砂岩单轴压缩试验P波速度层析成像及声发射特性研究

深部矿井开采极易诱发矿柱型岩爆,矿柱型岩爆严重威胁着矿山的安全高效开采,为探究矿柱型岩爆破坏机制和前兆信息,选用自贡红砂岩进行单轴压缩试验,并采用主动超声和被动声发射对破裂过程进行监测,联合主动超声与被动声发射监测数据对波速进行层析成像反演,分析试样破裂过程中波速演化规律。研究结果表明:砂岩试样在加载过程中速度模型呈现高度非均质性,在加载过程中会出现低速区,且声发射事件集中出现在低速区内部;P波速度离散度可反映全局波速变化特征,在峰值附近变化剧烈,随荷载增加P波速度离散度持续增大;声发射事件在峰前、峰后定位结果相差较大,峰前阶段声发射事件随机分布,峰后阶段声发射事件定位结果集中。此外,研究发现选用均质速度模型进行声发射事件定位会增大定位误差,试样最终失稳前b值的降低表明试样大尺度裂纹活动加剧,导致岩石非均质性增大,也间接证明了采用非均质速度模型进行声发射震源定位的必要性。该研究结果可用于现场矿柱稳定性监测,定期反演获得矿柱波速变化为矿柱型岩爆提供先兆预警信息。

基于三维快速扫描算法与到时差数据库技术的层状介质震源定位方法研究

定位算法是微震监测的核心,而速度模型是影响微震定位算法精度的主要因素。快速扫描法(fast sweeping method,FSM)是一种基于复杂速度模型利用求解程函方程(eikonal equation)计算地震波初至到时的算法,已广泛应用于地震定位及地球物理勘探等领域。将该方法引入岩土工程稳定性监测与评价领域,提出一种针对层状速度模型的震源快速定位方法。建立笛卡尔坐标系下三维FSM算法,分别在单一速度模型和水平分层速度模型中采用FSM算法计算点震源初至波走时,与理论解对比分析算法精度及其误差分布特征;进而针对层状速度模型,提出一种基于FSM算法的到时差数据库微地震震源快速定位方法;与基于简化地质模型的传统定位算法进行对比,研究该方法定位精度和计算效率。结果表明,相比较于传统定位方法,提出的基于FSM算法建立的到时差数据库震源定位方法对于层状地质模型微地震事件位置精度具有显著提升,且大大缩减了定位耗时。该算法可为层状地层震源定位、微震监测及室内声发射监测等提供重要的理论和技术支撑。

修正Hoek-Brown准则的等效Mohr-Coulomb强度参数确定方法研究

合理确定岩石材料强度参数是工程设计的关键问题之一。为有效描述岩石的强度特性,众多学者提出了大量三维强度准则,其中基于两参数偏函数的修正Hoek-Brown(H-B)准则取得了良好效果,能够有效地反映岩石的静水压力效应、Lode角效应及中间主应力效应等强度特性。确定修正H-B准则的等效Mohr-Coulomb(M-C)参数有利于提高其在工程应用中的便利性,因此提出一种基于I1-√J2平面计算三维强度准则瞬时等效M-C参数的方法,应用于修正H-B准则,并对计算方法的合理性及瞬时等效M-C参数与岩石强度特性的关系进行讨论。结果表明:瞬时等效M-C参数可有效表征非线性静水压力效应,且合理反映Lode角效应和中间主应力效应的区间性特点;瞬时等效M-C参数可有效表征静水压力对Lode角效应的影响和最小主应力对中间主应力效应的影响,静水压力增大时,Lode角效应更为明显,且当最小主应力增大时,瞬时等效内聚力反映出更为显著的中间主应力效应;该方法能够合理地计算瞬时等效M-C参数,修正H-B准则具有准确预测岩石强度的能力。上述成果对修正H-B准则在实际工程中的应用具有较强的指导意义。

