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。     

船用金属材料声发射信号特性研究

利用声发射技术对6种船用金属材料拉伸试验过程中产生的声发射信号进行了详细研究。通过对材料从弹性、屈服、强化直至破坏过程中的声发射信号参数统计分析,总结了船用金属材料拉伸过程中声发射信号事件数量、幅度、频率随拉力变化的分布规律,为在船用金属材料与结构缺陷中进行声发射检测的设备参数的配置、传感器的选择和危险等级的划分提供了基础数据。     

饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

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.     

含不同倾角单裂隙岩石单轴压缩破裂演化过程分析

为探究裂隙倾角对裂隙岩体破裂演化过程的影响,本文对不同裂隙倾角岩体进行单轴压缩试验,采用数字散斑和声发射方法作为观测手段,探究含不同裂隙倾角岩体的破裂演化过程,分析了不同单裂隙岩体表面及其内部裂纹的演化规律.结果表明:裂隙岩体的变形破坏过程与完整岩体相似,表现为原始裂隙压密、弹性变形、塑性变形及破坏4个阶段;随着裂隙倾角的增大,应力的峰值即抗压强度呈现先减小后增大的趋势.当岩体表面裂纹处于稳定扩展阶段时,裂纹首先沿着预制裂隙端部起裂,然后裂纹扩展、贯通,形成宏观裂纹,直至宏观裂纹发展至非稳定扩展阶段;当裂隙倾角为0°时,岩体表现出较明显的张拉破坏,当裂隙倾角为30°、45°和60°时,岩石呈现出以剪切为主的组合破坏,当裂隙倾角为90°时,岩体发生张拉破坏.通过声发射观测结果,观测了单裂隙岩体内部裂纹的演化过程,在声发射初始期,岩体内部存在大量孔隙,随着应力的增加,原生孔隙逐渐被压密,所收集到的振铃计数较少;随着变形的增加,岩体进入弹性变形阶段,岩石内部产生微裂纹,振铃计数与初始期相比变多且趋于稳定状态;当进入塑性变形阶段即裂纹稳定扩展阶段,裂纹在岩体表面沿预制裂隙起裂并不断发育,直到裂纹贯通,岩体形成宏观破裂到达破坏阶段.随着裂隙倾角的改变,内部裂纹扩展情况产生差异,导致单裂隙岩体塑性变形阶段来临时间呈现先减小后增加的趋势.     

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...     

单轴压缩条件下破裂岩样声发射及能耗特性试验研究

为揭示岩石变形破裂的内在机理及正确评价工程破裂岩体的特性,本文对破裂岩石再破裂过程声发射、能耗特性进行了综合研究。借助MTS伺服试验机及AE21C声发射检测仪,对破裂岩样进行了单轴压缩条件下再破裂过程中的声发射及能耗特性实验研究。研究结果表明:破裂岩样声发射事件-时间曲线主要属于峰前阶段加速增长型,其声发射事件-时间曲线大致可分为声发射初始发展、剧烈、降低三个阶段;在整个压缩破裂过程中,声发射活跃程度总体上大于相对完整岩样;峰值点是声发射特征、能耗特征的转折点;岩样变形破裂过程中,声发射与能耗指标之间存在内在的、必然联系;随着破裂程度的提高,破裂岩样峰值点吸收能量与峰前段耗散能量均逐步降低;破裂岩样表面破裂面分布分形维数同峰值点吸收能量与峰前段耗散能量之间总体上均遵循非线性的二次多项式函数关系。     

深部煤与瓦斯突出孕育全过程声发射前兆信号变化规律研究

煤与瓦斯突出是各个煤矿面临的主要自然灾害之一。为了克服由于煤与瓦斯突出前兆规律不清所导致的灾害问题,基于声发射监测技术,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出试验系统,对红阳三矿的突出煤层进行研究,结合声发射信号分析仪,开展了实验室尺寸深部煤与瓦斯突出相似模拟试验,再现了煤与瓦斯突出典型现象,通过对比分析验证了试验的可靠性。以声发射振铃计数为突出前兆信号特征,分析了煤与瓦斯突出孕育阶段煤体破裂规律。研究结果表明：(1)煤与瓦斯突出声发射信号具有四时期特征,分别为平稳期、活跃期、平静期、激发期,声发射信号四时期变化特征对应突出过程各阶段,因此可确定活跃期结束时为突出孔洞形成时刻。(2)定义累计声发射振铃计数的各时期曲线斜率比值P₁、P₂和平均声发射振铃计数均值比值N₁、N₂,并提出了表征煤与瓦斯突出危险性指标,当N₁<2.07时,煤体处于煤与瓦斯突出平稳期,无突出危险性;当P₂<1.74、 2.071<3.15时,煤体处于煤与瓦斯突出活跃期,具有弱突出危险性,有形成突出孔洞的危险;当P₂>1.74、N₂<2.59时,煤体处于煤与瓦斯突出平静期,具有中突出危险性;当2.592<15.42时,煤体处于煤与瓦斯突出激发期,具有强突出危险性。     

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。     

含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制的声发射特性研究

复合材料层压板在压缩破坏过程中包含了丰富的声发射信息.为了研究含冲击损伤的复合材料层压板的压缩破坏机制,采用声发射观察层压板的压缩破坏过程,通过分析声发射信号的特征规律,表征了在压缩载荷下材料损伤的形式及其演化过程.结果表明:通过对声发射参数(撞击计数、能量、幅值、事件位置)和载荷曲线进行综合分析,发现损伤的发展过程经过了初始阶段、平稳扩展期和断裂阶段,冲击造成的分层区域最先出现屈曲并最早破坏;在损伤初始阶段和平稳扩展期间,损伤是一种渐进式的增长,层压板具有一定的承载能力;在断裂阶段损伤快速扩展,层压板的承载能力迅速下降,在出现纤维密集断裂的现象后整体破坏.     

