断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明:(1)侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56º断层,45º断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。(2)声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量(能量、分形维数、频谱幅值)均呈现明显的“突增”特性。(3)声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元信号的相互补充与验证。

循环荷载作用下煤岩电荷感应与微震信号变化规律

为进一步提高深部地下工程中煤岩失稳破坏监测预警的针对性和准确性,采用自主研发的多通道电荷感应和微震综合监测系统,监测和分析在不等幅循环荷载作用下煤岩变形破裂过程中电荷感应和微震信号的时、频特性和能量特征,并与单轴压缩实验进行对比。结果表明:循环荷载下煤岩在不同阶段的电荷感应和微震信号各具特点,卸载段会产生较多微破裂和损伤,煤样在发生多裂纹贯穿劈裂破坏前会频繁出现峰值较小的电荷感应信号,需特别注意。对微震信号傅里叶变换进行频谱分析,发现微震信号频谱特征能够很好地反映煤样内部裂隙的扩展状态,并且主频幅值的增高与微震信号的增强具有同步性。采用电荷感应和微震信号共同划定煤岩的受载阶段,可以得到更加准确的失稳预警信息。

基于线性方程-Adam算法的微震震源定位研究

为了提高矿山微震震源定位精度及定位稳定性,提出线性方程-Adam定位方法。通过仿真模型实验分析各参数对定位结果的影响,最后利用柿竹园矿爆破实验和人工爆破实验验证该定位方法的定位精度及定位稳定性。研究结果表明:线性方程-Adam算法在2个实验中的定位误差分别约为3.9,8.2 m,相较于提到的其他算法,其定位精度均提高了30%以上。研究结果可为矿震震源反演定位提供参考。

单轴压缩条件下煤样电荷感应试验研究

利用自主研制的电荷感应仪,建立单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程电荷感应信号测试系统。通过室内试验,研究同一矿区煤在不同加载速率下的变形破裂过程的电荷感应规律。试验结果表明,煤在变形破裂过程中有电荷感应信号产生,电荷感应信号是瞬时脉冲信号;煤样在临近峰值应力时电荷感应信号最强,在煤样破坏时电荷感应信号也较强;煤样变形破裂过程中不同表面的电荷感应信号强度不同,且不完全同步,较大破裂面的电荷感应信号更强;加载速度越大,所产生的电荷感应信号越强、越丰富;煤样在突然加卸载时,有电荷感应信号产生。煤变形破裂过程产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。电荷感应信号与煤的破裂有一定关系,可以用电荷感应信号反映煤的变形破裂状态。因此,电荷感应方法可作为检测煤变形破坏过程的新手段,也为评定冲击地压等煤岩动力灾害提供一种新的方法和手段,值得深入研究。

岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测

设计了采用非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器,并给出了电荷传感器的设计原理和技术指标。利用研制的电荷传感器对岩石变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了检测试验。结果表明,岩石在变形破裂过程中会产生电荷感应信号,并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲的;随着加载应力水平的增加,电荷感应信号强度增强,在峰值应力前,电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强,主破裂面接收到的信号最强,因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一,电荷感应方法应是一种很具潜力的方法,值得深入研究。

循环载荷作用下岩石多参量特征规律研究

为有效提取岩土工程在循环载荷作用下岩体失稳破坏的前兆信息,基于岩样在循环载荷作用下有声发射、微震和电荷等多参量信号的异常变化特性,用多参量综合监测设备,同时监测岩石在循环载荷作用下变形破裂过程中的多参量信号。结果表明:在岩石循环加卸载的各个阶段,当载荷低于前一阶段最大载荷时,各通道多参量信号都较弱;而当载荷超过前一阶段最大载荷时,多参量信号迅速增多、增强,即岩石多参量信号的阶段性特征能反映岩石破坏信息及载荷状态。因此,对比分析多参量信号可较好地获得岩石失稳破坏的前兆信息。

基于剪切梁层间失效模型的断层冲击地压分析

将剪切梁层间失效模型用于分析断层冲击地压的发生,在不考虑断层的弹性时对断层冲击地压进行了解析分析,得到了剪切梁的位移和应力分布规律和断层冲击地压发生时撕开裂纹长度和临界载荷。分析了撕开裂纹长度和临界载荷与各种力学参数之间的关系。研究结果表明:当采深越大,剪切梁的剪切弹性模量越小,剪切梁厚度越厚,断层带剪切软化模量越大;断层带厚度、滑动摩擦系数、剪应力峰值强度越小时,断层冲击地压容易发生。采深、剪切梁的剪切弹性模量、断层带剪切软化模量、剪应力峰值强度、断层带厚度这些参数对断层冲击地压的发生影响较大。其结果为预测、防治断层冲击地压提供了理论依据。

