基于损伤过程的非均质岩体声发射及破坏规律数值模拟研究

声发射事件数大小及源分布特征是岩体损伤演化过程的直接表征。在前人研究的基础上,以数值模拟的方法,考虑细观非均匀特性,采用基于应变软化的弹-脆-塑性模型描述基元的损伤与破坏过程。借助FLAC3D软件中的FISH函数实现了以Weibull分布随机赋予基元材料属性及对声发射事件数的记录,从时间序列上探讨非均匀性对岩体声发射现象的影响,结果表明,均质度对于岩体的声发射规律及破坏模式影响显著。     

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。     

石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究

为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律,分析不同应力条件下岩石声发射参数与应力、变形的量化关系,对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射特性试验,在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中,就不同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究。研究表明:在压应力作用下石灰岩声发射出现短暂的"钝化期",其声发射事件率及能量率模糊容量维记数曲线出现了"最小-回升"现象;在劈裂条件下石灰岩声发射事件频发且其声发射参数序列同样存在模糊自相似容量维特性,但其模糊容量参数的演化过程未能观测到"最小-回升"现象;在直接拉伸试验中,由于"胶结、引力"材料声发射活动具有瞬发性,不易监测,本次试验可测范围内无法计算其分维数,因此在拉伸条件下岩石试样是否具有自相似性演化规律还有待于进一步的研究。      

石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究

为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律,分析不同应力条件下岩石声发射参数与应力、变形的量化关系,对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射特性试验,在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中,就不同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究。研究表明:在压应力作用下石灰岩声发射出现短暂的"钝化期",其声发射事件率及能量率模糊容量维记数曲线出现了"最小—回升"现象;在劈裂条件下石灰岩声发射事件频发且其声发射参数序列同样存在模糊自相似容量维特性,但其模糊容量参数的演化过程未能观测到"最小—回升"现象;在直接拉伸试验中,由于"胶结、引力"材料声发射活动具有瞬发性,不易监测,本次试验可测范围内无法计算其分维数,因此在拉伸条件下岩石试样是否具有自相似性演化规律还有待于进一步的研究。     

声发射测量地应力方法中Kaiser点确定方法的优选与分析

准确确定Kaiser点是研究声发射测量地应力的关键.通过对模拟岩心的水泥块进行单轴受压破坏过程的声发射试验,得到了试件在试验过程中的应力-应变曲线、应力、声发射强度、声发射累积数与时间的关系图.分别对试样用突变点法、最大曲率法、双切线法、重加载法（抹录不尽现象、两次加载相减法）、多方面综合判定法以及声发射强度信号的统计分析法进行了分析.从不同的方面认识了试样的Kaiser点的特性,总结并分析了确定Kaiser点的方法以及各自的适应性,并进行了优选.研究表明,试验确定了试样的物理特性,各种方法都能从不同角度和机理上解释Kaiser点现象,综合判定法能相对更加全面、准确地确定Kaiser点.     

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。     

含瓦斯煤声发射特性试验及损伤方程研究

以型煤试件为研究对象,对其在固定瓦斯压力和围压作用下的力学性质和声发射特性进行了试验研究。结果表明：含有瓦斯后煤样试件的力学性质的离散性降低;与不含瓦斯煤样比较,含瓦斯煤样的三轴强度减小而杨氏模量增大;含瓦斯煤样三轴压缩过程中的声发射事件计数分布较均匀,仅在煤样破坏前出现密度较大区;声发射事件振幅分布呈现“三峰”分布特性,而事件能量随变形增加而逐渐增大;声发射各事件参数与三轴压缩曲线呈滞后对应关系。     

基于小波变换的岩石声发射信号互相关分析及时延估计

声发射全波形采集为基于波形分析的声源定位方法提供了可能。声发射源定位方法中最常用的是时差定位方法,因此,时差获取精确与否直接影响定位的精度。借助于小波变换和互相关技术研究声发射信号的时延估计,首先利用小波分析技术对信号进行分解,确定有意义信号的频带宽度,再提取分解后的相应频带的小波系数,利用互相关技术计算出该频带信号到达各传感器的时差,进而利用时差定位法反演声发射源,实现了声发射源更精确的定位。经声发射监测验证结果表明,该时延估计方法能有效地减小声发射源定位的误差,提高声发射源的定位精度,为准确反演声发射源提供了一种有效途径。     

