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.     

煤试样巴西劈裂的声发射特征研究

基于细观损伤力学开发的RFPA2D数值模拟软件,分析了巴西劈裂试样的应力分布特征。利用微机控制试验机进行了煤试样的巴西劈裂试验,对煤巴西劈裂全过程中的声发射特征进行了研究。试验结果表明:声发射事件伴随整个煤试样劈裂过程,在不同的加载阶段有不同的声发射特征;随着载荷的增加,煤的应力场随时发生变化,从加载初期到破坏时,再到破坏后x轴方向拉应力经历了"不明显-最明显-不太明显"的过程;在煤试样将要破坏时拉应力达到峰值,证实了煤试样劈裂是受拉破坏,此时声发射事件最为明显。     

基于巴西劈裂试验的页岩声发射与能量分布特征研究

为探究不同角度层理下页岩力学特性和声发射特征,通过对不同角度层理龙马溪组页岩的巴西劈裂试验、声发射测试以及3DEC数值模拟研究,对页岩破坏模式进行了对比分析。研究结果表明:由于页岩具有明显的层理构造,其抗拉强度具有明显的各向异性。页岩巴西劈裂应力-时间曲线可划分为3个阶段,对低角度层理,受载的累计声发射曲线表现为"平缓—陡增"增长模式;对高层理角度,累计声发射曲线表现为"台阶式"增长模式。研究物理实验与3DEC数值模拟结果均表明页岩破裂模式与层理角度密切相关,页岩声发射能量概率密度P(E)均较好的满足幂定律,层理效应并不改变声发射能量的尺度不变性。层理角度为90°时,能量概率密度曲线的临界参数最大,在低能量区间的声发射信号所占比例更大,利用临界参数可以对巴西劈裂试验过程中页岩损伤程度进行表征。研究成果可对页岩气压裂工程的设计提供借鉴。     

巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及声发射特征

新城金矿新主井计划建设深度1 527 m，为了探究该主井1 300 m左右似斑状粗粒花岗岩受拉破裂的力学特征，取新主井工勘孔似斑状花岗岩岩样，借助应变检测装置及声发射检测设备等对劈裂受载的似斑状花岗岩进行加载过程的实时监测。试验结果表明：①花岗岩试样的横向应变变形分3个阶段，且临近破裂前应变变化趋势表现出非稳定性运动特征；②随着加载进程的推进，声发射计数整体活动性逐渐增强，计数的变化随时间进程呈现出起伏上升的规律，并且逐渐由稀疏变得密集；③结合运动稳定性理论、振动能量分析及试验结果，得到一次破裂过程中平均每个声发射信号携带的能量出现峰值的现象可以作为似斑状花岗岩劈裂破坏加剧前兆之一。     

巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及声发射特征

新城金矿新主井计划建设深度1 527 m，为了探究该主井1 300 m左右似斑状粗粒花岗岩受拉破裂的力学特征，取新主井工勘孔似斑状花岗岩岩样，借助应变检测装置及声发射检测设备等对劈裂受载的似斑状花岗岩进行加载过程的实时监测。试验结果表明：①花岗岩试样的横向应变变形分3个阶段，且临近破裂前应变变化趋势表现出非稳定性运动特征；②随着加载进程的推进，声发射计数整体活动性逐渐增强，计数的变化随时间进程呈现出起伏上升的规律，并且逐渐由稀疏变得密集；③结合运动稳定性理论、振动能量分析及试验结果，得到一次破裂过程中平均每个声发射信号携带的能量出现峰值的现象可以作为似斑状花岗岩劈裂破坏加剧前兆之一。     

软硬交错层理状岩石变角度劈裂的变形场及声发射频率特征

为了了解宏观裂纹以不同角度穿越软硬交互层时岩石的变形场及声发射特征,以天然软硬交互层理状岩石为研究对象,分别开展劈裂方向与层理方向呈0°,30°,60°,90°的劈裂试验.试验过程中辅以数字散斑技术记录变形场,PCI-2型声发射采集仪记录声发射信号.绘制横向受拉区域变形时程图与声发射峰频分布时程图,对比研究发现:劈裂方...     

单轴压缩及劈裂试验下煤的声发射特征研究

为研究准静态加载下强冲击倾向性煤的抗拉及抗压性能,利用万能试验机系统和声发射监测系统分别对煤样进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验,并监测加载过程中的声发射参数,对比分析煤样在2种加载方式(拉、压)下的变形破坏特征、煤样声发射时空演化规律及微观破坏机制。研究表明:拉、压载荷下煤样的变形特征基本一致,但也存在一定差异,压缩下较劈裂下压密阶段历时长且变形大,峰后阶段历时短,破坏剧烈;拉、压载荷下声发射幅值分布基本一致,低幅值(40～60d B)较多,高幅值较少,且比例随着幅值的增大而减小,二者呈幂函数关系,以高幅值声发射信号的出现可将加载过程划分为5个阶段;拉、压载荷下声发射空间定位演化特征基本一致,裂隙压密和裂纹萌生阶段缓慢产生声发射事件,裂纹稳定扩展阶段较快产生声发射事件,非稳定扩展阶段快速产生声发射事件,出现声发射丛聚现象;峰后阶段存在一定差异,压缩下较劈裂下产生速度快;拉、压载荷下煤样微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏,但剪切破坏出现时间不同,压缩下主要发生在裂纹非稳定扩展阶段,而劈裂下则出现在裂纹萌生、裂纹非稳定扩展和峰后破坏阶段。     