预制裂纹花岗岩单轴压缩全过程声发射特征试验研究

为有效提取含有宏观构造岩体失稳破坏的前兆信息,对不同倾角预制裂纹的花岗岩进行了单轴压缩全过程声发射变化特征试验。结果表明:预制裂纹对岩样峰值强度的影响是显著的,随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩试样的峰值强度降低。随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩变形破裂过程中声发射事件数和声发射震级都增加,出现声发射前兆信息时试样的应力大幅降低,完整试样的应力为峰值应力的88.5%,裂纹倾角30°时为84.5%,裂纹倾角45°时为56.2%,裂纹倾角60°时为46.3%,声发射前兆信号出现的时间也更为提前。花岗岩变形破裂过程中声发射事件主要集中在预制裂纹区域。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,因此对含有宏观构造的岩体应加强宏观构造处的监测。

单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验

针对岩样在外载荷作用下失稳破坏前有声发射、微震和电荷等信号的异常变化特性,运用声发射、微震和电荷感应等全波形综合监测设备对含断层带花岗岩在单轴压缩下变形破裂过程的信号进行同步监测。结果表明:含断层带花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、微震和电荷感应同步前兆信号,在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、微震和电荷感应大幅值前兆信号。断层带对花岗岩试件强度的影响是显著的,含断层带试件的单轴抗压强度大大降低。随着断层带倾角的减小,试样的单轴抗压强度降低,岩样更容易失稳,失稳破坏的能量也更大。随着断层带倾角的减小,试样变形破裂过程的声发射、微震和电荷感应信号都增多,试样出现同步的前兆信号时的应力降低,在试样失稳破坏阶段声发射、微震和电荷感应前兆信号事件的持续时间都增大。断层带倾角30°时,声发射、微震和电荷感应信号突变性增加,进入危险阶段大大提前,大震级事件也显著增多,在矿井大倾角断层处更为危险。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较短;在试样失稳破坏阶段同步产生密集且最强的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较长。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,对声发射、微震和电荷感应前兆信号相结合分析,可以更准确地获得岩石失稳破坏的前兆信息。

矿井岩石变形破裂电荷感应试验研究

基于岩石变形破裂过程的电荷感应规律是预测顶板断裂型冲击地压的基础。提出电荷感应方法检测岩石破坏的前兆信息。利用自主研制的单轴压缩岩石电荷感应试验系统,检测到花岗岩和砂岩变形破裂过程的电荷感应信号,并与煤进行对比。综合分析获得岩石变形破裂过程的电荷感应规律。结果表明:岩石变形破裂过程中有明显的电荷感应信号产生,且与岩石的应力水平有一定关系;岩石较大破裂面接收到的电荷感应信号较强;与煤相比,岩石的电荷感应信号更强,信号也更丰富;岩石电荷感应信号的优势频率较低,其中10 Hz以下的信号更占优势。岩石电荷感应信号可作为检测岩石破坏的前兆信息。

不同矿井煤样变形破裂过程中的电荷感应实验研究

采用单轴压缩煤电荷感应信号测试系统,研究了不同矿井煤在不同加载速度下变形破裂过程中的电荷感应规律。研究结果表明,煤样在加载初期即有电荷感应信号,随着应力水平的增加,不断有电荷感应信号产生,且信号幅值不断增加,在应力峰值前后电荷感应信号最强,信号也最为丰富,煤样主破裂发生后仍有明显的电荷信号,但信号幅值较小;在煤样应力发生突变时有较强的电荷感应信号产生;抗压强度越高、冲击倾向性越强的煤样,电荷感应信号也越强,信号越丰富,持续时间越长;加载速度越大,所产生的电荷感应信号越强。电荷感应信号与煤的变形破裂和煤样类型有一定关系,可以用电荷感应信号反映煤的破坏程度。

不同组合比例煤岩的电荷感应与微震规律试验研究

针对煤岩在屈服破坏过程中有微震和电荷信号产生这一特征,利用自行设计的微震和电荷感应信号监测试验系统,分析不同组合比例煤岩在变形破裂过程中微震和电荷信号的变化规律。研究结果表明:微震和电荷信号是低频信号,信号频谱集中分布在0～80 Hz,应力突变与微震信号和电荷信号的产生及变化有较好的一致性;随着"煤-岩"高度比的增加,试样的单轴抗压强度减小,试样屈服破裂时微震和电荷信号幅值增大,同步性增强,试件破坏的突发性增强;试件破坏过程中电荷比微震信号数更多,初次明显的电荷信号也早于初次明显的微震信号。

单轴压缩下花岗岩电荷变化的实验研究

利用自主研制的电荷感应仪对花岗岩样品在单轴压缩变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了实验研究。结果表明,在岩石变形破裂达到峰值强度时比在峰值强度前有更强的电荷感应信号产生,电荷感应信号也受岩石应力的变化速率影响,在应力变化速率大时,有较强的电荷感应信号。在有变形破裂时,电荷感应信号就较强,变形破裂较小的面所对应的测点的电荷感应信号就较小,这表明电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。产生的电荷随着时间衰减。如果应力变化速率大,岩石变形破裂时产生的电荷在短时间内衰减很小,同时又有大量的自由电荷产生,所以在岩石变形破裂时,应力变化速率大时,有较强的电荷感应信号。