修正Hoek-Brown强度准则在钻孔稳定性分析中的应用

钻孔稳定性分析是深部钻探工程的重要科学问题之一,选择合理的强度准则有助于提高钻孔稳定性预测的准确性,可有效地减少钻孔崩落事件的发生。由于广泛使用的Hoek-Brown准则忽略了中间主应力的影响,应用时无法充分发挥岩石强度潜能。引入一种有效克服诸多经典强度准则的奇异性与非外凸性缺陷的修正Hoek-Brown强度准则,将其应用于水平、垂直和倾斜钻孔稳定性分析中的最小泥浆压力计算,同时与Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Hoek-Brown、3D Hoek-Brown、Mogi-Coulomb和修正Lade准则等经典强度准则预测值进行对比。研究结果表明,修正Hoek-Brown准则与修正Lade、Mogi-Coulomb和3DHoek-Brown准则的预测结果相近,且修正Hoek-Brown预测值与实际工程所用泥浆的相对误差分别为2.1%和0.76%,证明修正Hoek-Brown准则应用于钻孔稳定性分析的适用性与准确性;最小泥浆压力随钻孔深度增加呈线性递增,且受钻孔方位角和倾斜角的影响;Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则所预测的最小泥浆压力值最大,增加了实际工程泥浆的用量,Drucker-Prager准则所预测的最小泥浆压力最小,但给出的预测结果偏于危险,易发生钻孔失稳;基于修正Hoek-Brown准则可得到理论上最佳的钻孔位置(即所需最小泥浆压力值达到最小),为钻井工程师进行钻孔位置优化提供有益参考。

缓倾地层微震定位算法探讨及其数值验证

倾斜层状地层中速度模型对于震源精确定位具有重要意义。基于水平层状地层两点间的快速射线追踪法,分析了应力波在倾斜地层中的传播路径及规律。结合网格搜索法,提出了针对倾斜地层的微震定位算法,并与传统的基于单一速度模型的定位算法进行对比分析;探索性地采用了颗粒流理论构建地层数值模型,通过颗粒间的相互作用模拟应力波传播进行定位算法有效性验证。研究结果表明:(1)对于倾斜地层,基于简化弹性波等速传播规律的定位算法精度较差,单一速度模型不能满足复杂介质的定位要求;(2)采用倾斜分层速度模型并改进应力波传播路径的计算方法能有效提高倾斜地层的震源定位精度,同时分析了地层倾角以及地层数对算法精度的影响,表明定位误差与倾角、地层数成正比;(3)通过减小网格搜索法的网格尺寸可在一定程度上提高定位精度,合理的尺寸大小和搜索策略有助于网格搜索法在实际工程中的应用。建立的倾斜地层震源定位及其验证方法可为进一步研究复杂地层定位监测技术提供重要的理论和技术支撑。

层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出“U”形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由“穿切层理面的劈裂型剪切破坏”转变“复合张剪破坏”再到“剪切滑移破坏”,最后转变为“劈裂张拉破坏”;3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。

二维非测速条件下声发射震源定位方法数值验证

基于离散元方法构建平板模型,研究应力波信号传播规律。在平板模型上布设震源点激发应力波作为主动震源,布设监测点记录应力波传播信息,采用3种典型监测点布设方式(等腰直角三角形、一般直角三角形和等边三角形)在非连续介质中进行二维非测速条件下定位试验研究,探讨应力波在三维FJM模型中的传播规律。研究结果表明:1)互相关技术能够准确计算应力波信号到达相邻监测点的时延,互相关系数可用于评估应力波衰减规律;2)数值模拟计算所得震源定位结果集中在实际震源周边,且定位误差较小;3)采用正弦波激发方式所得3种布设方式计算震源位置较优点的比例分别为100.0%,100.0%和87.5%,采用雷克子波激发方式所得3种布设方式计算震源位置较优点的比例分别为100.0%,95.8%和95.8%;4)在震源处施加集中力,各监测点P波位移场在施加力方向(z方向)上最大,在垂直于施加力方向(x和y方向)上无位移;平板上各监测点实际振幅与位移场远场项理论解相符。