页岩巴西劈裂试验的能量分布与临界特征分析

为了清晰了解具有脆性破坏特征的页岩在拉伸破坏下的能量统计分布特征,研究整体破坏能量分布与局部应力下的能量统计分布规律,从而为现场压裂机制提供理论依据。选取四川盆地南部地区龙马溪组钙质页岩进行巴西劈裂(间接拉伸)的声发射试验,加载速率分别为0.005,0.05,0.5 mm/min。结果表明:(1)在各个加载速率下岩石破坏过程的能量概率密度函数符合幂定律分布,并遵循时间上的幂律无尺度分布。(2)局部应力下的能量概率密度函数也符合幂定律分布,与幂值分布图变化规律形成良好对应,各局部应力阶段下的能量概率分布曲线向着整体破坏的能量概率分布曲线流动。(3)当应力σ达到0.9σmax,系统进入临界态,能量分布曲线与幂值分布曲线接近于整体破坏过程中的能量分布曲线与幂值分布曲线,并逐渐重合。(4)试验结果与纤维束模型数值模拟结果相符,当应力σ达到试件破坏应力的90%后,分叉率ξ急剧增大,直至岩石破坏,能良好验证临界态特性。     

不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应

通过对3种厚度在20～50mm不等的圆柱形岩石试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法分析了试样厚度对岩石劈裂强度的影响,得出单轴抗压强度越大的岩石,巴西劈裂强度的尺寸效应越明显;不同岩石劈裂强度的尺寸效应各有不同,白色大理石劈裂强度随试样厚度增加呈线性减小,硅质砂岩劈裂强度随试样厚度增加呈线性增大,炭质泥岩劈裂强度随厚度增加呈指数增大.拟合这3种岩石劈裂强度与厚度关系的函数,相关系数都在0.99以上.试验结果还表明,不同岩石劈裂时横向应变和轴向应变也受试样厚度的影响,存在明显的应变尺寸效应.     

岩石劈裂实验声发射的特性研究

对云南南坡铜矿三种砂岩进行了巴西劈裂和单轴压缩条件下的声发射特性试验。结果表明,不同种类岩石的声发射特性差别较大。劈裂条件下,三种岩石试件的抗拉强度之比为1∶0.82∶0.52;累计AE事件数之比为1∶0.61∶0.80;累计能量之比为1∶0.52∶0.87。尤其是层理明显的第一组和第二组岩石,压缩条件下,沿垂直层理方向加载的声发射活动要比沿平行层理方向加载时强的多;劈裂条件下,沿垂直层理方向加载时的累计声发射数比沿平行层理方向加载时多,而累计能量的结果正好相反。同时压缩条件下的累计声发射数和累计能量远大于劈裂条件下的情况。多数劈裂试件在垂直层理加载时,破坏前有一段声发射活动和能量相对较少的平静期;但平行层理加载时并不明显。     

不同含水率条件下煤与瓦斯突出的声发射特性

采用自主研发的大型煤与瓦斯突出物理模拟试验台和美国物理声学公司PAC(physical acoustic corporation)生产的PCI-2声发射测试分析系统进行了不同含水率条件下煤与瓦斯突出物理模拟试验,对突出过程中的声发射特性进行了分析。结果表明：在瓦斯压力相同的条件下,突出过程产生的声发射事件计数率和累计计数随含水率的升高而降低,且瓦斯压力较低时,声发射事件对煤体含水率变化更为敏感;在瓦斯压力相同的条件下,突出过程声发射事件能量率和累计能量均随含水率的升高而降低;在瓦斯压力相同的条件下,突出过程声发射事件的最大幅值、高幅值事件的计数率等都随含水率的升高而降低,且声发射事件计数的集中区域有从大幅值向小幅值转移的趋势;在含水率相同的条件下,突出过程高能量、高幅值的声发射事件总数随瓦斯压力升高而增大。     

三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验,对不同加载条件下煤样的声发射特征进行分析。分析结果表明：在常规三轴压缩过程中声发射能量、累计计数和累计能量随时间变化趋势基本一致,均能较好反映煤样内部的破坏过程;在煤样循环加卸载过程间隔出现声发射信息,其能量、计数和幅值变化趋势一致,与煤样所受应力相吻合;煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在峰值应力的85%左右,可以作为判定煤样破坏的前兆;在循环加卸载过程中Felicity效应较明显,Felicity比值FR远小于1,随着循环应力水平提高,FR值不断降低,表明循环加卸载过程中声发射记忆具有超前特征,Kaiser效应的记忆效果较差,Kaiser效应作为煤体稳定性指标需谨慎。     

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。     

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。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。     

饱和含水煤岩单轴压缩条件下的声发射特征

为了模拟研究煤储层的压裂特征,进行了饱和含水煤岩单轴压缩破裂实验以及声发射测试。结果表明：饱和含水煤岩在单轴压缩条件下首先产生变形,然后出现裂隙,直到最后破坏。根据声发射和应力－应变曲线特征将煤岩压裂过程分为迸裂型、破裂型和稳定型三大类。煤岩压裂过程受试件取样方向影响,当试件轴向平行面割理时,破裂过程出现迸裂型、破裂型,而无稳定型;当试件轴向垂直面割理时,破裂过程出现破裂型、稳定型,而无迸裂型。