含裂隙砂岩破裂特征及微震和电荷感应信号规律试验研究

为了有效提取含裂隙砂岩失稳破坏的前兆信息,用试验方法研究了单轴压缩条件下完整砂岩和不同倾角裂隙砂岩的破坏特征及电荷感应信号和微震信号的规律。结果表明,裂隙的存在成为影响砂岩的单轴抗压强度和破坏特征的主要因素,随着裂隙倾角的减小,砂岩的单轴抗压强度会降低,破裂形式由拉剪复合破裂向剪切滑移破裂转变。完整试样微震与电荷信号只有在峰值应力附近出现高幅值波动,在加载初期压密阶段和弹性阶段信号较低;含裂隙岩样微震与电荷高幅值信号出现时间提前,高幅值脉冲数增多,且高幅值脉冲从完整试样只出现在峰值应力附近,到有裂隙时在岩石弹性后期出现多个高幅值脉冲数转变。当裂隙倾角由60°→45°→30°变化时,微震与电荷信号由开始的密集型信号向多个孤立型信号转变。微震信号与电荷信号并不是完全同步的,在岩石峰后阶段才有较好的"协同性"信号产生。岩石发生应力降是产生微震和电荷感应信号的充分非必要条件,将微震和电荷感应监测技术与岩体监测区域应力场分布结合指导现场实践有助于提高预测准确性和减少地质灾害的发生。

单轴压缩下花岗岩电磁信号的实验研究

利用自主研制的电荷感应仪对花岗岩样品在单轴压缩变形破裂过程中产生的电荷感应信号和磁信号进行了实验研究。实验结果表明,在岩石变形破裂达到峰值强度时比在峰值强度前有更强的电荷感应信号产生,电荷感应信号也受岩石应力的变化速率影响,在应力变化速率大时,有较强的电荷感应信号。在有变形破裂时,电荷感应信号就较强,变形破裂较小的面所对应的测点的电荷感应信号就较小,这表明电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。电信号比磁信号多,在岩石变形破裂时不断有电信号产生,且有明显的变化,而磁信号的变化不明显。电信号相比磁信号受外界的干扰小,幅值大,说明用电荷感应的方法监测岩石的变形破裂前兆更有优势。

基于损伤模型的圆形洞室矿震分析

采用应变损伤模型对圆形洞室矿震的发生进行了解析分析,得到了发生矿震的洞室临界塑性区深度和临界作用力,得出损伤内变量 k0,kc是决定圆形洞室矿震发生的重要参数。

不同类型岩石加载破坏的微震和电荷感应信号特征研究

根据岩石变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生,利用岩石变形破裂过程微震和电荷感应监测系统,对不同类型岩石在单轴压缩和加卸载下变形破裂过程进行实时同步监测以获取微震和电荷感应信号特征。试验结果表明:不同类型岩石在变形破裂过程中有微震和电荷感应信号产生,微震和电荷感应信号是低频信号,信号频谱主要集中在40 Hz以下,随着岩石强度的增大,岩石变形破裂过程中的微震和电荷感应信号事件数增大且信号强度也增大;岩石变形破裂过程中微震和电荷的产生机理不同,微震信号是由于岩体裂纹扩展释放弹性应变能而引起的振动波,而电荷主要有微破裂、摩擦作用、压电效应等综合作用产生;对比不同类型岩石变形破裂过程的微震和电荷感应信号并对各信号进行相关性分析,研究发现,岩石在失稳破坏时存在着丰富的微震和电荷感应信号,且各信号具有高相关性,此阶段可作为最危险预警区。

条带开采中采出率对地表沉陷影响的数值模拟研究

对水平煤层条带开采进行了二维有限元数值模拟研究,分析了条带开采中采出率的变化对地表沉陷的影响,提出了条带开采中比较适合的采出率,为工程实践提供了依据。

花岗岩单轴压缩下电荷信号时频特征研究

为进一步研究花岗岩变形破坏的前兆特征,采用自主研发的电荷感应监测系统,获得了花岗岩变形破坏全过程时-频域信息,并设计数字滤波器降噪。研究结果表明:岩石在变形破坏过程中伴随着电荷信号产生,随着加载速率的增大,能量积聚加快,岩石破裂所需积累能量时间越短,产生高幅值电荷信号越提前,应力调整次数增多,高幅值脉冲数量增多。对信号傅里叶变换并进行频谱分析,发现信号主频分布在0~100 Hz。岩石变形破坏频域特征总体表现为主频幅值在岩石产生应力降时急剧增加,且在岩石完全破坏时主频幅值增幅最大,主频幅值与电荷感应幅值增高具有同步性,可将电荷信号与主频幅值急剧提高作为岩石失稳破坏前兆特征之一。设计了数字滤波器,较好地滤除了工频干扰信号和高频噪声信号,提高了频谱分析准确性。

条带开采中上覆岩层岩性对地表沉陷影响的数值模拟研究

对水平煤层条带开采进行了二维有限元数值模拟研究,分析了条带开采中上覆岩层的岩性变化对地表沉陷的影响,找到了条带开采中上覆岩层的软硬对地表沉陷影响的一些规律。