岩石破裂过程中超长波段的电、磁信号和声发射的实验研究.

在单轴压力下对辉长岩、大理岩等岩石破裂过程中产生的电、磁、声信号作了实验研究。实验分干、湿两种情况进行, 测试系统的频响范围为超低频。主要结果是:获得了岩样从受压到解体过程中, 在0-20kHz频段内的电磁辐射和声发射信号的原始波形;岩石破裂过程中电磁信号的辐射强度与岩石的岩性、含水量、破裂强度、加载率和破裂状态有关;岩石破裂过程中的电磁辐射率和声发射率有关系, 它们的最大值在时间上相对应的约占70%,而且电磁辐射信号比声发射信号发育, 持续时间也较长;实验中以铜板天线为接收传感器的电磁信号的主能潜在6kHz以下, 而以电感线圈为接收传感器的电磁信号主能谱在10kHz左右, 声发射的主能谱在3kHz以下;声发射信号出现之前有明显的电磁信号。由于岩石在破裂过程中辐射的电磁信号与声发射有较好的对应关系, 因此可以认为, 岩石破裂实验中获得的电磁辐射信号与岩石破裂有密切的关系。所以, 地震前观测到的电磁辐射异常主要是由岩石的破裂引起的。至于实验中在声发射之前出现的电磁信号, 则可能与压电、压磁效应有关。      

煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射进行了实验研究及规律分析,并对煤岩变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析．研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号较声发射信号丰富,电磁辐射与煤岩体的变形破裂过程密切相关．煤岩电磁辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震,矿山煤岩灾害动力现象及岩石混凝土建筑稳定性方面有着非常广泛的应用前景．     

煤炭变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射地实验研究及规律分析,并对煤炭变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析。研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号罗声发射信号丰富,电磁辐射与煤盎体的变形破裂过程密切相关。煤炭电在辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震、矿山煤炭灾害动力现象及岩石混凝土稳定性方面有着非常广泛的应用前景。     

单轴加载过程中煤样破裂声波特征实验研究

为了研究单轴加载过程煤样破裂声波特征.采用实验测试的方法,对研究区煤样进行了单轴加载过程声波特征测试.并采用声发射计数、小波变换、时频分析等分析方法对测试结果进行了分析.分析结果显示:在煤样变形过程中,声发射变化特征与煤样变形特征具有较好的一致性.并且,在煤样发生破坏时,有明显的次声波异常变化.因此,可以采用次声波与声发射相结合的方法,对煤矿煤岩体的破坏进行预测.这对提高煤矿地质灾害预测的准确性具有重要意义.     

环氧树脂材料中电磁辐射与裂纹动力的关系

应用电磁辐射(EME)和声发射(AE)信号检测研究了机械应力加载条件下脆性、介电性材料的断裂。对环氧树脂样品采用3点弯曲实验装置施加应力使之破裂,同时监测破裂引起的电磁辐射和声发射信号。本次研究的重点是裂纹面的走向及距离对检测到的电磁辐射信号的影响。由于采用的电磁辐射传感器是电容式传感器,我们利用人工检测源测试了传感器、连接的放大器、数据采集卡以及内置带通滤波器的系统响应特征。基于在破裂面位置上模拟的表面电荷密度,我们提出了一种电磁辐射信号的源。将电磁辐射源的有限元方法模拟结果与实验结果进行比较,显示出较好的一致性。实验结果显示辐射出的电磁场优势方向明显,检测到的信号幅值显著依赖于信号源到传感器的距离,并发现测量链对检测到的电磁信号带宽具有显著影响。进一步研究表明电磁信号由3部分构成,分别产生于不同机制,即裂纹生长过程中电荷的分离和弛豫,以及带电裂纹面的振动。     

冲击矿压危险预测的电磁辐射原理

由于煤岩冲击破裂过程中,裂缝的形成和颗粒的摩擦会产生电磁辐射,因此,可采用电磁辐射技术来预测煤矿的冲击矿压危险.研究表明,电磁辐射基本上随着加载及变形速率的增加而增强;在发生冲击性破坏以前,电磁辐射强度一般在某个值以下,而在冲击破坏时,电磁辐射强度突然增加;煤体应力越大,变形破裂越强烈,电磁辐射信号也越强.煤岩变形破坏的弹塑脆性模型分析表明,煤岩体的损伤速度与电磁辐射脉冲数、声发射事件数成正比,与瞬间释放的能量、变形速度成正比.对具有强冲击危险工作面进行的研究表明,电磁辐射完全可以预测煤矿冲击矿压危险,检验卸压爆破效果,而且准确率高,效果明显.     

