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。     

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。     

岩石破裂声发射关键特征信号优选方法

岩石破裂过程的声发射中大量的低能常规信号易将少量的高能关键信号特征规律淹没,不利于前兆特征分析和灾变预警。从岩石破裂失稳预警角度出发,以提取影响岩石结构稳定的关键破裂事件声发射信号为目标,提出了岩石破裂失稳关键特征信号的识别准则及其定义。构建了基于信号能量贡献率的岩石破裂关键事件声发射信号的优选方法,并针对花岗岩、大理岩、煤岩和粉砂岩进行了岩石破坏失稳的声发射监测试验验证。试验结果表明,新方法能有效提取岩石破裂过程中影响岩石整体稳定的关键声发射信号,具有一定的普适性。着重从声发射事件率突降、相对平静期和累计能量急升跃阶等前兆特征对优选后岩石破裂关键特征信号进行了一致性检验。检验结果表明,优选后的关键特征信号与上述前兆特征高度一致,并能够有效地提高后期声发射特征参数计算效率,方法有效可行。     

深埋变质灰岩单轴加载声发射试验研究

深度挖掘声发射的各特征参数,对于研究岩石损伤演化特征、理解岩石破裂机制、预测预报岩体失稳等方面具有重大意义。通过开展单轴压缩声发射试验,对变质灰岩的损伤破裂机制进行深入研究。研究表明:变质灰岩具有显著的硬脆性,试验过程中AE事件数、振铃计数与能量均呈现出初始较小—缓慢增长—急剧增长—缓慢增长的相似变化趋势;AE事件时空定位结果显示,在试验加载初期,岩石内部AE事件较少,随着荷载增加,AE事件首先在岩样上端部积聚,然后逐渐向中部扩展,直至贯穿试样底部,AE定位结果与岩样的破坏特征相符;通过AE监测技术可以研究岩石在加载全过程中的裂纹起裂、成核、扩展、交汇贯通的破裂过程,对于研究岩石的损伤破坏全过程具有指导意义。     

岩石破裂过程的自组织临界特征初探

自组织临界状态。是广延耗散动力学系统所普遍具有的行为特征。实验表明，岩石破裂过程也具有自组织临界特征。本文运用数学－力学分析和计算机模拟等手段。研究了岩石破裂过程中所现出的累进性破坏及无序向有序演化等特征的内在机理，从而加深了岩石破裂失稳定过程机制的认识。     

岩矿石震源电磁辐射性质实验研究

本文根据大量实验结果,对岩、矿石在受压破裂时产生的电磁辐射性质做了描述与归纳。含有石英与金属硫化物的矿石,在破裂过程中可以产生主频谱500kHz～1MHz的具有独特波型的电磁辐射信号,在更高或更低频段的信号特征则与其它岩石类相似。因此,震源电磁辐射法用于找矿是有一定物理前提的,亦存在识别非矿引起的干扰信号问题。     

岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

基于小波包分析的岩石声发射测量地应力

根据目前岩石声发射确定Kaiser点存在的问题采用小波包分析研究方法,在单轴加载岩石声发射试验的基础上,首先提出了基于小波包变换的Kaiser点信号的信噪分离方法,其次确定了Kaiser点信号的频率范围,最后利用小波包分析对岩石声发射信号的能量分布特征进行研究,得到了砂岩Kaiser点信号的特征频带。结果表明,小波包分析是处理岩石声发射Kaiser点信号的一种有效的方法,进而为AE法测量地应力确定Kaiser点奠定了一定的试验基础。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征研究

岩石尺寸是影响其力学行为的重要因素,而岩爆是岩石处于复杂应力状态下的特殊力学响应,因此研究岩爆过程中的尺寸效应影响问题具有重要意义。利用室内MTTA真三轴岩爆模拟试验系统和PAC声发射(AE)监测系统,对具有不同高度的花岗岩进行室内岩爆模拟试验,观察岩石试件破坏特征,分析花岗岩试件岩爆过程中声发射信号的参数特征、波形频谱特征。研究结果表明,随着岩石试件高度的降低,岩爆临界破坏强度有升高的趋势。岩石岩爆破坏后破裂面特征随着试件高度的降低而发生明显变化,经历了由劈裂张拉破坏为主向剪切破坏为主破坏模式的转变。同时,试验中表征损伤的声发射能率参数随着试件高度的降低有增大的趋势,即释能速度越来越快。对实验各典型阶段产生的AE特征波形进行提取并采用快速傅里叶变换方法处理,对比频谱图发现花岗岩岩爆试验过程声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势,不同高度岩石岩爆试验结果有着相似的谱分布,主频主要集中在90～120k Hz低频区间范围,是该花岗岩岩爆中的最重要特征频率,频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有不同。     

基于能量理论的煤岩体破坏电磁辐射规律研究

为了给电磁辐射预测矿井冲击地压灾害提供理论依据,采用电磁波和损伤力学理论初步分析了电磁辐射能和加载机械能的关系;采用试验和能量理论研究了单轴压缩条件下煤体变形破坏产生电磁辐射能与受载煤体能量积聚、耗散的耦合关系。研究结果表明：加载机械能与煤体变形破坏产生的电磁辐射能成系数为m正线性关系,m与煤体的弹性模量成0.107 4的比例关系;受载煤体峰值弹性应变能与电磁辐射能成正对数关系,煤体的弹性能指数与峰值累积电磁辐射能、总累积电磁辐射能均成正线性关系,电磁辐射信号反映了能量聚集和耗散的状态,表征了煤体冲击破坏的难易程度。因此,电磁辐射能够预测矿井冲击地压灾害的发生。     

