组合煤岩破裂声发射特性和冲击倾向性试验研究

为完善冲击地压灾害预测判据,通过试验研究煤、岩石和组合煤岩3类试样的声发射(AE)特性及冲击倾向性规律。结果表明:组合结构中的岩体对煤体的力学性质和冲击倾向性有显著影响。试样的载荷-冲击倾向-声信号变化具有一致性,随着冲击倾向从弱至强变化,AE信号分布呈密集连续-脉冲连续-瞬时脉冲的特征。分析大量不同冲击倾向性试样的AE量化数据发现,试样冲击倾向性越强,其峰后AE振铃计数和能量变化率越高,由此可将峰后AE振铃计数和能量变化率作为冲击倾向性判据。

温度与加载速率对岩石力学性质的影响

通过实时高温不同加载速率下花岗岩的单轴压缩声发射试验和扫描电镜试验,研究了岩样在温度和加载速率共同作用下的力学性质与分形特征。研究结果表明:(1)岩样应力—应变曲线可以分成压密、线弹性、非弹性和破坏四个阶段。随着加载速率由0.001 mm/s增加至0.1 mm/s,岩样压密阶段变短,弹性模量增加,峰值应变逐渐减小。(2)岩样峰值应力、振铃计数率与温度的变化规律相一致,均呈现先下降后上升趋势,在600℃时达到最小值。(3)峰值应力、振铃计数率随加载速率的增加呈线性增大趋势。加载速率由0.001 mm/s增加至0.1 mm/s,峰值应力由37.166 MPa增加至53.769 MPa,增幅为44.673%;振铃计数率由107 380增加至141 644,增幅为31.909%。(4)岩样破裂的分形维数与加载速率呈线性增大,但温度超过600℃,岩样结构晶体改变,温度的影响占据了主要因素,导致分形维数随加载速率变化规律不明显。研究成果为岩土地下扰动、工程爆破等实际工程中岩石力学参数的选取提供了有益的参考价值。

软岩声发射序列分形特征研究

为研究软岩声发射序列的分形特征,在MTS815程控伺服刚性试验机上,对膏质泥岩、粉砂岩、页岩进行单轴压缩下的声发射试验。结果表明：声发射序列分形是有限度的,超过一定限度不再分形;随相空间维数m的增加,双对数图整体下移且无标度区变窄,同时关联维数D呈现出增加-稳定-发散的发展过程;3类岩石均在应力水平40%~50%时,关联维数D值最大,随后声发射活动在主破裂附近产生丛集现象,关联维数降低至较低水平;声发射分形维数的演化表现为＂波动-上升-有起伏的整体下降＂链式模式,同时得出损伤破裂的分形识别模式为＂峰值-第2波峰＂模式或称＂反对号（■）＂模式。据此为岩体稳定性监测提供一种新的识别方法。

单轴压缩下不同含水率红砂岩声发射特性试验研究

采用高低两种不同频率的声发射通道,对3种不同含水率的红砂岩进行单轴压缩声发射试验,分析了不同含水率下的红砂岩力学特性与声发射特性.试验结果分析表明:随含水率增加,红砂岩峰值应变量呈下降趋势;两种不同的声发射通道中,随着含水率的增加,声发射振铃计数均减少,主要区别在于数量明显不同;同一种声发射通道中,含水率对高频通道中振铃计数率变化规律无明显影响.低频通道中,随着含水率的增加声发射振铃计数出现明显的“滞后”现象.

片麻岩风化程度及其声发射规律试验研究

作为建筑地基使用的泰山片麻岩,埋藏浅、区域特征明显,其风化特性对土木工程稳定性的影响广泛而复杂。应力-应变关系试验发现,5组片麻岩试件的A、B、C-D和E组分别隶属于未风化、中等风化、强风化和全风化4种风化程度。力学性质试验时同步检测不同风化程度片麻岩的声发射信号,发现随片麻岩风化程度的提高,振铃计数率呈明显下降趋势;未风化及中等风化片麻岩的振铃计数率最高可达2 500次/s,具有能量累积并集中释放的特点,岩石脆性特征较明显;强风化片麻岩的振铃计数率平均约200次/s,声发射信号密集,岩石具有典型的延性特征;全风化片麻岩的平均振铃计数率仅约15次/s,声发射信号离散、无规律,岩石已等同于散体介质;得到了部分片麻岩风化程度与声发射之间的量化规律。建立的片麻岩风化程度与声发射关系,可应用于指导风化片麻岩地基的处理,寻求匹配的地基置换材料。

