径向不耦合装药爆压消峰作用及其对岩石破裂范围影响

弄清单孔爆破岩石破裂规律是揭示群孔爆破岩石破碎机理的基础。从理论上阐明了单孔爆破岩石破裂机理,采用高能爆轰炸药模型和混凝土损伤模型,分别模拟了空气与水不耦合装药下单孔爆破的应力变化过程、裂纹扩展过程以及不耦合系数为1.0~3.5时岩石粉碎区与裂隙区大小;分析了炮孔壁上爆破压力峰值、粉碎区与裂隙区的大小随不耦合系数的变化规律。研究结果表明:由于不同介质的影响,空气不耦合装药结构对于爆压的削峰作用约是水不耦合装药结构的2倍;当不耦合系数介于1.0~3.5时(药卷直径不变),空气不耦合装药下粉碎区直径介于4.44~1.59倍炮孔直径,裂隙区直径介于22.5~7.62倍炮孔直径;水不耦合装药下粉碎区直径介于4.44~2.74倍炮孔直径,裂隙区直径介于22.5~10.67倍炮孔直径。

基于小波包分解岩石破裂声发射信号响应机制与脆性评价研究

岩石脆性是控制岩石破裂的关键指标,决定着能否在压裂过程形成有效的缝网。通过声发射信号研究岩石脆性特征与破裂行为,能够直接揭示岩石破裂与脆性之间的关系。但目前尚未建立声发射信号特征与岩石破裂模式的关系,无法准确描述岩石的脆性特征。为此,基于小波包分解方法对岩石声发射信号进行能量频带划分,建立不同脆性岩石破裂模式与声发射信号能量分布之间的关系,通过对声发射信号的三维空间分布特征进行分析,提出了基于声发射信号能量分布的岩石脆性指数评价方法。研究表明:声发射信号的能量特征与岩石的脆性有关,能量分布的主频率大多在750 kHz以内,岩石脆性矿物含量越高,该频率的声发射信号所占比例越大,岩石破裂声发射信号能量分布越集中,岩石破裂的突变性越强,裂缝张性、剪切及混合演化扩展模式转换越明显,脆性指数也越大。该研究可为岩石破裂预警等方面的研究提供借鉴和参考。

数据趋势融合分析方法在岩石破裂判识与预警中的应用

准确判识岩石破裂对保障矿山安全生产具有重要意义。为此,提出了一种双元数据趋势融合分析方法,以单一趋势指标Ti、融合趋势指标C_Ti和趋势变化率R组合判别岩石破裂阶段。针对应力、位移和声发射3种岩石破坏的伴生信息,构建了象限坐标双元数据趋势融合预警模式,实现了岩石破裂等级的准确判识与预警,并分别采用室内试验数据和现场监测数据进行了验证。研究表明:双元数据趋势融合分析方法可以准确判识室内试验不同岩性岩石的破裂阶段;将该方法应用于现场监测数据分析,其预警结果在象限坐标中的分布具有明显特征,预警危险信号位于第四象限;现场验证该方法的预警结果与实际地压活动情况高度吻合。

基于AO优化VMD-小波包的岩石破裂声发射信号去噪算法

针对岩石在破裂过程中产生的大量含噪声发射信号问题,基于天鹰优化(Aquila Optimizer,AO)算法提出一种改进的变分模态分解(VMD)联合小波包分解的声发射(AE)信号去噪算法。利用Circle混沌优化的AO算法对VMD算法中的分解模态个数K和二次惩罚因子α进行寻优,有效避免了人为经验选取参数导致的时间消耗以及效果不佳等问题;利用得到的最优参数组合对岩石破裂声发射信号进行分解,得到一系列本征模态分量,结合相关系数筛选出含噪分量;然后利用小波包去噪算法对含噪分量进行处理;最后,将未处理的分量与降噪处理后的分量重构得到去噪后的AE信号。通过仿真和实测信号分析,结果表明与现有去噪算法相比,该算法能更好地去除AE信号中的噪声分量,保留信号的频域特征信息,可为后续利用声发射信号探究岩体破裂规律提供参考。

基于改进VMD的岩石破裂声发射信号滤波算法

在岩体损伤演化的过程中会释放出带有大量信息的声发射(Acoustic Emission,AE)信号,针对AE信号的非平稳性和非线性等特点以及在采用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)算法对岩石AE信号去噪时分解参数K和惩罚因子α难以确定的问题,将VMD算法应用于岩石破裂AE信号滤波中,对岩体AE信号进行预处理,利用Tent混沌优化的麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)对VMD算法的参数K和α进行优化搜索,其适应度函数为包络熵最小值。之后根据搜索结果来确定VMD的分解参数K和惩罚因子α,并利用优化后的VMD对岩石破裂AE信号进行滤波。经仿真和实验分析可知,Tent-SSA的优化速度和优化精度较为优越,Tent-SSA-VMD的滤波效果优于常规滤波算法。

