三轴压缩下煤样的声发射及分形特征研究

为了研究煤样在不同围压下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对煤样试样在不同围压（5MPa,10MPa,15MPa） 进行了实验研究. 对煤样试样的声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究. 研究结果表明：不同围压下煤样的声发射特性具有一定的差异性,围压越高前兆信息越明显. 不同围压下煤样都具有分形特征,随着围压的增大,分形特征有所增强. 煤样在失稳破坏过程中声发射序列的分形维值都会出现一个波动-上升-突降的过程,提出可以作为煤样体失稳破坏的前兆信息.     

单轴压缩下充填体声发射特性及损伤演化研究

通过水泥胶结分级尾砂充填体单轴抗压声发射试验,研究分析了整个充填体压缩破坏过程中的声发射能率、声发射b值、声发射能率分形维数与时间的关系曲线.试验结果表明:加载初期的声发射活动并不明显,直到加载至应力峰值时,声发射活动显著增强.同时分析表明:声发射b值和声发射能率分形维数曲线呈现明显的波动性,破坏前其曲线均表现出上升趋势,临近破坏时声发射b值和声发射能率分形维数都下降到最低值.利用声发射b值和声发射能率分形维数能较好地描述充填体在单轴抗压破坏时裂隙的产生、扩展至完全破坏情况,将声发射b值和声发射能率分形维数两者结合作为现场监测充填体稳定性的指标,可为矿山现场安全监测提供比单一声发射参数更为有效的依据.最后根据声发射累计能率定义损伤变量,建立了充填体压缩破坏过程中的损伤演化方程,进而得到了单轴压缩条件下充填体的损伤本构模型.     

砼受压全过程声发射b值与分形维数的研究

声发射ｂ值反映了材料内部微裂缝发展。本文在ＭＴＳ试验系统进行砼受压全过程实验同时,检测了硅声发射的幅值和事件数变化,并根据实验结果对ｂ值进行了研究。研究表明：在应力－应变全曲线峰值处ｂ值最小。此外,还根据分形理论对砼受压全过程分形维数进行了研究。     

充填体真三轴加卸荷全过程声发射序列分形特征试验研究

针对复杂应力条件下充填体因开采导致的瞬态裸露破坏失稳问题,开展充填体真三轴加载单向卸荷试验,并结合声发射监测手段及关联维数理论研究充填体因加-卸荷引起的内部损伤特征演化规律。研究结果如下：在不同应力路径的真三轴条件下,充填体均产生X型共轭剪切破坏,且剪切破坏程度受应力载荷影响较大;基于声发射振铃计数率的关联维数能够较好地描述试验过程中充填体内部结构演变过程,且峰后卸荷时呈先增大后减小的规律;当声发射振铃计数率进入平静期且关联维数进入快速下降阶段时,充填体进入失稳阶段。本文研究成果可以为矿石崩落致使充填体侧面裸露时的破坏研究提供参考。     

砼受压全过程发射b值与分形维数的研究

声发射ｂ值反映了材料内部微裂缝发展,本文在ＭＴＳ试验系统进行了砼受压全过程实验同时,检测了砼声发射的幅值和事件数变化,并根据实验结果对ｂ值进行了研究。研究表明：在应力－应变全曲线峰值处ｂ值最小。此外,还根据分形理论对砼受压全过程分形维数进行了研究。     

不同应力路径下盐岩破坏声发射时序特征研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对不同应力路径下的盐岩破坏过程进行试验研究。在试验结果基础上,分析了盐岩常规单轴加载、分级加卸载和多级加载过程中的声发射时序特征和变形特征。试验表明:盐岩常规单轴加载变形表现明显的阶段性特征,声发射信号阶段性特征也比较明显;分级加卸载试验中,存在比较明显的记忆效应,在低应力水平有较明显的声发射Kaiser效应,而在70%峰值应力卸载再加载时,则出现Felicity效应;多级加载试验表明,在低应力水平稳压对盐岩造成的损伤不大,很少有新生裂纹;而在高应力水平稳压时,会有大量由新生微裂纹和裂纹扩展产生的声发射事件。     

岩石爆破分形损伤模型研究

在Ｋｕｓ和Ｔｈｏｒｎｅ等人研究基础上,利用分形理论及应用成果提出了一种新的岩石爆破损伤模型。新模型将岩体中各种结构弱面视为初始损伤,并将其分形维数作为岩石性质的主要参量,用损伤能量耗散率及与分形维数的关系表征爆破过程中的岩石损伤演化规律,从而弥补了现有模型未考虑初始损伤影响和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。还通过模拟试验等手段验证了新模型的如上观点。     

应力波作用下岩石声发射能量特征

通过霍普金森(SHPB)实验系统,对应力波作用下岩石破坏进行声发射实验,获得了该加载条件花岗岩声发射能量的变化规律.实验结果表明,声发射能量变化呈现出两种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载的末期,能量出现一定的回升,产生“拐点”;Ⅱ型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对Ⅰ型较慢,且不出现“拐点”.通过对岩石破碎块度的分析,得到了声发射峰值能量与岩石破碎分维之间的关系.本文的研究有助于重新寻求应力波下岩石破坏的声发射前兆规律.     

