三点弯曲脆性岩石试样的微震和电荷感应信号变化规律

本文采用微震和电荷感应同步监测试验系统,通过三点弯曲试验研究了脆性岩石变形破裂过程的微震和电荷感应信号的变化规律。试验结果表明:在三点弯曲试验中,花岗岩和大理岩脆性岩石中预制裂纹试样和完整试样的载荷峰值与峰值位移比差别不大,而花岗岩的载荷峰值与峰值位移比大于大理岩的。在三点弯曲试验中花岗岩和大理岩脆性试样变形破裂过程会产生微震和电荷感应信号,花岗岩试样变形破裂过程产生的微震和电荷感应信号强度比大理岩试样的大且事件数也多,完整试样变形破裂过程产生的微震和电荷感应信号强度比预制裂纹试样的大且事件数也多。试样在破裂发展阶段微震和电荷感应信号强度远大于弹性阶段微震和电荷感应信号强度。试样在破裂发展阶段产生的微震和电荷感应信号持续时间也较大。三点弯曲试验中脆性试样变形破裂过程产生的微震和电荷感应信号事件数明显比压缩破裂时少。利用微震和电荷感应信号在岩石变形破裂过程的不同阶段相似性和差异性,对微震和电荷感应信号综合分析能更有效监测三点弯时脆性岩石的变形破裂过程,更准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

含水煤岩变形破坏过程电荷感应和微震信号特征试验研究

为了监测煤层注水减弱煤层的冲击倾向性和底板突水增加矿井冲击危险性的效果,利用电荷感应和微震同步监测系统,对平顶山矿井的原煤和砂岩开展单轴压缩下不同含水率煤岩的电荷感应和微震监测试验,获得了不同含水率原煤和砂岩变形破裂过程的电荷感应和微震信号特征。试验结果表明：随着含水率的增大,煤岩峰值应力减小,冲击倾向性减弱,经过浸泡饱和后煤样的峰值应力和砂岩的峰值应力分别降低了21.8%和31.1%;随着含水率的增大,煤样变形破裂过程中产生的电荷感应和微震信号事件数都减小,信号强度也降低,电荷感应与微震信号均方值幅值减小,而砂岩变形破裂过程中产生的电荷感应和微震信号事件数却增多,信号强度也增强;煤岩变形破裂过程产生的电荷感应信号受水的影响比微震信号受水的影响大。煤层注水后有效降低了矿井的冲击危险性,煤层变形破裂过程产生的电荷感应和微震信号变弱;矿井底板突水时提高了矿井冲击危险性,从而底板变形破裂过程产生的电荷感应和微震信号增强。     

花岗岩晶粒尺寸对岩爆影响的试验研究

为探究晶粒尺寸对硬脆性岩石岩爆的影响,利用真三轴岩爆试验系统,对细中、中粗两种不同晶粒尺寸的含预制圆孔花岗岩开展了岩爆模拟试验。试验结果表明:在相同的加载过程中,细中晶粒花岗岩出现板裂静态脆性破坏,而中粗晶粒花岗岩出现岩爆动力破坏;细中晶粒花岗岩早期声发射活动较弱,大破裂、低主频事件在时空分布上较集中,特征应力较大,而中粗晶粒花岗岩早期声发射活动较活跃,大破裂、低主频事件在时空分布上较离散,特征应力较小,碎屑破碎程度更高。晶粒尺寸对花岗岩的岩爆倾向性具有重要影响,晶粒尺寸较大的硬脆性岩石的岩爆倾向性更强。深部地下岩体工程的岩爆倾向性评价中,除强度和脆性外,晶粒尺寸也是需要考虑的重要因素。     

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析,从微观角度探索岩爆产生的机理。通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究。巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状,劈裂面与地应力最大主应力方向平行,岩石断口属拉张断裂,劈裂纹的产生主要是脆性断裂;岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂,裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交,不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶,表面不平整,属于拉张或剪切型断裂。岩石细观成分对岩爆的影响也较大,结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆。     

岩爆预警与烈度评价的声音信号分析

利用真三轴岩爆实验系统在室内再现了岩爆动力破坏过程,采用数字录音笔对岩爆过程的声音信号进行监测,在声音信号预处理的基础上,对岩爆过程中的颗粒弹射、岩板劈裂、块片弹射3种岩石脆性破坏现象的不同声音特征指标进行分析。结果表明:3种典型脆性破坏现象的声音信号在波形、频谱、声纹和短时能量等特性指标上存在明显差异,这些特征指标适用于岩爆的特征提取。提出了一种基于声音信号的岩爆烈度评价指标——局部声响总能量,该指标适用于定量评价岩爆发生的剧烈程度。     

