不同荷载作用下拉破裂的声发射特征研究

采用类岩石材料研究了不同加载条件下的张拉裂纹的破裂过程,并利用声发射(AE)测试技术分析了劈拉试样和三点弯曲试样在断裂过程中裂纹的萌生、起裂、扩展和破裂全过程的声发射特征。试验结果表明,声发射的阶段性突发特征反映了张拉裂纹阶段性扩展的力学机制。但是,在不同的加载条件下,张拉破裂的声发射特征有所差异：在弯拉应力作用下,试样拉破裂的声发射特征表现可分为声发射数的渐进增长、快速增长、突发式增长和逐渐下降4个阶段;而在劈拉应力作用下,试样破裂的声发射特征可分为声发射数缓慢增长、声发射数突发和声发射数的稳定发展3个阶段。在弯拉应力作用下,裂纹的萌生和聚集阶段的声发射特征明显,但在劈拉应力作用下几乎观察不到其声发射特征变化。不同破裂模式下的声发射特征值得进一步研究。     

砂岩临界状态的声发射能量与等候时间差统计分布规律

应力作用下的脆性岩石破裂过程的能量释放具有临界特征,为了解岩石加载过程临界点前后声发射(AE)能量及时间的统计分布规律,在实验室对砂岩进行了单轴压缩试验,得到了临界点前后加载阶段的声发射信号特征,并分析了各加载状态下的函数分布特征,结果表明,(1)由声发射定位发现了岩石试样从均匀的随机扩张到向条带集中直至最后贯通的过程,贯通前的裂纹扩展导致累计能量(2.8×10~8 a J)和累计声发射数(6.68×10~5)发生突变,标志着达到临界态;(2)临界点前后加载阶段的声发射能量概率密度函数(PDF)在4个数量级内满足幂律分布(见式(1)),通过最大似然估计法统计发现临界点前后两个阶段幂值分布存在一定差异;(3)任何能量区间范围内,等候时间差d符合双幂定律。在小的时间差范围(d0.1s)内各能量区间服从相同的幂律分布,在大的时间差范围(d0.1 s)内不同的能量区间会出现不同的幂律特征;(4)结合能量统计分布规律与等候时间差d分布规律,临界态的声发射信号与全过程的声发射信号分布规律较为一致,全过程分布规律的能量信号主要集中在临界点后的加载过程。     

砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明：（1）岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;（2）利用声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;（3）通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;（4）峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。     

含水砂岩在破坏过程中的频谱特性分析

通过对含水砂岩进行单轴加载声发射试验,获取声发射信号。对整个加载过程声发射信号进行FFT变换,发现随着加载地进行,声发射信号的峰值频率由60 kHz下降到40 kHz,平均主频比自然状态下的砂岩平均主频降低了1 kHz;通过分析能量和岩石声发射事件数之间的关系,发现能量与对应声发射事件数之间的比值越大,说明能量是由较大的破裂导致的,而能量值与对应声发射事件数之间的比值越小（数量级在104以下）,说明能量是由多个小破裂同时产生积聚而成的;用Welch法做功率谱估计,发现得到的声发射信号其功率谱大致分为A、B两种,B类功率谱对应信号的相位突变性强。选取一些较大能量信号,计算这些信号出现之前的B类型功率谱出现的几率,发现越接近破裂出现B类型功率谱的几率越大。研究结果为分析岩石破裂全过程的声发射特性提供了一条新的思路,也为声发射应用于岩石破裂失稳预报奠定了一定的工作基础。     

脆性不同岩石的声发射能量特征研究

为研究不同脆性岩石的声发射能量特征,利用4种脆性不同岩石进行常规单轴压缩试验,加载同时进行声发射信号检测,得到了应力-应变曲线和声发射能量曲线。结果表明,试样砂比越大,脆性越强;峰值之前,各试样应力-应变曲线形状相似,均无明显塑性变形段,最大的区别在于各曲线斜率不同,而声发射曲线可明显区别出塑性变形段,并且随着脆性增强,塑性段在变短;峰值处,声发射能量达到最大值,且最大值与试样脆性指数满足乘幂函数关系;峰后应力瞬间降落到底,声发射能量持续较短时间,随着脆性增强,声发射活动持续时间在缩短。     

不同类型储层岩石三轴压缩变形破裂与声发射特征研究

随着页岩气开采、废水回注和CO₂地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明:(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储盖层发生脆性破坏和白云岩储层改造诱发地震。     

不同加载条件下陕西华山花岗岩破坏过程的声发射特性

对陕西华山花岗岩试样进行单轴和常规三轴破坏过程的声发射参数测试,研究单轴和三轴两种应力条件下花岗岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,两种加载条件下,声发射特征均基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,单轴下峰值应力前声发射平台现象明显,三轴下未出现明显声发射平台。弹性阶段内声发射信号均比较少,进入塑性阶段后声发射信号开始密集出现;破坏过程中声发射幅值主要范围都集中在40~100dB;在岩样破坏之前,都会出现事件计数、振铃计数率和累计释放能量逐渐升高的过程;达到峰值强度时,均出现振铃计数率和累计释放能量跳跃性的增长,因此可以将振铃计数率和累计释放能量的突增作为岩样破坏的前兆。此外,研究发现此花岗岩的声发射特征与其承载的路径密切相关,从而进一步验证了岩石材料声发射中的Kaiser效应。     