岩石破裂过程中电阻率变化机理的探讨

受压岩石在破裂过程中 ,视电阻率会出现明显的变化 ,其异常形态与实验条件有很大的关系 .实验中对磁铁石英岩样品施加了单轴压缩 ,岩石的破裂经反复加载和卸载实现 ,并在岩样的裂隙中注入了食盐溶液 .在实验的各阶段 ,对样品的主剖面重建出一系列内部真电阻率分布的图像 ,揭示了介质内的微细结构 ,从而探讨了视电阻率变化的原因 .实验发现 ,岩石中裂隙的存在及所含液体的饱和状态 ,是岩石在主破裂前控制电阻率变化的两个最重要的因素 ;低应力状态属常态导电过程 ,孔隙度的变化是主要因素 ;高应力状态属裂隙表面导电机制 ,随着破裂面在岩体内部出现 ,水和孔隙有了完全贯通的平面 ,多种导电机制都得以发挥作用 .此外 。

爆破震动与岩石破裂微震信号能量分布特征研究

以矿山现场微震数据为基础,选取矿山爆破震动信号与岩石破裂微震信号对比研究。首先,运用Matlab的小波包分析模块对微震信号进行5层多尺度分解,分别求取各节点处重构信号的小波包频带能量,对爆破震动信号与岩石破裂信号的频带能量分布特征进行研究;其次,通过建立新的频带空间,对比二者的能量分布特征。结果表明,矿山现场微震信号的频带能量分布特征为:岩体破裂信号的能量多集中于S5,0～S5,7低频频带(0～125 Hz),爆破震动信号的能量则在S5,24～S5,31频带(375～500 Hz)表现得较为集中。该分析方法为矿山识别爆破震动事件与岩石破裂事件提供了一种思路,利用二者能量分布差异大、特征对比明显的特点,通过对比新频带空间内的能量分布特征,可以实现对两类微震波形的初步辨识。

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的 RFPA2D数值模拟软件,用 2 种不同的岩石材料来组成 7 个不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件,通过单轴加载数值模拟试验,模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程,分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系,讨论了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式及其破坏准则。

岩石破裂中的电声效应

利用１６通道高速数据采集系统及三分量声发射换能器对多种岩石样品在单轴压缩及双剪破裂过程中产生的电磁辐射（ＥＭ）和声发射（ＡＥ）及其相互关系进行了实验研究．结果表明，岩样尺寸和岩石矿物成分对电磁辐射的产生及其特性都有较大影响．ＥＭ与ＡＥ的关系具有多样性，既有伴随ＡＥ出现的ＥＭ，还有不伴随ＡＥ出现的ＥＭ．这表明除微破裂产生的电磁辐射外，可能存在产生电磁辐射的非破裂机制．

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论:(1)在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2)声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3)每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4)声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。

岩石破裂过程中的超低频电磁异常

震前电磁场和大地自电位的异常是重要的地震前兆现象.在零磁空间对超低频段的磁场和自电位的变化进行了岩石破裂的实验研究,细致地揭示出电场、磁场出现异常变化的全过程,对深入认识超低频电磁信号的微观机理具有重要的意义.实验发现,岩石受力后应变、电位和磁场的缓慢变化在空间分布上是首先在近破裂源处出现,继而随裂纹的发展而改变位置;在时间序列上先出现自电位异常,然后是超低频磁场的变化;在异常形态上,超低频电磁信号呈现出早期、中期、晚期3个阶段的明显差异.研究表明,岩石微破裂引起裂隙尖端处的电荷分离. 静电荷在局部区域的积累和运移,导致了自电位的脉冲状变化;而在主破裂阶段,积累电荷的急速运动形成瞬间电流,激发了脉冲式的磁场异常.本文详细介绍了这一综合实验的技术步骤和观测结果,并对地震电磁前兆的微观机理进行了探讨.

遥感-岩石力学(VIII)——论岩石破裂的热红外前兆

岩石破裂存在多种前兆,它是岩石力学和岩石工程中的一项重要研究内容。在总结多年遥感-岩石力学基础实验研究的基础上,对岩石破裂的热红外前兆进行了系统总结与分析,包括:前兆表现形式及其类型、前兆的时间及空间特征、前兆的机理等。研究表明:(1) 岩石破裂的热红外前兆有平均红外幅射温度-时间曲线异常和热像异常2种形式,分别反映前兆的时空特征;(2) 热像异常分为高温条带和低温条带两种类型,平均红外幅射温度-时间曲线异常分为降温、升温加速和降温转升3种类型;(3) 前兆出现在岩石载荷峰前s = (0.77～0.87)sp 的应力区间内,与微破裂带的形成密切相关;(4) 高围压和压性强的剪性破裂出现前兆的几率要大于低围压和压性弱的剪性破裂,而随着破裂向纯剪过渡,前兆出现的几率降低,且前兆发生的时间越接近岩石破裂时刻;(5) 岩石破裂热红外前兆机理是岩石热弹和摩擦热效应的综合。