三点弯曲正长花岗岩的多参量信号特征试验研究

采用多参量(电荷感应、微震和声发射)同步综合监测系统，开展完整和预制裂纹正长花岗岩的三点弯曲试验，对其变形破裂过程的多参量信号特征进行研究。试验结果表明：完整和预制裂纹正长花岗岩在失稳破坏阶段有最强的多参量信号，在失稳破坏阶段产生的多参量信号的主频比较接近，但完整正长花岗岩多参量信号主频幅值是预制裂纹正长花岗岩多参量信号主频幅值的2倍左右。完整正长花岗岩从线弹性变形阶段、裂纹快速发展阶段到岩石失稳破坏阶段产生应力降时应力降的速度是快速增大的，裂纹快速发展阶段和岩石失稳破坏阶段声发射的最大震级和事件数远大于线弹性变形阶段的最大震级和事件数。正长花岗岩失稳破坏阶段多参量信号同步产生，产生的多参量信号与其他阶段相比主频最小，主频幅值最大；在试样失稳破坏阶段声发射信号早于电荷感应信号产生；电荷感应信号早于微震信号产生，声发射信号持续时间最短，微震信号持续时间最长，多参量信号都在试样产生应力降或失稳前产生。     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的; (2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因; (3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征; (4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围; 提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

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。     

深埋隧洞岩爆时间滞后性机理研究

深埋隧洞内岩爆生成的时间滞后性与硬脆性围岩的蠕变力学特性密切相关,通过结合理论模型(包含深埋隧洞弹塑性模型及岩石脆性蠕变失效模型)与数值模拟对岩爆的时间滞后性机理及其规律进行了分析讨论.结果表明:深埋隧洞在开挖卸荷后围岩内部因微缺陷的萌生及演化引起损伤累积,在无及时支护条件下短时期内易引发时滞性岩爆;围岩在塑性区内更易...     

应用数值试验方法，推进岩石力学实验的教学

 把岩石破坏过程分析数值模拟系统RFPA引入岩石力学实验课程的教学，进行岩石变形 与破裂过程的数值试验. 数值试验可以再现许多物理实验所不能观察到的力学现象(例如 岩石破裂过程中的应力场)，从而使学生对岩石的变形与破坏过程有更加清晰的认识，提高岩 石力学实验的教学质量.     

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系.试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机...     

弱动力扰动对花岗岩圆形隧洞岩爆影响的试验研究

为探究弱动力扰动对岩爆的影响,利用高压伺服动真三轴试验机,对含预制圆形贯穿孔洞的红色中粗晶粒立方体花岗岩试样进行弱动力扰动荷载条件下的岩爆模型试验,模拟隧洞洞壁围岩的岩爆弹射破坏过程,并采用声发射系统和视频观测系统对其进行监测、记录。基于无扰动、高应力下开始施加扰动和低应力下开始施加扰动3种加载路径的试验数据,从岩爆弹射破坏、岩爆坑破坏形态、声发射信号特征及岩爆烈度4个方面,详细分析弱动力扰动条件下的岩爆特征。研究结果表明:弱动力扰动会降低洞壁围岩发生岩爆时所需要的应力水平,增大岩爆破坏发生的范围。高应力下开始施加的扰动荷载会促进最终岩爆快速发生;而在低应力下开始施加的扰动荷载,岩爆的发生过程较为缓慢。相比与静应力条件下的岩爆,高应力下开始施加扰动触发的岩爆更剧烈,低应力下开始施加扰动触发的岩爆剧烈程度较弱。这主要是因为在高应力下开始施加的扰动对能量释放起到了激发和放大的作用,低应力下开始施加的扰动对能量释放仅起到激发的作用。     

脆性岩石蠕变裂纹成核宏细观力学机理研究

脆性岩石内部细观裂纹扩展、贯通及成核影响下的脆性蠕变行为,对深部地下工程围岩微震及岩爆事件评价有着重要意义.然而,目前能够解释裂纹成核损伤突变影响下,脆性岩石完整蠕变宏细观力学机理模型的研究很少.本文基于脆性岩石亚临界裂纹扩展模型、裂纹?应变?声发射事件相关的损伤模型及裂纹成核损伤时间演化路径函数,提出了一种脆性岩石裂...     