Kaiser效应激发验证中的压头尺寸效应研究

针对声发射(AE)法现场测量地应力须选用便捷式小型加载设备来激发岩石声发射信号的实际要求,本文提出以减小压头直径来提高激发应力的解决思路.为此,利用MTS试验机、PCI-IⅡ声发射仪等仪器对预设应力的岩石试件开展5组不同直径(5mm、10mm、15mm、20mm和50mm)压头下的Kaiser效应激发显现验证试验.确定...     

砂岩岩石力学参数各向异性研究

对胜利油田不同深度的四口井的砂岩岩芯进行了三轴压缩试验和动态岩石力学参数试验。根据获得的垂直地层方向和平行地层方向的试验数据,计算了各岩石力学参数的各向异性系数。通过分析围压以及深度对各向异性系数的影响,给出了砂岩峰值强度各项异性系数、静泊松比各向异性系数、纵波波速各向异性系数、纵横波速比和动泊松比各向异性系数与深度的拟合公式。发现峰值强度、纵波波速和纵横波速比的各向异性系数都随着深度的增加而减小,而泊松比各向异性系数随着深度的增加而增大。动、静弹性模量各向异性系数与深度相关性都很差,动弹性模量各向异性较弱,静弹性模量相对较强。     

高温对砂岩宏细观损伤及BP神经网络单轴强度预测研究

为了研究高温后砂岩的力学特性和宏细观损伤变化,对高温作用后的砂岩进行单轴压缩试验、声波损伤检测、X射线衍射试验、扫描电镜试验,分析应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、质量损失率、X射线衍射成像和电镜扫描图像,得到砂岩的细观损伤变化对其单轴抗压强度的影响.利用BP神经网络模型对不同物理量进行训练,预测不同高温作...     

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.     

高温作用后砂岩蠕变试验及PSO-BP神经网络单轴蠕变长期强度预测研究

为了研究高温作用后黄砂岩的蠕变强度及变形特征,对高温作用后的黄砂岩开展单轴蠕变试验,系统地分析了高温损伤、轴压对黄砂岩蠕变变形特征、蠕变强度、蠕变速率的影响。利用PSO-BP神经网络算法对不同力学参数进行训练,预测高温作用后黄砂岩的单轴蠕变长期强度。研究结果发现：高温作用后黄砂岩存在蠕变应力阈值,低于阈值时仅发生稳定蠕变,高于阈值后发生不稳定蠕变;蠕变试验中试件处于低应力状态时,随着温度的增加,蠕变变形程度与稳态蠕变率呈线性变化关系。处于高应力状态时,温度对二者影响程度增大。使用PSO-BP神经网络预测高温作用后黄砂岩蠕变长期强度,发现比传统BP神经网络模型训练速度快、预测精度高。本文研究成果可为地下岩体工程高温后灾变重建提供一定的技术支撑和借鉴。     

深部软岩新型相似模拟材料的研制

在总结以往相似模拟材料特点的基础上,结合深部软岩强度、变形特征,本着相似材料组分简单、模型制作便捷等原则,研制了仅以河砂为骨料,松香酒精溶液为粘结剂的深部软岩新型相似模拟材料。通过对不同配比试样进行单、三轴压缩、巴西劈裂试验,获得了不同配比条件下该相似模拟材料的强度、变形、破坏特征。研究表明,通过简单的配比调配,该相似模拟材料可以较好地模拟深部大多类型的软岩,且具有组分简单、模型制作便捷、力学性能稳定、无毒无污染、价格低廉、一定程度上可重复利用等特点。     

Experimental study and numerical modeling of brittle fracture of carbonate rock under uniaxial compression

The brittle carbonate rock taken from the Tarim Oilfield is tested in laboratory under uniaxial compression. The acoustic emission (AE) is used to monitor the microcracking activity in rock during the experiment. Moreover, the 3D tomograms of carbonate rock after uniaxial compression are obtained by using CT imaging technology, which indicates that microcracks mutually interconnect and eventually form macroscopic fractures after failure. The PFC2D is used to model the behavior of brittle rock including microcracks propagation. The stress–strain curve and cracks distribution in rock model are obtained from the PFC simulation. The numerical results agree with the experimental test well.     

THEORETICAL ANALYSIS ON THE NUCLEATION OF MICRO-DAMAGE IN CEMENT MORTAR UNDER COMPRESSIVE LOADING AND SULFATE ATTACK

Effect of uniaxial compression on the nucleation of micro-damage in cement mortar under sulfate attack is investigated.Shape and size of micro-voids in cement mortar is detected using Micro Computed Tomography techniques.The formation of delayed ettringite crystal is analyzed using scanning electron microscope and energy disperse spectrum methods.Deformation of micro-voids and the distribution of stress at the surface of a micro-void are calculated.It is found that the nucleation of micro-cracks is caused by the tensile stress at the voids’ surface,and such damage nucleation will be speeded up by the remote uniaxial compressive load.