岩石多功能剪切试验测试系统研制

详细介绍了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统的主要功能、技术指标和仪器组成,并开展了一系列相关力学试验。该试验测试系统主要包括试验装置、测量系统和控制系统3部分,最大法向拉伸应力为40 MPa,最大法向压缩应力为120 MPa,最大水平剪切应力为120 MPa,试样尺寸为50 mm?50 mm?50 mm;可开展多种力学试验,包括直接拉伸试验、直接剪切试验、拉伸-剪切试验和压缩–剪切试验。利用该试验测试系统对花岗岩进行试验研究,研究结果表明：直接拉伸试验中,试样发生脆性破坏,声发射信号瞬间达到峰值,破坏断面表现出拉伸破坏特征;直接剪切试验中,试样发生多次破坏,破坏瞬间声发射信号均发生突增,破坏断面表现出剪切破坏特征;拉伸-剪切试验中,试样在拉应力作用下剪切强度显著降低,声发射信号在破坏阶段表现强烈,破坏断面既有拉伸破坏特征也有一定的剪切破坏特征。上述力学试验结果,表明了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统能够开展多种力学试验,为进一步研究岩石的剪切力学特性提供新的测试手段。     

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

岩石蠕变声发射特性研究现状与展望

蠕变是岩石一种重要的力学特性,与工程的长期安全稳定和安全密切相关。声发射技术作为一种无损检测手段,被广泛应用于岩石变形破坏研究领域。本文阐述了近年来基于声发射技术开展岩石蠕变特性方面的研究进展,主要包括不同岩性、加载方式、应力水平下岩石蠕变声发射特性,岩石蠕变破坏声发射前兆特征。在此基础上,提出了几点今后需要进一步深入研究的问题。     

鄂尔多斯盆地沿河湾探区低渗储层长61构造裂缝主要形成期应力环境判识

开展储层裂缝预测研究,首先必须认识构造裂缝形成的期次及其古应力状态。通过上三叠统延长组长61储层岩石声发射实验得出的古构造历史有效最大主应力记忆出现率,厘定鄂尔多斯盆地沿河湾探区长61储层构造裂缝形成时最大主应力介于79.12~89.99 MPa之间。通过岩石古应力分期、裂缝充填物包裹体测温和期次测定,结合区域构造应力场演化分析,确定延长组储层构造裂缝主要形成期为燕山期。通过露头区地层和覆盖区定向岩心共轭裂缝或节理应变测量,恢复了沿河湾地区燕山期构造运动三轴应力状态,即最大主应力(δ1)方向为NW-SE向,优势方位129°∠10°,最小主应力(δ3)优势方位36°∠7°,中间主应力(δ2)近于垂直。裂缝主要形成期及其古应力状态研究成果为沿河湾探区长61低渗储层构造裂缝分布和发育规律定量预测研究提供了地质依据。     

基于声发射的岩石破裂应力场动态反演

为获取岩石在破裂过程中的动态应力场,首先进行室内物理试验获取声发射数据,在此基础上基于能量耗散原理,利用实测声发射信息建立起岩石细观损伤表征方程,并通过FLAC3D内嵌FISH语言进行二次开发,自动搜索声发射损伤影响范围内岩石单元并对其力学参数进行弱化,计算得到较为真实的岩石破裂动态应力场。结果表明,计算得到的岩石破裂应力场与实测结果有良好的对应关系,验证了岩石细观损伤表征方法的合理性。同时,获得的岩石动态破裂应力场不仅可以从岩石力学的角度解释破坏产生的原因,也对预测岩石下一步破坏具有指导意义。但这种方法仍具有一定的局限性,需要进一步的探索研究。     

加载速率对大尺寸试样破裂特性的影响规律

结合当前我国矿井高强度快速推采的现状,系统分析了双轴加载速率对大尺寸岩体破裂的影响规律。以山东能源济宁矿区深部岩体所处的复杂环境为背景,确定了与深部岩体力学特性相似的混合砂浆材料的最优配比。采用自主研发的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和美国生产的PCI-2声发射系统,分析了双轴加载下加载速率对大尺寸试样破裂的影响规律,揭示了加载过程中单裂隙和双裂隙试样的破裂和声发射行为特征。研究表明:当加载速率为1.5 kN/s时,单裂隙试样在剪切作用下易起裂形成反翼裂隙;试样双裂隙的岩桥倾角越大,越有利于试样的加速破坏,产生的声发射事件数较少,表现出岩体破裂的突变性。      