层状盐岩力学特性研究进展

盐岩具有孔隙度低,渗透率小,损伤自恢复和塑性变形能力大等特性.本文着眼于深部盐岩能源地下储备,在简要介绍国内外盐岩力学特性研究现状基础上,着重综述了近期关于层状沉积型盐岩工程力学特性研究的进展.层状盐岩压缩试验表明泥质硬石膏夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响,揭示了复合岩体的变形和破坏机制;层状盐岩流变试验表明层状盐岩的蠕变主要由盐岩层控制,硬夹层的存在对溶腔围岩的长期蠕变起到抑制作用;为了深入了解界面的力学特性,开展了层状盐岩直接剪切试验、间接拉伸试验和界面微观分析试验,试验表明层状盐岩体中盐岩夹层界面具有较强的黏结力,这十分有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性;针对特殊的层状岩体提出了复合岩体Cosserat介质扩展本构模型,并应用于层状盐岩构造中能源储库稳定性分析中.最后指出了层状盐岩工程力学特性研究中值得关注的几个重点研究方向.      

岩体裂隙三轴应力渗透规律的试验研究

利用三轴应力渗透仪分别对煤矿底板的硬岩和软岩进行三轴应力渗透试验 ,观测渗水量、围压、轴压及水压的变化。     

强震条件下双面坡变形破坏机理的振动台物理模拟试验研究

5·12汶川地震引发了数以万计的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。为了研究双面坡在强震条件下的动力响应规律,本文在大量野外调查的基础上,采用振动台物理模拟试验手段,设计完成了四类11个模型试验,从改变模型的坡度和坡顶宽度、软岩硬岩结合、阶梯状坡形等角度,较系统地研究了双面坡在强震作用下的响应规律。试验结果显示：强震条件下地震水平惯性力是导致边坡破坏的主要原因; 在地震情况下边坡变形破坏表现出明显的初动破坏效应; 振动过程中双坡具有明显的共剪效应,坡面为阶梯状时其共剪效应更明显; 坡体结构为上软下硬时下部硬岩对振动具有一定的放大效应,上硬下软时坡体易整体偏移产生变形破坏。试验结论与实际情况基本符合。     

半硬半软岩隧道塌方的力学特性及处理方法分析

由于蛟岭隧道出口横断面一半为硬岩,结构完整,而另一半为软岩,为风化岩层,且较为破碎,所以在隧道开挖时,硬岩一侧刚度较大,变形较小,自稳能力大;软岩一侧与之相反,遇水软化,流变性明显,所以在软硬岩交界面处,产生滑移,导致塌方,从而在软岩一侧采取了地表加固和掌子面管棚注浆的处理,形成了与硬岩接近的强度,使隧道周围形成一个承载环,并对处理段进行了监测,监测数据分析表明处理后迅速达到稳定。     

动静组合加载下花岗岩的力学性能

在霍普金森试验系统上进行了花岗岩动静组合加载试验,获得了花岗岩在动静组合加载下的力学性能.试验结果表明:当动载不变,改变静栽大小,在弹性范围内,花岗岩强度随着静载增大而增大;当静载超过弹性极限时,花岗岩强度迅速降低;在其破坏过程中对冲击能量的吸收随静载增大而减小;变形模量呈现明显的两段特征.当静载不变,改变动载大小,花岗岩的强度随动载增大而增大;变形模量先随动载增大而增大,而后又突然变小,并不出现两段特征;在其破坏过程中对冲击能量的吸收随动载应变率的增大而逐渐增大.所得结果为岩爆、深部破岩等研究提供实验依据.     

基于三轴压缩试验的破裂岩损伤演化方程的建立

分析了基于三轴试验的弹塑性损伤演化方程建立的方法 ,验证了采用该方法的合理性 ,并依此提出了鲁中冶金矿山公司小官庄铁矿两类破裂岩的弹塑性损伤演化方程 ,该方程参数少、物理意义明确 ,对该类围岩巷道进行数值计算分析具有重要意义。     

西南某铁路隧道地质勘察中的几个问题

西南某铁路隧道全长8.5km,工程地质条件复杂,软岩变形、岩爆及涌水量的预测是本隧道勘察中需要解决的重要问题之一,通过在各勘察阶段综合采用遥感判释、现场调绘、综合勘探等方法,对隧址内工程地质条件进行了详查,查明了对隧道有影响的构造,地应力,地下水等的性质,为隧道的设计施工提供了依据.