单轴压缩条件下花岗岩次声波特性试验研究

为研究花岗岩变形破坏过程中次声波信号特征,对中细粒二长花岗岩进行了单轴压缩次声波试验,研究了岩石变形破坏过程中次声波振铃次数、能率特征,重点分析了不同应力水平下累计振铃次数变化规律,同时对次声波能率分形维数进行了研究。研究结果表明:次声波振铃次数与能率在应力峰值前均有突增现象;相对应力水平小于70%左右时,次声波累计振铃次数变化整体趋向平稳,相对应力水平大于70%左右时,累计振铃次数呈现明显上升趋势;次声波能率具有明显的分形特性,能率分形维数在相对应力水平87%~96%范围内降至最小值,这一现象可作为岩石破坏的前兆特征。

一种低暗计数率CMOS单光子雪崩二极管

基于标准0.18μm CMOS工艺设计了一种新型单光子雪崩二极管(SPAD)器件。该SPAD以p-well/n-well轻掺杂雪崩结作为器件的核心工作区域,同时利用三个相邻n阱间的横向扩散在pn结边缘形成n-虚拟保护环以提高器件的性能。采用Silvaco软件对该器件的电场分布、响应度、击穿电压、光子探测效率和暗计数率等性能参数进行了仿真分析。仿真结果表明:当SPAD器件的光窗口直径为20μm且n阱间隙宽度为1.4μm时,其雪崩击穿电压为13V;在过偏压为1V时,其探测效率峰值和暗计数率分别为37%和0.82kHz;在450～700nm波长范围器件的响应度较好,且在500nm处达到峰值0.33A/W。

不同含水状态花岗岩断裂力学行为及声发射特征

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,对两种不同含水状态的深部细粒英云闪长岩进行了三点弯曲试验,得到烘干状态及饱水状态下花岗岩的载荷–LPD曲线、声发射振铃计数率、AE撞击数曲线。试验结果表明,在水的影响下花岗岩的断裂力学特性和声发射特征都有较大变化。饱水状态岩样的平均断裂韧度为干燥状态下的87.5%,且在试验过程中整体的变形变大,其刚度变小,脆性减弱,强度变低。在岩样三点弯曲的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率远小于干燥状态岩样;在试验过程中出现了明显的Kaiser效应。岩样以V型截面拉断破坏为主;饱和岩样声发射事件数远大于干燥岩样。研究结果对于受含水层影响的深部花岗岩岩土工程设计及施工具有重要的理论及实际指导意义。

单轴压缩下砂岩声发射及分形特征研究

为研究砂岩在单轴压缩下声发射及分形特征,在MTS815程控伺服刚性试验机上,对早古生代志留系下统小河坝组(S1x)砂岩进行单轴压缩下的声发射试验,结合声发射特征参数、应力应变关系以及分形特性,对岩石整个失稳破坏过程进行分析。结果表明:小河坝组砂岩声发射及分形特征、力学特性在岩石损伤破裂过程中具有一致性,以应力比0.6~0.8之间振铃计数率的变化趋势段作为岩体失稳与破坏的识别方法;相空间维数的选取对关联维数有一定影响,随相空间维数m的增加,关联维数D呈现出增加-稳定-发散的发展过程;声发射序列在应力比为0.3~0.5时,关联维数D值最大;声发射序列关联维数曲线表现为"波动-上升-下降-波动"的演化模式,在较高应力比0.7~0.8时,关联维数D在介于0.9~1.4之间小幅波动。据此,可为工程中岩体失稳与破坏的监测预报提供一定的理论基础与数据支撑。

水对含孔煤体蠕变声发射特性影响的试验研究

水是影响煤体稳定的主要因素。为了全面分析水对钻孔周围煤岩体蠕变声发射特性的影响,通过室内制取含水率0、4%、8%以及饱和含水4种含水状态的单孔试样,开展不同含水率下的分级加载蠕变声发射试验,得到不同含水率下钻孔周围煤岩蠕变声发射规律。试验结果表明:(1)含水率的改变影响钻孔孔周煤岩体的蠕变力学性质,蠕变瞬时应变与稳态应变随含水率的增加呈指数上升,其中饱和含水试样应变增幅更加明显,其瞬时应变及稳态应变最大增幅达到44.5%和28.6%。(2)含水率影响蠕变过程中累计振铃计数及轴向应变的大小,轴向应变随着含水率的增加而增加,累计振铃计数随着轴向应变的增加呈线性上升,且含水率越大,累计振铃计数增加幅度越大,不同应力水平下,含水率4%、8%及饱和含水试样的累计振铃计数增减幅度基本维持在43%、53%和74%。(3)声发射振铃率在每一级蠕变阶段都会有增长—减小—稳定的趋势,随着含水率增加声发射活跃程度明显降低,并且蠕变曲线相对于声发射数据在时间上会出现一个滞后效应。研究为瓦斯抽采、钻孔护孔及声发射检测方面提供了指导。