细观非均匀性对岩石破裂过程和微震序列类型影响的数值试验研究

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统 ,研究了岩石介质细观非均匀性对宏观力学行为的影响和微震序列特征 .通过对不同均质度系数m =1.1,1.5 ,2 ,3,5的 5个样本进行破裂过程的模拟 ,发现均质度不同会产生不同地震序列类型 ,主要有 :前震 -主震 -余震型、主震型和震群型 .此外 ,对 5种不同均质度系数的岩石样本破裂过程的模拟表明 ,岩石介质的非均匀性不仅对岩样宏观强度和宏观变形非线性行为有显著的影响 ,而且也显著地影响试样破裂模式 .随着均质度系数的提高 ,主破裂呈现脆断模式 .同时介质的细观结构随机性 ,也对试样宏观破裂模式产生重要影响 .

基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究

应用声发射及其定位技术,采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程。实验结果表明,在岩石弹性变形阶段,声发射事件定位位置为岩样内部的应力集中位置;随着加载的进行,声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向,并直观地反映出其内部裂纹稳定扩展过程。从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出,初始裂纹产生的位置具有随机特性,且初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素。岩样尺寸影响其破坏模式,受加载过程裂纹初始时序不同影响其声发射活动规律表现不一致;不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性,其中砂岩在加载过程其声发射活动具有突跳特性,这主要与岩石均质程度相关。声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置,这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义。

岩石破裂时电磁辐射的影响因素和机理

根据实验提出，岩石破裂时产生电磁辐射的影响因素主要是岩石力学性质和矿物组成．脆性破裂的样品和含石英、黄铁矿、黄铜矿等的样品易产生电磁辐射．存在３种破裂－辐射效应：晶体破裂效应、压电效应和天然半导体效应，分别是产生高频信号。

岩石破裂过程中声发射模式的数值模拟

利用数值模拟软件RFPA2D对在单轴压缩加载条件下 3种不同均质度的岩石试件破裂过程进行了模拟研究 ,讨论了整个破坏过程中的声发射时间序列和空间分布规律以及相关的震源特征和前兆异常等·实验结果表明 ,随着均质度的增加 ,岩石在主破裂之前非线性逐渐减弱而脆性逐渐增强·3个岩石试件的声发射规律分别表现出群震型、前震 主震 余震型和主震型 3种模式 。

岩石破裂过程的统计损伤模拟研究

根据岩石微元破裂服从正态分布的特点 ,引进能合理描述岩石微元强度的参量 ,基于岩石单轴应力应变试验曲线建立了反映岩石破裂全过程的统计损伤本构模型 ,据此对岩石统计损伤变量进行合理修正 ,从而建立了反映岩石破裂全过程的三维统计损伤本构模型 ,充分反映了岩石强度受应力状态影响的现象 。

岩石破裂过程的数值模拟研究

考虑不同粒度组成和缺陷分布的岩石 ,对其裂纹扩展、演化过程的影响 ,建立数学模型 ,应用 RFPA2 D程序分析了均质度对岩石类脆性材料在外载作用下的裂纹扩展、演化过程的影响 ,和相关的实验结果进行对比 ,指出了均质度对材料破坏过程的决定性影响。

岩石破裂电磁辐射频率与弹性参数的关系

为进一步研究岩石破裂电磁辐射特征,本文根据岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时产生带电粒子扰动引起的假说,通过断裂力学理论中的张开位移法计算岩石破裂过程中的裂纹宽度,由电磁辐射频率与破裂宽度之间的关系,研究电磁辐射频率与弹性参数之间的关系,并给出了它们之间的关系表达式.通过建立具有中心贯穿裂纹的无限大平板模型,根据破裂宽度计算了在该模型条件下几种岩石破裂过程中产生电磁辐射频率范围.理论模型计算出来的频率范围主要集中在实验观测的中高频段,并体现出频率随弹性参数的变化.

水力压裂时岩石破裂压力数值计算

以多孔介质流体渗流与岩石应力-应变耦合理论为基础,推导水力压裂时岩石破裂压力数值计算方程,提出一种全新的岩石破裂压力计算方法。该方法考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用,采用有限元法数值计算技术,能模拟计算流体向地层渗滤情况下井眼周围地层有效应力的时空分布,因此,该方法不但能求得岩石的破裂压力,还能同时求得岩石的破裂时间。建立的破裂压力数值计算理论克服传统破裂压力解析计算方法的许多不足,如无法精确计算井眼周围孔隙压力的升高导致应力集中加剧对破裂压力的影响,无法计算地层破裂的确切时间等问题。该计算理论的建立,实现岩石破裂压力数值计算的突破和计算精度的提高,为水力压裂时岩石破裂压力的计算找到了新的理论和方法。