂隙的形成阶段;玄武岩组合模型的最大AE事件能量值比大理岩和花岗岩组合模型的最大能量值大的多,成数量级的关系;AE事件能量值的大幅上升变化可以预示组合模型的破坏。     

水对粉砂岩渐进破裂过程影响实验研究

通过对干燥、自然和饱水粉砂岩进行单轴压缩声发射实验,基于声发射方法确定岩石渐进破裂指标—损伤强度σcd,研究水对粉砂岩渐进破裂过程的影响规律。研究结果表明:粉砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随含水率的增加而减小,两者与含水率的关系可以用指数函数进行拟合,相关度在0.8左右,残余强度随含水率的增加而增大;随着含水率的增加,粉砂岩破裂前声发射事件率密集的程度降低,破坏时的累计声发射事件数减少,水降低了岩石的破裂程度;粉砂岩破裂失稳前声发射活动的一个重要特点:累计声发射事件数ΣAE的增长模式符合Exponential函数,含水率增加,其增长的速率降低;水对粉砂岩渐进破裂过程的影响主要表现在含水后粉砂岩损伤强度与峰值强度的比值(σcd/σc)增加,粉砂岩裂纹开始不稳定扩展的应力水平提高,水可以加速粉砂岩从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程。     

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。     

基于尺寸效应的岩石声发射时空特性数值模拟

为研究不同大小尺寸岩石破坏过程中的声发射时空分布和演化规律及其对岩石破坏过程声发射的影响,以某矿山岩石力学参数为依据,利用数值软件对相同高径比、不同大小尺寸的6组岩样进行试验研究。试验表明当岩样尺寸小时,大的声发射事件主要出现在岩样大破裂贯通前后,声发射在岩样中从当初的随机性分布,到过峰值载荷之后大量集聚在岩样中部。试样尺寸较大时,未达到峰值应力前声发射较少出现,且分布弥散,大的声发射事件仅在峰值载荷后出现1次,其能量和数量均是声发射历史上最显著的,在试样中两处聚集成核,这与不同尺寸岩样内部包含不同缺陷强度离散性有密切关系。     

Theoretical analysis of characteristics of acoustic emission in rock failure based on statistical damage mechanics

Based on statistical damage mechanics, the constitutive model of a rock under three-dimensional stress was established by the law that the statistical strength of rock micro-element obeys Weibull distribution. The acoustic emission (AE) evolution model of rock failure was put forward according to the view that rock damage and AE were consistent. Moreover, in the failure process of rock under three-dimensional stress, the change in relationship between stress condition parameter and the characteristic parameters of AE, such as the event number and its change rate, were studied. Also, the rock AE characteristic under uniaxial compression was analyzed in theory and verified with examples. The results indicate that the cumulative event number and change rate of AE in rock failure are determined by stress state parameter F. Along with the gradual increase of F, first the cumulative event number increases gradually, then rapidly, and then slowly after the stress peak. The form of change rate of an event by increasing F is consistent with the distribution form of rock micro-element strength. The model explained the phenomenon that a relatively quiet period of AE appears before rock rupture that is observed by many researchers in experiments. Verification examples indicate that the AE evolution model is consistent with the test results, so the model is reasonable and correct. Supported by the Key Program of National Basic Research Program(973) of China (2005CB221505); the National Natural Science Foundation of China (2005E041503)     

非均质岩石单轴压缩试验破坏过程细观模拟及分形特性

为了细观模拟非均质岩石试样单轴压缩试验的破坏过程,提出了一种新的有限元数值模拟方法。该方法以莫尔-库仑破坏准则为基础,将岩石视为非均质和准脆性材料,并假定岩石单元的抗剪强度参数服从正态分布。有限元细观模拟结果表明,岩样非均质性对本构关系曲线形状有显著影响,模拟的应力-应变曲线与试验曲线基本吻合。基于分形几何理论,采用计盒维数方法计算单轴压缩试验不同荷载条件下的岩石破坏分形维数,建立了分形维数与顶部位移之间的非线性演化模型。分形分析研究表明,岩石试样的破坏过程具有分形特性,分形维数可用来定量地表征单轴压缩试验岩样破坏过程。     

干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

利用YAG-3000微机控制岩石刚性试验机和PCI-Ⅱ声发射监测系统,对中关铁矿深部闪长岩分别进行干燥、饱和2种条件下循环加卸载过程的声发射试验,以探讨这2种含水条件下岩石的力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。结果表明:水对岩石的力学特性和声发射特征具有不同程度的影响。岩样从干燥状态到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%;整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏之前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%;干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。     

基于离散元方法的花岗岩单轴压缩破裂过程的声发射特性

结合花岗岩单轴压缩下声发射特性室内试验,采用颗粒流数值模拟试验,对加载过程中声发射特性进行了监测,探讨了单轴压缩下的荷载大小与声发射累积数的变化关系,分析了峰值强度前割线模量的变化规律。研究结果发现：加载过程中,试件内部最早出现剪切裂纹,随着颗粒单元内部应力增加,逐渐出现拉伸裂纹;单轴压缩不同荷载阶段对应了4个不同的声发射释放阶段,峰值强度后期出现大量振铃,且累积数较峰值强度前的累积数高;试件的弹性模量变化幅度随模拟时间步增大而逐渐降低,于某特定值浮动。研究成果可为岩石声发射特征研究提供参考。     

分形理论在岩体质量评价中的应用及分级指标值的确定

为了更全面的评价岩体质量,克服传统的岩体质量等级分级方法如RQD,RMR和BQ等未考虑岩体中的节理、裂隙的不足,根据岩体结构面的自相似特征,应用分形理论来对其进行研究．运用盒计维数法对某地下工程岩体结构面分布的分形维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征．对计算结果数值分布的规律分析发现,分形维数越大,岩体质量越差,表明岩体结构面分布的分形维可以作为评价岩体质量的指标．并通过分维数D与RQD,RMR和BQ的拟合,给出岩体质量分级指标D值,从而提出一个以岩体结构面分形维数为分级指标的岩体质量评价方案．