岩石声速与其损伤及声发射关系研究

首先,建立了单轴压缩过程岩石损伤参量、应变与声速之间的定量关系式,分析了不同均质度对单轴压缩过程岩石声速的影响,结果表明,随着均匀度的增加,单轴压缩过程中声速由平缓变化到急剧变化,这与已有的岩石声发射数值模拟分析结果是一致的;其次,根据建立的声速与应变的关系公式,通过单轴压缩过程岩石声速与应变实测结果的回归分析,得到了具有较高精度的回归方程,从而通过试验验证了所建立的关系式的正确性;最后,从损伤的角度讨论了单轴压缩过程岩石声速与声发射的关系,得出了Kaiser点应位于声速初始下降点附近的结论,为岩石声发射测量地应力试验中Kaiser点的确定提供了新的方法。     

岩石脆性临界破坏的波速特征分析

根据岩石加载破坏过程中应力-应变和波速-应变曲线所反映的的波速变化特征,研究了岩石声波传播速度与其加载变形过程的相关性。研究表明:岩石破裂前波速及特征参数随着变形破坏阶段变化会有显著改变,特别是应力水平到达70%⁸0%之后,当加载破坏过程中岩石的裂隙大量增加后波速参数出现突变。这是由于在膨胀点附近岩石中微裂隙迅速丛集式增长,改变了岩石内部的微观结构,导致岩石波速降低。伴随着波速降低,波速走时急剧增大,离散度增大;S波和P波的振幅减小,但其振幅比急剧增大;S波、P的波Q值也会出现突变。通过对岩石加载过程中的波速变化与应力-应变曲线之间的关联性分析,利用波速信息变化可以实现对岩石脆性破裂前兆的识别。     

基于逾渗模型的盐岩损伤与破坏研究

逾渗是一种分形模型,利用声发射点定位盐岩内部破坏网格来建立逾渗模型,可以分析三轴压缩条件下盐岩逾渗特征以及损伤演变发展。研究发现,各试样逾渗模型团簇(cluster)数与最大团簇占有率关系曲线斜率在70%应力峰值后基本相等,利用最大团簇沿试样轴向的延伸来描述裂缝的扩展规律,并通过最大团簇在轴向的延伸终点得到了各试样逾渗的临界破坏比率,它对于研究渗透陡增点非常重要。提出利用逾渗关联长度(关联长度?代表处于同一团簇中的两个点的平均距离)确定试样损伤起始点,并通过计算逾渗模型破坏比率得到损伤变量,它和基于AE振铃计数以及AE能量计算得到的损伤变量结果相近。研究结果表明,逾渗可以形象地表述岩石内部破裂过程和损伤情况,为研究岩石破坏失效及裂缝衍生发展提供了新的思路。     

受压煤岩破裂过程电磁辐射与能量转化规律研究

首先对煤岩单轴受压变形破裂过程产生的电磁辐射（EME）、声发射（AE）信号变化规律进行了试验研究,然后在试验测定结果的基础上分析研究了煤岩变形破裂电磁辐射与加载变形能量之间的转换关系。研究结果表明,EME值随着加载时间的增加而增强,声发射信号也呈现同样的规律;电磁辐射的幅值、脉冲数在煤岩主破裂前与应力基本成正相关的关系,出现峰值后降低,试验的各个样品均呈现此变化规律;电磁辐射能和机械能的转化曲线与煤岩单轴加载过程的应力-应变关系曲线是相对应的,且呈现三次多项式的关系。从能量转换的角度来研究煤岩变形破裂电磁辐射与应力之间的关系是可行的。     

用图像处理方法研究非均质材料的声发射

根据几种不同强度单元的分布构造材料,依据图形变化与受外荷载的亮度对应关系,讨论了材料的受力变化。用图形亮度表示不同均质程度岩石单元的受力、破坏和声发射状态,结果表明：声发射模式与所取门槛值有很大关系。不同检测门槛值得到的声发射模式可能不同,通常情况下,材料在接近破坏时声发射的能量会增加很多倍,所以,采用较大门槛值检测声发射事件,并预测岩石的破裂具有可行性。     

The deformation of porous sandstones; are Byerlee friction and the critical state line equivalent?

Certain rock properties that depend on intergranular fracture and frictional sliding appear to be independent of rock type. This relationship is true for the rock-on-rock frictional sliding coefficient. The generalization has been widely applied to geomechanical modelling of upper crustal strength. Porous sandstones can be relatively weak and poorly cohesive, hence susceptible to deformation involving grain fragmentation and pore collapse. The critical state theory is commonly applied to describe such behaviour. Previous work showed that the yield surface is substantially independent of rock type when mean stress and differential stress are normalized by the grain crushing pressure, implying that the critical state line is rock type-independent and equivalent to the frictional sliding criterion. We test these hypotheses using previously published data for a range of porous sandstones augmented by new experimental results on Hollington and Berea sandstones deformed to large strains to define the critical state line over a wide range of pressures for each rock type. Results confirm the rock type-independence of the critical state line and show that it is nearly equivalent to frictional sliding. These relationships point to a simple procedure for estimating approximately the mechanical properties of sandstones based only on petrographic characteristics.