实时高温下钢纤维混凝土的力学特性及其声发射响应

对普通混凝土、钢纤维混凝土进行高温下的单轴压缩试验,采用声发射技术对混凝土在高温下的实时损伤进行全程监测。研究结果表明,相比于同温度段普通混凝土,在力学性能方面,20~600℃四个温度段钢纤维混凝土的抗压强度分别提高了12.07%、4.15%、11.25%、3.24%,残余强度分别提高了2.67 MPa、3.51 MPa、0.98 MPa、2.74 MPa,并且应力曲线的延性更好。在声发射方面,钢纤维混凝土在受压过程中释放的能量更大,其声发射信号的强度和频度更高,声发射信号密集波段更长,并且其振铃累计计数最大值也更大,混凝土的宏观力学性能与其声发射响应具有较好的对应关系。钢纤维的掺入可以延缓混凝土在实时高温下的劣化损伤。

单轴加载作用下花岗闪长斑岩声发射特性与破坏前兆研究

准确判别岩石产生的失稳破坏是当前研究的热点。本文通过花岗闪长斑岩试样单轴加载声发射试验,分析其受载作用下失稳破坏全过程声发射的幅值、振铃计数率和b值变化特征。由试验结果可知:振铃计数率与b值的整体变化趋势具有高度相似性,均能反映岩石承载作用下其内部新裂缝的产生、发育、贯穿直至失稳破坏的变化规律。进一步发现,当加载应力达到其峰值强度的80%~90%时,不仅振铃计数率进入大幅度反复振荡的非稳定期,且声发射b值的峰值后“断崖式”回落中出现“波动中值”,此现象可作为岩石失稳破坏前的判据。研究成果可为岩体变形破坏预测预警提供理论依据。

不同加载速率下小纪汗煤矿煤样强度及声发射特征研究

利用材料力学试验机及声发射信号检测分析系统,对小纪汗煤矿煤样进行了不同加载速率下单轴压缩过程中的声发射试验,得到了煤样应力应变全过程的声发射特征曲线,分析了不同加载速率下煤样的强度极限、声发射能量及振铃计数等特征参数的变化规律。研究表明:随着加载速率的增加,煤样抗压强度和压缩率呈现先上升后降低的变化趋势,煤样声发射能量释放形式由孤震型向震群型转变,在低加载速率下岩样能量释放形式主要表现为孤震型,在较高加载速率下则主要表现为震群型;不同加载速率下煤样振铃计数变化趋势大致相同,都经历缓慢增加与快速增加阶段,且随着加载速率的提高,声发射累计振铃计数明显减少;单轴压缩时煤样的破坏表现为单剪及双剪破坏,煤样声发射三维定位图与破裂实物图吻合较好。

断层冲击地压失稳过程声发射特征实验研究

利用花岗岩双剪滑动模型进行岩石界面滑动实验,以声发射系统作为岩石界面滑动过程信息采集手段,开展断层冲击地压失稳的声发射特征研究。对花岗岩界面滑动过程中声发射振铃计数、声发射能量、声发射主频和声发射事件率进行分析。根据分析结果可知:(1)岩石界面产生滑动时对应的荷载降低量值逐渐增加;岩石界面滑动时刻对应的声发射振铃计数激增,且激增量值呈现逐渐减小的变化趋势;(2)在岩石界面滑动全过程中,岩石界面首次滑动时声发射能量较小,随着加载的进行,岩石界面发生滑动时刻对应声发射能量整体呈现逐渐增大的变化趋势;(3)岩石界面首次滑动后,各主频范围内的声发射事件均减少,在界面滑动时刻的声发射事件减少更为明显;(4)在岩石界面发生滑动前,荷载增长变缓时刻,声发射事件率开始出现下降,此特征可作为断层冲击地压发生的前兆信息。

单轴压缩条件下砂岩声发射特性研究

进行了单轴压缩条件下砂岩的声发射试验,研究了砂岩单轴压缩破坏全过程声发射特性。试验结果表明,岩石破裂过程中,声发射具有与力学参数同步的阶段性特征,且岩石的不同变形阶段的声发射特征不同。根据岩石受压过程中声发射的能量、能率和事件率的变化,能较好地表征岩石受压破坏的时空演化规律。

p-well/DNW单光子雪崩二极管保护环的最小化设计（英文）

为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸,基于0. 18μm CMOS图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well) SPAD的保护环尺寸进行设计,并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件.测试结果表明,保护环尺寸减小到0. 4μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB),且保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数率(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小.直径为20μm的SPAD器件,温度为25℃时暗计数率为638 Hz,且波长为530 nm时峰值光子探测概率为16%,具有低的暗计数率特性和宽的光谱响应特性.