CO_(2)地质封存诱发断层活化和流体泄漏模型及数值研究

地下注入二氧化碳(CO_(2))可能通过改变孔隙压力和地下应力而引发地震。深入了解流体注入导致的断层再活化的基本机理对于评估与地下流动过程相关的地震及流体泄漏风险具有重要意义。基于此问题,本文推导了地层和断层内CO_(2)与水两相渗流控制方程,建立了模拟CO_(2)注入诱发断层活化及泄漏的全过程数值模型,重点分析了不同的断层属性和CO_(2)注入工况对断层活化及流体泄漏的影响。数值结果表明,在断层活化后,其渗透率显著提升,最大增幅可达106倍,将断层滑移区从原本的阻碍渗透的屏障状态转变为主导渗流通道。不同的初始切向渗透率对断层活化时的力学特征有显著影响,初始切向渗透率越大,断层滑移量越大。具有较强的剪切刚度的断层对注入诱发的活化表现出更强的抵抗能力。此外,CO_(2)注入速率影响了断层活化的地震和CO_(2)泄漏。低注入速率在相同的注入量下引起的断层滑移量更小,但伴随着更多的CO_(2)泄漏;而高注入速率下,断层滑移量更大,但CO_(2)泄漏量较少。

低频动载应力波传播规律及颗粒流模拟方法研究

基于颗粒流理论,分别建立大尺度一维、二维颗粒流数值模型,研究低频动载应力波的传播规律。在一维颗粒链模型中,分别从震源激发方式、黏结模型、数值弥散、边界条件的角度系统地研究P波在数值模型中的传播规律,为模拟动载应力波在二维颗粒流模型中的传播提供了参考数据。大尺度一维颗粒链模型(6 400 m)研究结果表明:(1)雷克子波不存在高频角点,比正弦波更适合模拟波场震源;(2)当颗粒链模型采用接触黏结时,P波振幅随距离的增大而衰减,但波速基本不变,与理论值的相对误差为0.12%;(3)当颗粒链模型采用平行黏结时,P波波形产生强烈扭曲;(4)数值弥散分析表明,雷克子波峰值频率的增大和震中距的增大均会使弥散程度增大,但峰值频率的增大主要使波的振幅降低,震中距的增大使振幅和波速均降低。当频率f≤60.23 Hz,角频率?与波数k近似成线性关系,弥散现象可忽略;(5)边界条件分析表明,对于刚性边界,反射波与入射波的振幅大小相等,符号相反,边界处质点的位移等于0;对于自由边界,反射波与入射波的振幅完全相等,符号相同,边界处质点的振幅为入射波的2倍;对于吸收边界,反射波振幅比入射波相比大约减少了96.8%,能有效降低反射波的影响。根据以上结论,在大尺度二维六角形排列颗粒流模型(3 000 m?3 000 m)中,采用接触黏结模型,并施加吸收边界条件,分别探讨了P波和S波波阵面特征及波形与波速的变化,并定性地分析了远场条件下的场源效应。结果表明:(1)当在震源处施加集中力时,模型中出现由点震源激发的P波和S波。考虑到颗粒间的切向刚度为零,S波的存在说明颗粒几何排布对应力波在颗粒模型中的传播规律影响很大;(2)当震源频率一定时,震中距越大,P波和S波的振幅及波速均因弥散作用而降低,且S波弥散程度更大;(3)场源效应分析表明,在震源处施加集中力时,P波位移场在力的方向上幅值最大,在垂直于力的方向上无位移;S波位移场在垂直于力的方向上幅值最大,在力的方向上无位移。上述研究得到了应力波在大尺度一维、二维颗粒流模型中传播的规律,与理论分析结果较为吻合,对进一步模拟研究岩石的动态力学行为及其细观机制具有重要的参考价值。

基于巴西劈裂试验的花岗岩热损伤研究

针对常温(25℃),200℃,400℃,600℃和800℃温度处理后的花岗岩圆盘试样开展巴西劈裂试验,分析抗拉强度、体积膨胀率、P波波速等宏观物理力学性质的变化情况,同时研究温度对花岗岩微观结构和声发射特性的影响。研究结果表明:(1)扫描电镜扫描的结果显示,花岗岩经高温处理后内部萌生微裂纹,随着处理温度升高,微裂纹数目增多、延伸长度增长、张开宽度及扩展范围增大,且不同矿物成分的温度敏感性存在差异;(2)花岗岩经高温处理后抗拉强度下降,体积膨胀,P波波速降低;(3)在400℃~600℃范围内,P波波速骤降且试样切片的裂纹密度骤增,表明花岗岩热损伤阈值温度在此温度区间内;(4)声发射监测的结果显示,不同温度处理后试样的声发射事件时序分布存在差异,较高温度(600℃和800℃)处理后的圆盘试样,其加载过程中的声发射事件数目明显少于较低温度(≤400℃)处理后的圆盘试样,且试样破坏前夕声发射事件的增幅显著减小,声发射事件的定位结果与宏观劈裂裂纹的对应性减弱。

