岩石破坏前兆的k-均值聚类识别方法

为研究岩石在外力扰动下发生突发性破坏时,与岩石破坏前兆密切相关的声发射信号,基于k-均值聚类方法的特征,开展了红砂岩单轴压缩声发射试验,以声发射信号的能量、幅度、上升时间、持续时间和振铃计数5个参数作为特征向量,进行k-均值聚类分析,获得了3种不同类型的声发射信号,并开展了时序演化分析。结果表明,第一类和第二类声发射信号自弹性阶段开始便持续密集出现,直至试验结束,无明显演化异常的阶段性变化;第三类信号在弹性变形阶段零星出现,在变形局部化阶段突变为持续密集出现,有明显的演化异常,与岩石的破坏机理相符,且异常时间点与散斑云图突变时间点相同,该类信号还具有能量占比大、信号数量占比小的特征,能够反映岩石破坏前兆信息,适用于岩石破坏预警。

岩石损伤破坏过程声发射试验及其能量特征分析

声发射是岩石变形破裂过程中的重要物理现象,也是反映岩石力学特性的一个本构参量。通过三轴应力条件下大尺度岩石损伤破坏声发射试验,得到了3类岩石破坏全过程力学特征和声发射特征。试验中利用高速多通道声发射数字记录系统,获得了岩石试件破坏前微破裂活动的详细时空分布数据。基于试验结果,研究了3类岩石(花岗岩、砂岩、大理岩)压缩变形破坏及其能量演化特征,进而推导出声发射累积能量释放与载荷之间的关系,并研究了预测岩石宏观破坏的前兆现象——能量加速释放。结果显示,3类岩石试件宏观破坏前均出现了能量加速释放现象,同时花岗岩的声发射次数发展都大于砂岩和大理岩,花岗岩与砂岩的损伤都以微破裂为主。

岩石破坏过程实时监测预警软件系统——搭建与初步应用

岩石损伤与破坏的预测预警是岩石力学的基本问题。在岩石单轴压缩实验中,通过Lab VIEW二次开发的方式实时获取实验过程中应变、表面散斑图像、声发射测试数据,采用HTTP、WebSocket等数据传输协议实时传输数据,搭建了“端—边—云”3层架构的岩石失稳破坏过程监测预警系统,实现了多元化监测数据的实时采集与动态融合,并对岩石单轴压缩破坏进行实时预测预警。该软件系统能够先于传统上的基于声发射振铃数和能量释放率的前兆特征,预测方法更为可靠,更具实际意义。该系统可迁移至矿山现场应用之中,为基于多元异构现场监测数据融合来进行矿山地质工程灾害预测预警提供了技术支撑。

基于临界慢化理论的细砂岩破坏前兆试验研究

为探究单轴荷载作用下含预制裂隙细砂岩的临界慢化特征与失稳前兆,利用MTS加载系统对不同预制裂隙角度的细砂岩开展单轴加载和同步声发射(Acoustic Emission,AE)探测试验,基于临界慢化理论方法对岩石试验损伤破坏过程的声发射特征参数(RA/AF、持续时间、上升时间)进行系统分析,研究结果表明:(1)在单轴加载条件下,当含预制裂隙的细砂岩石从损伤破裂相态转向失稳破坏相态时,会出现分散涨落现象,即呈现明显的临界慢化现象,表现为方差和自相关系数的骤然增大。(2)窗口长度和滞后步长对方差的前兆特征出现时间没有明显影响,而对自相关系数的波动性有较大影响,当窗口长度和滞后步长较小时,自相关系数波动较大;当窗口长度和滞后步长较大时,自相关系数波动较小。(3)声发射RA/AF值、持续时间、上升时间的方差和自相关系数前兆信号突变时间相同,波形起伏相似,且出现在新的微裂纹萌生的不可逆塑性变形阶段,故声发射RA/AF、持续时间、上升时间的方差和自相关系数增大可作为失稳前兆特征信息。(4)自相关系数相比方差而言波动较大,因此可将方差作为岩石损伤破坏向失稳破坏转变的主要判据,自相关系数作为辅助判据。研究成果可对滑坡、崩塌、采矿、隧道等突发性强、外部变形不明显的岩质脆性破坏的短临监测预警提供重要参考。

砂岩单轴压缩变形规律及声发射特性

为准确确定岩石岩爆倾向性,对砂岩进行单轴压缩条件下声发射检测试验,研究岩样单轴压缩变形规律与声发射特征.对荷载-变形曲线、AE参数进行统计分析,结果表明,压密阶段和线弹性阶段声发射振铃计数较少,累积能量曲线十分平缓,释放弹性应变能较低,从塑性变形阶段开始,AE活动频繁,累积能量呈指数级释放,损伤加快,声发射类型由之前的突发型变为连续型,应变曲线拐点处,往往出现AE参数峰值.分别对AE振铃计数、累积能量和岩石损伤进行监测分析,能较准确判断砂岩岩爆倾向性.

循环加卸载条件下红砂岩电阻率及声发射响应试验研究

为研究不同饱和度砂岩在不同应力路径下电阻率及声发射信号演化规律,尤其是声发射平静期内电阻率的响应特征,采用干燥、半饱和及饱和红砂岩试件分别开展单轴压缩、等幅循环加卸载和增幅循环加卸载试验。试验结果表明:电阻率变化均与应力具有较好的一致性,能够反映岩石在荷载作用下内部孔隙变化和微裂隙压密闭合、裂纹萌生及扩展;随饱和度的增加,声发射平静期明显增加,电阻率的变化能够有效反映声发射平静期内亚临界裂纹的扩展和岩石内部损伤的累积;不同加载路径下,干燥试件导电机制为骨架导电,电阻率总体呈上升趋势;饱和试件导电机制主要为水导电,电阻率整体表现为下降趋势;当增幅循环加卸载应力超过峰值强度50%后,不同饱和度红砂岩Kaiser效应消失,Felicity效应出现,Felicity比随应力水平提升逐渐减小。