SPAD探测器深n阱保护环宽度对暗计数噪声的影响

为了探究单光子雪崩二极管(SPAD)器件的保护环宽度(W_(GR))对暗计数噪声的影响,基于标准180 nm CMOS工艺,设计了以低浓度掺杂深n阱(DNW)为保护环的p阱(PW)/DNW结构,通过实验和TCAD仿真研究了W_(GR)对暗计数噪声的影响。实验结果表明,当W_(GR)从1μm增加到2μm时,室温下SPAD器件的暗计数率(DCR)从79 kHz显著减小到17 kHz;当W_(GR)从2μm增加到3μm时,DCR不再发生明显变化。TCAD仿真揭示了当W_(GR)从2μm减小到1μm时,保护环区域的电场强度增长较大,导致缺陷辅助隧穿(TAT)效应引起的暗计数显著增加。当W_(GR)增加到2μm以上时,保护环区域的电场强度不再降低,继续增大W_(GR)对降低DCR不再有效,反而会导致SPAD器件填充因子减小。因此DNW W_(GR)为2μm的SPAD器件在具有低暗计数率的同时又有较小的尺寸,有利于高密度阵列的集成。

充填体真三轴加卸荷全过程声发射序列分形特征试验研究

针对复杂应力条件下充填体因开采导致的瞬态裸露破坏失稳问题,开展充填体真三轴加载单向卸荷试验,并结合声发射监测手段及关联维数理论研究充填体因加-卸荷引起的内部损伤特征演化规律。研究结果如下:在不同应力路径的真三轴条件下,充填体均产生X型共轭剪切破坏,且剪切破坏程度受应力载荷影响较大;基于声发射振铃计数率的关联维数能够较好地描述试验过程中充填体内部结构演变过程,且峰后卸荷时呈先增大后减小的规律;当声发射振铃计数率进入平静期且关联维数进入快速下降阶段时,充填体进入失稳阶段。本文研究成果可以为矿石崩落致使充填体侧面裸露时的破坏研究提供参考。

陷落柱骨架砂岩三轴压缩渗流特性及声发射特征试验研究

为研究陷落柱骨架砂岩在不同围压及渗透压条件下的力学性质、渗流特性和声发射基本特征,采用岩石三轴渗流实验系统及AE21C声发射监测系统,开展三轴压缩条件下渗流试验,得到砂岩变形过程全应力-应变及渗透率演化曲线,同时获得砂岩变形、渗透率及声发射信号演化规律。研究结果表明:(1)陷落柱骨架砂岩具有明显的脆性特征。渗透压相同时,砂岩应力峰值强度、弹性模量及峰值应变随着围压的增大而增大;围压对砂岩宏观破坏特征影响明显,破坏形式由多裂纹剪切破坏逐渐变为单斜面剪切破坏。(2)砂岩总体呈现低渗透特性。砂岩渗透率演化规律与三轴加载应力-应变关系具有密切的相关性。渗透率总体呈现出逐渐减小,平稳发展,迅速增加的三阶段变化特征。(3)声发射变化特征与应力-应变及渗透率曲线特征基本一致。初期阶段,振铃计数率随围压升高而减小;裂隙发育扩展阶段,声发射振铃计数率呈现密集活跃状态并逐渐增大;失稳破坏阶段,振铃计数率迅速增大后又快速回落。试验结果对于研究岩溶陷落柱的稳定性及渗透性变化规律具有重要参考价值。

高温作用后黄砂岩的力学特性研究

对经25~1 000℃作用后的黄砂岩进行常规三轴压缩试验,研究黄砂岩的表观形态和力学特性。研究结果表明:经不同温度作用后,黄砂岩呈不同的颜色,总体上随着温度的升高,颜色会加深。经600℃作用后,受温度影响岩体体积膨胀逐渐明显,体积变化率增大。温度从25℃升到1 000℃的过程中,黄砂岩的密度和弹性模量随温度的上升逐渐降低。围压作用下的黄砂岩,在600℃之前,峰值强度随温度的升高明显呈二次非线性升高,弹性模量下降较小;在600~1 000℃时,峰值强度随温度变化呈二次非线性下降趋势,弹性模量也呈下降趋势,且温度越高,降幅越大。黄砂岩经不同温度作用后,在围压由5 MPa增大到15 MPa时,其最大振铃计数率及累计振铃计数率均发生改变。