基于煤样劈裂过程声发射响应的煤样脆塑性预测研究

煤层脆塑性的准确预测,对制定合理的排采制度,实现煤层气井高产有重要意义.采用实验测试和理论分析相结合的方法,对研究区煤样进行了劈裂过程声发射测试实验.实验结果显示:在煤样发生破坏时,不同脆塑性煤样声发射响应有很大差异.其中,脆性煤样发生破坏时,声发射计数呈间歇性跳跃增长,随后快速下降的变化特征;塑性煤样发生破坏时,声发射计数呈连续增加,随后快速降低的变化特征.两种煤样变化特征有较大差异,可以作为脆塑性预测的依据.这为地面煤层气水力压裂过程基于声发射进行煤层脆塑性预测提供了一种新思路,对提高煤层脆塑性预测的准确性,实现煤层气的高效开采具有重要指导.     

单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验

针对岩样在外载荷作用下失稳破坏前有声发射、微震和电荷等信号的异常变化特性,运用声发射、微震和电荷感应等全波形综合监测设备对含断层带花岗岩在单轴压缩下变形破裂过程的信号进行同步监测。结果表明:含断层带花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、微震和电荷感应同步前兆信号,在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、微震和电荷感应大幅值前兆信号。断层带对花岗岩试件强度的影响是显著的,含断层带试件的单轴抗压强度大大降低。随着断层带倾角的减小,试样的单轴抗压强度降低,岩样更容易失稳,失稳破坏的能量也更大。随着断层带倾角的减小,试样变形破裂过程的声发射、微震和电荷感应信号都增多,试样出现同步的前兆信号时的应力降低,在试样失稳破坏阶段声发射、微震和电荷感应前兆信号事件的持续时间都增大。断层带倾角30°时,声发射、微震和电荷感应信号突变性增加,进入危险阶段大大提前,大震级事件也显著增多,在矿井大倾角断层处更为危险。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较短;在试样失稳破坏阶段同步产生密集且最强的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较长。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,对声发射、微震和电荷感应前兆信号相结合分析,可以更准确地获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

基于声发射参量的煤样损伤模型研究

在单轴压缩下煤样损伤模型基本原理的基础上,推导出了基于声发射参量的煤样损伤模型。以原煤为研究对象,在单轴压缩下,对煤样进行声发射实验,验证了基于声发射参量的煤样损伤模型在煤样破坏前是可行的;分析了在单轴压缩下的声发射特性,并提出了基于＂归一化＂声发射累计计数的损伤变量,得到了在单轴压缩下煤样的应变—损伤方程和煤样的一维损伤本构方程。研究结果表明：声发射参量能够反映煤样内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程;基于声发射参量的煤样损伤模型是合理的,反映了声发射事件数和煤样损伤之间的对应关系;单轴压缩下的煤样损伤演化过程,可分为初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段和残余损伤阶段4个阶段。     

花岗岩变形破坏的阶段性模型--应力速度及预存微裂纹密度对断层形成过程的影响

依据对具有较高微裂纹密度的筑波花岗岩和极低微裂纹密度的花岗斑岩 2种极端的岩石标本、在等应力速率的快速加载 (约 6MPa/min)和蠕变加载 (轴向应力保持在约 95 %破坏强度 ) 2个极端的加载条件下的实验结果 ,讨论了预存微裂纹密度与加载速度对多晶质结晶岩变形破坏过程的影响。实验中利用高速多通道声发射波形数字记录系统 (每秒可记录多达 5 0 0 0个声发射事件的 32通道波形 ) ,获得了岩石标本破坏前微破裂活动的详细时空分布数据。声发射的发生率、震级 -频度关系中的b值及震源的空间分布揭示出岩石变形破坏过程中微破裂活动具有 3个典型阶段 :初期阶段、第 2阶段和成核阶段。尤其是在成核阶段 ,还观测到发生率和b值有大幅度前兆性起伏。一般而言 ,在相同加载条件下预存微破裂密度越高 ,或对同一岩石加载速度越慢 ,对应的断层成核过程就越长 ,因此最终破坏的可预报性也越高。为了进一步探讨微破裂活动的阶段性特征及其物理本质 ,还利用亚临界破裂扩展模型对声发射数据进行了理论分析     

煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应实验研究

实验研究了原煤、型煤单轴压缩电磁辐射记忆效应特征、记忆内容及变化规律，探讨并分析了煤岩电磁辐射记忆效应机理.结果表明，煤岩变形破坏电磁辐射具有记忆先期最大应力、纵向应变、横向应变和体应变的能力，最直接的记忆内容是先期受到的应力、纵向应变和横向应变；当先期施加的应力水平大于70%～80%时，电磁辐射记忆能力迅速减弱，甚至根本失去记忆能力；煤岩损伤破坏过程的不可逆决定了电磁辐射过程的不可逆，电磁辐射过程的不可逆是煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的直接原因.煤岩电磁辐射记忆效应理论在地应力测试、巷道围岩不同应力区范围的确定及煤岩动力灾害预测等方面具有广阔的应用前景.     

煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合规律

理论分析了煤岩变形破坏过程中电磁辐射脉冲数与损伤之间的关系,探讨了煤岩变形破坏电磁辐射产生机制及电磁辐射记忆效应的力电耦合规律,建立了等围压三轴应力状态下含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合模型,实验测定并分析了单轴压缩状况下含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合规律.结果表明,含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应力电耦合模型很好地反映了煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应特征规律和微观损伤机理.     

岩石破裂时电磁辐射的机理研究

本文提出了岩石破裂时的电磁辐射是裂纹尖端电荷随着裂纹加速扩展运动所产生的假说.应用断裂力学方法推导了岩石破裂时初始裂纹长度与裂纹扩展加速度的关系,并计算了其速度和加速度值.根据破裂岩石的电子发射理论,解释了裂纹尖端带电荷的现象.利用岩石在单轴压缩致裂过程中记录到的近场电磁辐射的实验结果,计算了裂纹扩展时裂纹尖端的电荷量和远场电磁辐射强度.通过对电磁辐射波谱分析的研究,得到岩石破裂时电磁辐射频率上限的估计值.最后对岩石破裂时出现的声光电磁现象在理论上作了统一的定性的解释.     

Study on the physical meaning of seismic inhomogeneous degree by rock fracture experiments

Introduction The study of acoustic emission evidenced by rock fracture experiments is the most important field of seismology. By means of the rock fracture technique system, many researchers tried to prove the possible relationship between some parameters such as b value and the stress variation prior to rock fracture using the acoustic emission results from different types of rock fracture ex-periments (MA et al, 2004a, b; Lockner, 1993; JIANG and ZHANG, 1998). In order to investigate th…     

岩石破裂中的电子发射

利用G-M计数器和塑料闪烁体探测器在花岗岩单轴压缩破裂实验中首次记录到电子发射,电子能量分别为0.05McV和0.35MeV量级。根据这一结果提出了岩石破裂中出现可见光及其它电磁辐射的理论解释。     

粘滑过程中声发射序列的时间分布及前兆特征

用声发射波形采集分析系统记录的完整花岗岩在固体围压下破裂及粘滑过程中产生的声发射波形,研究了声发射和粘滑时间序列与天然地震序列的关系,讨论了粘滑过程的时间分布,发现粘滑事件的累积频度曲线随时间的变化受围压和应变率影响,大致呈现指数函数和线性关系两种形式。总事件(包括粘滑和声发射)的累积频度随时间的变化在不同的实验条件下呈现出对数函数形式,粘滑序列中的声发射随时间减少。本文的结果对于研究不同应变速率及不同震源深度的地区的地震活动时间分布特征,以及在判别地震活跃期内不同阶段强震序列类型和前兆特征有一定参考作用。     

Percolation and fracture

A statistical model of fracture, based on percolation theory, is presented which allows the quantitative evaluation of clustering of cracks in solids. Unlike models of branching processes which are more in accord with Griffith fracture, the concept of percolation lattices (finite and infinite) is used following from a physical model of multiple fracture.Some experimental results on acoustic emission, dilatancy and geophysical precursors of earthquakes can be correlated with the percolation fracture model. The model does not depend on the mechanism of crack formation, critical parameters being the number of elementary events (cracks), the dimensionality of the process and the coordination number for a network of cracks and, in finite systems, their specific size.Fracture prediction is possible from the number of elementary acts, cluster statistics and other characteristic parameters of the model. Possible applications of the percolation model for earthquake prediction are considered.