岩石真三轴强度与Mohr-Coulomb准则形状函数修正方法研究

基于颗粒流理论和PFC3D程序,建立Lac du Bonnet花岗岩的BPM模型,施加周期性边界条件。通过使周期性空间扭曲变形,保持恒定的平均应力p和Lode角q,进行真三轴试验,提出一种修正Mohr-Coulomb准则形状函数的新方法。建立试样的三维强度包络面,并从三轴平面、双轴平面和p平面3个角度,探讨Mohr-Coulomb准则的局限性:(1)Mohr-Coulomb准则预测的单轴抗拉强度偏大。(2)Mohr-Coulomb准则未考虑中间主应力的影响。(3)Mohr-Coulomb准则适用范围有限,在30 30s-°<q<°范围内,Mohr-Coulomb准则强度偏于保守。探索中间主应力对岩石强度的影响规律,结果表明:当2s处于低值时,1s随2s的增大而增大,而后达到了"平台期";当2s处于更高应力状态时,1s随2s的增大而减小。通过考虑中间主应力的影响,将Mohr-Coulomb准则形状函数修正为关于平均应力p的函数。将拟合的K值与修正的Lade-Duncan准则预测值进行比较,结果表明,本文的修正方法比修正的Lade-Duncan准则能更准确地描述岩石的常规三轴强度,研究方法及结论可为岩石强度研究提供有益参考,且具有一定的实际工程意义。

二维非测速条件下声发射震源定位方法试验研究

针对岩体工程震源定位问题,基于已有的二维非测速条件下声发射震源定位方法,将传感器布设方式由等腰直角三角形改进为任意三角形,实现传感器布设一般化,并将其推广为适用于岩石材料的震源定位方法。开展花岗岩平板定位试验研究,选取3种典型传感器布设方式(等腰直角三角形、一般直角三角形、等边三角形)验证该方法的适用性。结果表明:(1)采用互相关技术能够准确计算相似波形信号之间相位差及声发射信号到达相邻传感器的时延;(2)震源定位结果均分布在实际震源周边,定位误差较小,且6次重复试验定位结果均方差较小,离散性低;(3) 3种传感器布设方式震源定位结果的较优点比例分别为82.6%,84.0%和71.0%。验证了该定位方法在岩石类非连续介质中的适用性与准确性,相关研究成果可为深部围岩开挖诱发的板裂破坏监测定位提供理论支撑。

岩石破裂声发射压缩波到时拾取方法及其优化改进研究

岩石破裂过程中的微震及声发射监测技术已广泛应用于岩石工程领域。P波到时自动拾取是进行岩石破裂源定位和矩张量反演等声发射(AE)技术研究的基础与关键,为提高到时拾取精度,分析Allen拾取法、Baer-Kradolfer改进拾取法、高阶统计量拾取法以及AR-AIC拾取法对模拟正弦信号振幅、频率与相位突变识别的敏感性。基于加拿大原子能公司地下实验室(URL)的隧道密封试验现场监测数据,对比分析几种拾取方法对不同信噪比(SNR)水平的信号拾取结果,研究表明。Allen拾取法、Baer-Kradolfer拾取法和高阶统计量拾取法具有更广的信噪比识别范围,特别对低信噪比水平的信号具有较强识别能力,进而提出对AR-AIC拾取法的改进思路。利用改进AR-AIC拾取法对真实声发射信号进行到时拾取,得到影响拾取精度的关键因素以及适用于工程尺度的局部范围的声发射信号的合理参量,进而成功对信噪比水平小于10的声发射信号进行自动到时拾取,研究认为高阶统计量法中的峰度拾取法是应用改进AR-AIC法初拾阶段的最优方法,其自动拾取与人工识别结果时差小于5μs的准确率为94%,表明提出的改进AR-AIC拾取法在实际应用中,特别是对低信噪比水平信号进行到时拾取具有良好的适用性。