单轴压缩与劈裂荷载下灰岩声发射b值特性研究

通过开展灰岩巴西劈裂和单轴压缩声发射试验,探讨两种加载方式下岩石破裂声发射b值特性及b值计算影响因素。结果表明,累积计算b值拟合度高,误差较小;步距为5 dB时不同门槛值下b值随时间变化的总体规律基本一致,选择5 dB的步距和40 dB的门槛值计算b值比较合理,能够降低非岩石破裂信号对b值变化的影响。由动态b值的波动程度可以看出,在劈裂荷载下灰岩损伤演化过程可分为3个阶段,即(0～40%)?c(?c为峰值强度)、(40%～90%)?c和(90%～100%)?c,而在单轴加载下可分为：(0～80%)?c和(80%～100%)?c两个阶段,且不同阶段岩石内部损伤的程度不同。在裂纹扩展阶段,相比单轴加载,劈裂荷载下动态b值增加较为稳定,但在整个破坏过程中劈裂荷载下动态b值波动更大,在单轴压缩和劈裂加载方式下b值的大小取决于灰岩破裂面上的结构性质及破裂模式。     

岩石声发射混沌特征分析

岩石等脆性材料在加载过程中,随着荷载的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料破坏的良好工具。对砂岩、细砂岩和高丽山砂岩3类岩石进行了声发射试验,记录了加载及破坏过程中产生的声发射信号,并且采用混沌动力学理论研究了3类岩石的声发射活动规律,计算了岩石的关联维数和最大Lyapunov指数。研究结果表明,岩石加载及破坏过程具有混沌特征,用相空间重构法可以较好地揭示岩石破坏过程的动力学特征,这为混沌理论在岩石、岩体声发射其他领域的研究及应用奠定了基础。     

Electromagnetic emissions during dilating fracture of a rock

A lot of experiments on electromagnetic emissions (EMEs) have been reported under axial compressive fracture, shear fracture, indentation fracture and stick–slip (friction) in lab and blasting in situ, but there are rare reports on the in-lab experimental work on EMEs during dilating fracture of a rock which is helpful in studying and understanding EMEs related to slow earthquakes and the earthquakes due to volcanic activities and water level changes of reservoirs. Therefore, in the present paper in order to check whether there are detectable EMEs during dilating fracture of a rock in lab, dilating fracture experiments were conducted. The dry cuboid specimens of initially intact granodiorite and limestone were tested inside magnetic field free space (MFFS) at room temperature. We arranged evenly 20 EME antennas whose resonance frequencies range from 2.5 kHz to 540 kHz close to rock specimens. Our experimental results strongly indicate that detectable EMEs could generate during dilating fracture of a rock. They were recorded only associated with some but not all phases of fracture. Their waveforms often took on the trend that a peak arrived at first and then attenuated sharply and followed by a series of low-amplitude oscillations. The electromagnetic (EM) signals after eliminating the effects of EME antennae via deconvolution had the maximum peak-to-peak amplitudes of about 80.0 mV and 40.5 mV for granodiorite and limestone, respectively. Their main spectral components often concentrated in the band of several kHz to ∼60 kHz and of several kHz to ∼280 kHz. The emission of electrons and charged particles from fracture surfaces and/or micro-fracture electrification could be possible mechanisms for our experimental results.     

对称和非对称载荷下声发射特征的数值模拟研究

利用自行开发的岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，研究了对称载荷和非对称载荷下岩样的破坏过程以及破坏过程中所呈现的声发射特征。数值模拟结果演示两种条件下由微破裂诱致宏观破坏的演化过程以及和微破裂相关的声发射事件源的空间分布特征和事件序列特征。数值模拟结果指出，和对称载荷压缩实验相比，两者的最大区别在于在非对称载荷压缩实验中局部的剪切破坏的发生以及一个更加局部化的声发射事件源分布。从物理意义上讲非对称载荷实验提供了在预定破裂路径下研究脆性破坏的方法，从声发射研究方面来说非对称实验比对称实验能更好地观察声发射事件源的局部化。     

The rock fracture experiment with a drive control: A spatial aspect

The statistical analysis of the space–time distributions of acoustical signals emitted from the compressed samples of Westerly granite is presented. The samples were uniaxially loaded in two regimes, one of which included a feedback loop controlled by the current acoustical emission (AE) activity. The distribution of distances between newly-appeared hypocenters follows the power law with the exponent that does not depend on the mode of loading. In both regimes, a transient period of the decorrelated accumulation of damaged sites was revealed between the initial and focal stages of the fracture process. The Hurst analysis indicates a more pronounced trend to planar organization of final damage structure in the case of AE-controlled loading.     

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。      

循环加卸载下花岗岩非均匀变形演化的声发射特征试验研究

为了研究岩石材料在循环加卸载过程中的声发射特征与非均匀变形的对应关系,开展了花岗岩试件单轴循环加卸载试验。利用声发射系统和CCD相机分别对试样变形破坏过程中的声发射信号和试件表面的变形图像进行采集,结合数字散斑相关方法,对试件非均匀变形演化过程中的声发射特性进行研究。研究结果发现：每次循环加载过程中,非均匀变形的最小点皆与应力卸载的最低点相对应。而自局部化带启动后,每次循环加载过程中的非均匀变形的最大点滞后于循环加载应力的顶点。非均匀变形演化与声发射信号存在较好的对应关系,循环加载过程中非均匀变形的首次转折增大点对应声发射信号增加的起点,非均匀变形的最大点对应声发射信号平静期的起点。随循环次数增加,非均匀变形程度与Felicity比呈负相关关系,即非均匀变形越大,损伤程度越大,Felicity比越小。