应变型岩爆过程的声发射特征研究

采用真三轴岩爆试验系统开展岩石力学试验,在室内再现了花岗岩的应变型岩爆破坏、板裂破坏、真三轴剪切破坏三种破坏过程。研究表明,与板裂破坏、真三轴剪切破坏不同,在整体破坏前夕,岩爆破坏存在明显的声发射撞击数相对\"平静期\";三种破坏的声发射撞击数分形维数Dt都存在整体破坏前夕持续下降到极小值点而破坏瞬间突增的现象,但岩爆破坏在整体破坏前夕的Dt持续降低速率和整体破坏瞬间Dt增幅上都比板裂破坏的大;三种破坏过程的声发射信号的主频值呈\"低频-高频-低频\"的总体演化趋势,频谱形状经历\"单峰-多峰-单峰\"的交替变化过程,但在岩样破坏的塑性阶段,三种破坏在主频分布及信号幅值上有明显差异。     

传感器类型对岩石破裂声发射时频特征影响实验研究

为探究声发射传感器对岩石破裂监测效果的影响,本文开展了含孔花岗岩双轴加载实验,选择R6α(窄频)和Nano30(宽频)两类传感器同时监测岩石破裂过程,分析两种类型传感器接收信号时频特征的异同点。从工作频段及灵敏度讨论两类传感器的适用性,继而提出岩石破裂监测中声发射传感器的选取原则。研究结果表明,在时域方面,两类传感器接收的声发射信号能量演化规律体现出一致性。在频域方面,R6α传感器接收信号主频集中分布在33～110kHz,Nano30接收信号主频在0～500kHz内均匀分布。R6α窄频传感器接收信号的强度较高、数据量较大,能够隔绝其他频段内噪声信号干扰,适合分析岩石破裂的时序规律;Nano30宽频传感器从频率上能保证信号的完整性,可用于分析岩石声发射信号波形和频率特征。     

压缩与劈裂条件下矿岩声发射信号的频率特性

为研究岩石在单轴压缩与巴西劈裂加载条件下声发射信号的频率特性,在RMT-150C岩石力学试验系统上对流纹斑岩开展了单轴压缩和巴西劈裂条件下的声发射实验。实验结果表明:在单轴压缩实验中,声发射信号的峰值频率分布在550kHz以下,550kHz以上的信号极少,并且100kHz以下的信号占大多数;而巴西劈裂实验中,声发射信号的峰值频率也分布在550kHz以下,以100~200kHz的信号为主。此外,岩样在单轴压缩破坏过程中声发射信号的峰值频率在达到峰值应力前明显降低,而巴西劈裂破坏过程中声发射信号的峰值频率主要集中在100~200kHz之间,在达到峰值应力前50kHz左右的低频信号开始增多,但变化不明显。     

闪长岩单轴加载过程中声发射和弹性波速度变化规律的研究

为研究闪长岩在单轴加载过程中的声发射和各向波速变化规律,在单轴阶段加载和循环阶段加载条件下,对闪长岩岩样破裂过程中的声发射累计数、不同应力水平不同方向的波速、切线模量、轴向应变速率进行了研究。实验结果表明:(1)随着应力水平的增高,声发射事件数不断增加,在高应力水平(约80%峰值强度)时,声发射累计数急剧增多,随后切线模量出现震荡变化。(2)在加载过程中,压密程度及裂纹扩展方向对波速产生了巨大的影响,导致不同方向波速在不同的应力水平呈现出不同的变化规律,由此可以推测破裂面位置和破裂模式。在较高应力水平下(约60%峰值强度),平行于加载方向的波速趋于稳定,而垂直于加载方向的波速则持续下降,故用垂直于加载方向传播的波速预测岩石的破坏更具可靠性。(3)随着应力的增加,应变速率有逐渐减小的趋势,但临近岩石破裂时无异常变化出现,说明利用变形观测难以预测此类岩石的破坏。以上研究表明,根据纵波波速、声发射累计数和切线模量的变化可以有效预测岩石的破坏。     

岩体尺度信息提取探索

利用边界检测、直方图滤波等图像处理技术作为对破裂岩体或含节理、裂隙岩体的图像(数码照片)信息处理的基础,建立表征岩体中块度分布的二值化图像,通过对二值化图像的逐行和逐列扫描统计得到岩体块度分布的表征岩体多尺度特征的分维指数和特征块度。     

基于声发射参量的不同深度灰岩塑性破坏识别研究

对某矿深部灰岩进行单轴压缩试验,测得试件破坏全过程的应力、应变和声发射参数。通过分析应力、应变和声发射参数之间的关系,可根据声发射振铃计数率的变化情况,将全过程分为三个阶段:第一阶段处于孔隙裂隙压密阶段,振铃计数率较多;第二阶段处于稳定变形阶段,声发射处于平静期;第三阶段岩石进入塑性变形阶段,振铃计数率明显增加。研究发现,深度越深,第一阶段终止时的应力水平越高;将声发射累计能率与累计振铃计数率的比值定义为能振比λ,λ的变化规律一定程度上反映出试件内部裂隙发展情况。研究λ的变化规律能够为识别岩体失稳提供依据,提高声发射技术监测预报的准确性。     

用两种ISRM推荐圆盘试样测试岩石断裂韧度的试验研究

采用国际岩石力学协会推荐的人字型切槽巴西圆盘试样(CCNBD)和中心直裂纹三点弯曲试样(NSCB),在RMT-150B试验机上进行了劈裂加载试验,结合声发射仪对比分析了不同尺寸试样的载荷-位移曲线、破坏形态和断裂韧度测试值的差异。结果表明:CCNBD试样的载荷-位移曲线可能出现二次倒拐现象,NSCB试样的载荷-位移曲线峰后直接跌落;两种试样破坏过程中的振铃计数和能量与时间的变化过程与载荷-时间曲线完全对应;NSCB试样测得的大理岩断裂韧度平均值比CCNBD试样测试值偏高4%左右,但试样尺寸较大时,偏高程度更为明显;两种试样都是劈裂加载破坏形式,CCNBD试样在端部可能出现偏离加载直径方向的破坏形式,本研究结果有助于进一步完善和推广ISRM测试岩石断裂韧度的建议方法。