单轴压缩条件下大理岩破裂过程声发射频谱演化特征实验研究

开展大理岩单轴压缩声发射实验,采用快速傅里叶变换获得声发射信号二维频谱图,提取其主频及次主频,进一步选用表征声发射信号频谱的主频与次主频的比值α和主频幅值与次主频幅值的比值β,结合分形理论研究大理岩破坏过程声发射频谱演化特征。研究结果表明,(1)大理岩破裂过程声发射次主频特征绝非全部波形的共有现象,仅为部分信号所特有,可以将声发射信号分为仅存在主频、不存在次主频的A类信号与主频、次主频同时存在的B类信号;(2)在岩石损伤的裂隙扩展至破坏阶段,A、B两类信号事件率中的较低值减少消失,累积事件数增长速率明显增大;(3)声发射信号主频带与次主频带分布规律相似,表现为连贯密集的条带状演化特征;(4)α、β均具有分形特征,其关联维数随着岩石损伤的增加表现出不同特征的降维现象。

采空区侧留巷围岩破坏机理及补强支护方案

针对受侧方采动影响巷道变形量大、支护困难等问题,以补连塔煤矿22304回风平巷为研究背景,通过理论分析及数值模拟方法获得巷道围岩应力分布规律,并从多维角度分析采空区侧留巷围岩不同位置、主应力差值及塑性区三者之间的关系,得出围岩破坏机理,进一步对其补强支护围岩控制效果进行分析。结果表明:采空区侧留巷围岩应力分布在空间上呈现一定规律性,主应力变化幅度较大位置出现在工作面后方,主应力差值在煤壁后方约300 m处达到稳定;主应力差值与塑性区尺寸具有正相关性;工作面后方围岩主应力大小和方向变化导致塑性区非对称分布特征;进而确定补强支护关键部位,经分析该补强方案具有较强针对性,可达到协同控制两帮及顶板的目的,保证围岩稳定性。

不同水压加载下煤体裂隙渗流数值模拟

为研究煤体在不同水压加载下内部裂隙的渗流运动和孔隙变形规律,应用纽迈核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)扫描与图像重构技术建立煤岩微孔隙渗流模型,而后借助COMSOL软件,在煤体两侧为固定边界,其上部边界分别进行1~10 MPa水压逐级加载的条件下,对煤体的微观裂隙通道进行渗流运动的数值模拟分析。模拟结果表明:煤体中只有贯通裂隙参与渗流运动,非贯通孔裂隙不参与渗流运动;渗流过程最大流速先是呈现较大速率的正比例增长,在水压达到4 MPa时会突然保持稳定,在水压超过5 MPa后又呈现出较小速率的正比例增长。裂隙介质最大变形会在水压接近4 MPa时到达一个峰值然后突然反弹减小,又逐渐缓慢增大直至最后趋于稳定。应力云图特征表明,渗流过程中应力场变化趋势与裂隙位移变形趋势一致,渗流过程中的水力耦合作用是水压在4 MPa时渗流规律发生改变的主要原因。

砂岩单轴压缩破坏全过程声发射主频特征分析

通过单轴压缩声发射实验获得红砂岩受压破坏全过程的声发射低频、高频信号及力学特征,对获得的信号波形采取小波阈值去噪后提取其主频,基于频谱分析理论,分析了砂岩破坏全过程的主频变化特征和频带能量占比规律。研究结果表明:声发射信号主频值分为10~25 k Hz、45~60 kHz、120~135 k Hz、140~155 kHz、160~175 k Hz密集度明显的5个特征频段,其中45~60 k Hz的频段对应着岩石试样发生破坏时的主要破坏模式,高于45~60 kHz的频段和低于45~60 kHz的频段分别对应着微小裂纹的萌生和较大裂隙的形成;主频频率变化特征在岩石变形破坏各阶段表现不同,压密至弹性变形阶段内,较为集中,主要存在于特征频段内,进入微裂隙稳定发展阶段后,分布范围由较为集中朝复杂离散方向转变,裂隙扩展至破坏阶段,在更加离散化的同时又相对集中;岩石临近破裂时,声发射信号主频段更加离散化;声发射信号频带能量主要集中在0~250 k Hz,其中46.875~62.5 k Hz和234.375~250 k Hz频带的能量占比随荷载的增加,分别减小与增大。

花岗岩破裂全过程声发射时频域信号特征及前兆识别信息

为寻求岩石临界破坏判据和前兆特征,在花岗岩单轴压缩声发射试验的基础上,获得了岩石变形破裂全过程中的声发射时频域信号信息,结合频谱分析理论提取了波形信号的主频值,将时频域各特征参数联合起来,共同分析其变化特征及破裂前兆识别信息。研究结果表明:声发射事件率在高应力阶段之前,表现为以高、低值交替出现,到高应力阶段后,以中、高值交替出现;累积事件数表现为随荷载的增加快速上升,在极高应力时突然转为平缓;能率及累积能量随岩石加载过程可分为2段“活跃期”和1段“缓慢释放期”;主频分为1#—5#的5个频段,其中2#频段对应岩石破裂过程中最主要的破裂模式,3#,4#,5#频段属于高频段,1#频段属于低频段,高、低频段分别对应微小裂纹的萌生和微小裂纹闭合形成大裂隙;声发射时频域各参数均有较好的前兆识别特征,破裂前兆时间响应顺序为:主频最早,事件率、能率及累积能量次之,累积事件数最晚。研究成果可为声发射技术运用于实际岩土工程中监测预防煤岩复合动力灾害发生提供可靠依据。

不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析

对直径相同、高径比不同的4组红砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验,获得了各试样的力学基本参数及试验全过程所释放的全部声发射原始波形信号,在对每个声发射信号逐一去噪的基础上,通过快速傅里叶变换提取其主频,联合时频域共同分析尺寸效应对岩石力学性质及声发射信号主频特征的影响。结果表明,随着高径比增大,试样的脆性破坏程度明显,破裂时的延性减弱;红砂岩声发射信号主频分布范围为10~175 kHz,明显成频段分布;尺寸效应对声发射信号主频的影响主要体现在频段分布的差异上,30~60 kHz、140~155 kHz和160~175 kHz为各尺寸试样所共有的频段,其中30~60 kHz频段占比最大,对应着岩石损伤演化的最主要破坏模式;岩石变形破坏过程中,主频分布特征朝复杂离散方向持续转化。

水-岩作用下砂岩声发射与红外辐射耦合研究

为探究水-岩作用下的砂岩破裂变形机制,开展天然与饱水砂岩单轴压缩声发射实验与红外辐射观测实验,通过对各变形阶段的轴向应力、声发射能率、分形维数以及红外辐射频数直方图与偏度共同分析了水对砂岩力学性质、声发射以及红外辐射变化的影响。研究结果表明:水对岩石的抗压强度、承载能力等力学性质有明显弱化作用;水抑制了岩石的声发射活动以及裂纹发育规模,天然试样的平均峰值能率、能率释放活跃阶段的持续时间以及幅度均大于饱水试样,能率与应力同步性较饱水试样好;两类岩石声发射能率的关联维数均为升-降-升-降的变化规律,饱水试样声发射对裂隙离散无序发育以及聚集有序发育的响应时间均较天然试样晚,能率的释放较天然试样呈现更高的无序性;水增强了红外辐射的敏感性,饱水试样受载过程中升温区域逐渐增大,破坏时表现为岩石表面大面积升温,天然试样受载过程中温度变化幅度小且不稳定,破坏时表现为出现少数高温异常点,两类岩石峰值应力前均出现温度变化平静期。研究成果可为岩石灾变时地球物理信号响应机制提供理论参考。