破裂岩石加固后力学性质试验研究

地下工程开挖过程中,经常会遇到破裂结构岩石,而且完整岩石在高应力或其他因素作用下也会发生破裂。破裂岩石往往具有岩块强度较高、岩体强度较低的特点,但破裂岩石经过有效加固后能够保持较高承载能力。应用室内模拟方法,对完整岩块以及采取注浆胶结、锚杆–注浆胶结联合加固2种方法加固后的破裂岩石力学性能进行试验研究,获得破裂岩石加固后的强度恢复信息。试验结果表明,注浆胶结加固后的破裂岩石试样抗压强度可以恢复到完整岩石试样的40%～50%,无残余强度;锚杆–注浆胶结联合加固的破裂岩石试样抗压强度恢复率略大于胶结岩石试样,残余强度明显提高。

破裂岩石的力学性质分析

在分析岩石破裂结构形式的基础上 ,重点建立了含单裂隙破裂岩石的强度与破裂结构形式和应力状态变化的关系 ,分析了含裂隙岩石 (体 )内部应力状态的不均匀性及裂隙内部应力随外部荷载变化而发生的主应力偏转等因素对整个含裂隙岩石结构体强度的影响 ,并进一步推广到多裂隙岩石的强度分析 .所得结果可用于有限元分析 .

破裂岩石的力学性能及在深井软岩控制中的应用

在拟合破裂岩石强度和变形特征的基础上，运用FLAC3．3对巷道支护阻力与围岩位移量的关系进行了模拟，分析了不同岩性条件下，支护阻力对围岩位移量的控制程度，并同人工神经元网络的拟合结果进行了对比。提出了支护阻力对控制软岩巷道具有重要作用及敏感作用范围的观点。在铁法矿区进行了工程实践，有效地控制了深井软岩巷道。

一种破裂岩石稳态渗透试验系统及其应用

水在破裂岩石的渗流不服从Darcy定律。由于破裂岩石的渗透率很大和密封方面的困难,在MTS试验系统上采用瞬态渗透法不能测量破裂岩石的渗透率。为了研究破裂岩石的非Darcy流渗透特性(渗透率和非Darcy流β因子),开发了一种破裂岩石非Darcy流渗透特性试验附加装置。本文介绍了这种附加装置的构成以及其嫁接到MTS815.02系统上测试非Darcy流渗透特性的试验原理和试验技术要求,并给出了试验系统的应用。

峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用Forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。

破裂岩石的电子发射与压缩原子模型

本文根据压缩原子模型提出岩石在高压及破裂过程中产生自由电子的一种可能机制。根据这种机制可在半定量水平上较为满意地解释岩石破裂中的电子发射、光辐射和岩石的爆炸式破裂。

峰值破裂岩石的气体渗透性试验研究

为了测试采矿工程中峰值破裂岩体的气体渗透特性,设计了与气体渗透系统相配套的气体渗透仪。对淮南顾桥矿采集的标高-653～-771m的煤系岩石制成的标准岩样,先利用MTS815系统加压至峰值强度,而后测试其气体渗透性能。理论分析了一维非Darcy渗流过程及该情况下的渗透率求解方法。试验结果表明,即使位于深部,岩石破裂后的渗透率也比完整时大103～106个数量级,同时,破裂砂岩的渗透率要比同标高的破裂泥岩高。

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。

闪长岩破裂的声发射前兆现象及其裂纹路径演化规律

为了研究岩石破裂过程中裂纹扩展路径演化规律,基于声发射监测数据,结合矩张量反演、裂纹尺度量化及裂纹拓扑关系量化建立了裂纹扩展路径分析方法,并基于室内声发射试验分析了闪长岩单轴压缩破坏过程。研究结果表明:闪长岩在受载过程中产生微裂纹的特征尺度为1.06 mm,明显高于矿物颗粒的平均尺度;随着应力的增加,闪长岩试件内部的微裂纹由离散状态逐渐过渡为相互贯通状态,微裂纹相对集中区域更容易演化为宏观裂纹。

考虑岩石破裂后变形特性的巷道围岩特征曲线

给出了岩石破坏后侧向应变与纵向应变之比与围压之间的定量相关关系,并利用霍克—布朗（Hock-Brown）的节理岩体经验强度准则,推导出了考虑岩石破坏后变形特性的巷道围岩特征曲线方程,并给出了一个工程算例。结果表明,理论结果与实测结果比较吻合。

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．

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。

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。

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 。

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。