岩石应力应变全过程的声发射及分形与混沌特征

试验研究了岩石应力-应变全过程的声发射特征,得到岩石试件在初始压密和弹性阶段撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;应变硬化阶段撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。因岩石每个变形阶段产生的声发射特征不同,则可以用声发射方法研究岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。根据岩石声发射损伤三维定位的试验研究结果,其损伤的发展具有分形特征和统计自相似性,且岩石声发射事件数的演化过程可以用触发-生长-触发的链式生长模型来描述,通过事件数可以观察岩石微裂纹的演化过程,且岩石微裂纹的演化可用Logistic方程来描述,因而岩石的损伤演化具有分叉和混沌特征。     

砂岩单轴压缩试验P波速度层析成像及声发射特性研究

深部矿井开采极易诱发矿柱型岩爆,矿柱型岩爆严重威胁着矿山的安全高效开采,为探究矿柱型岩爆破坏机制和前兆信息,选用自贡红砂岩进行单轴压缩试验,并采用主动超声和被动声发射对破裂过程进行监测,联合主动超声与被动声发射监测数据对波速进行层析成像反演,分析试样破裂过程中波速演化规律。研究结果表明：砂岩试样在加载过程中速度模型呈现高度非均质性,在加载过程中会出现低速区,且声发射事件集中出现在低速区内部;P波速度离散度可反映全局波速变化特征,在峰值附近变化剧烈,随荷载增加P波速度离散度持续增大;声发射事件在峰前、峰后定位结果相差较大,峰前阶段声发射事件随机分布,峰后阶段声发射事件定位结果集中。此外,研究发现选用均质速度模型进行声发射事件定位会增大定位误差,试样最终失稳前b值的降低表明试样大尺度裂纹活动加剧,导致岩石非均质性增大,也间接证明了采用非均质速度模型进行声发射震源定位的必要性。该研究结果可用于现场矿柱稳定性监测,定期反演获得矿柱波速变化为矿柱型岩爆提供先兆预警信息。     

岩石疲劳损伤及破坏前兆研究现状与展望

疲劳是岩石的重要力学特性之一,与工程的安全稳定密切相关.在循环荷载作用下,岩石初始损伤不断累积、加剧,最终导致岩石的失稳破坏,从而诱发工程灾变.阐述了近年来基于声发射、红外辐射技术开展岩石疲劳损伤与破坏方面的研究进展.首先论述了研究人员采用声发射时域参数、声发射空间演化以及Felicity比开展岩石疲劳损伤特性的研究进展.进而,针对研究人员采用声发射时域参数、损伤变量、分形维值、Felicity比、加卸载响应比、RA以及b值等参数开展岩石疲劳破坏前兆的研究进展进行讨论.在此基础上,论述了研究人员采用红外辐射技术开展岩石疲劳损伤与破坏前兆的研究进展.最后,提出了今后岩石疲劳损伤与破坏前兆研究中需要进一步深入解决的几点问题.本文可对深入认识岩石疲劳损伤机理、破坏前兆特征起到积极的促进作用.      

钙质砂一维压缩回弹过程中声发射特征试验研究

为了揭示钙质砂在一维压缩回弹作用下的压缩变形、颗粒破碎特性以及声发射规律,对钙质砂进行了3种相对密实度下不同粒组的一维压缩回弹实验和声发射实验。通过对不同粒组、不同相对密实度的钙质砂进行一维压缩实验和同步的声发射实时监测,获得其压缩、回弹和声发射特性,最后通过筛分获得实验后的颗粒粒径分布,得出相对破碎势B_r。实验结果表明:钙质砂的压缩变形由颗粒位置调整和破碎两部分组成,其中颗粒破碎是产生压缩变形的主要因素,回弹曲线近似一条直线,表明压缩变形为不可恢复的塑形变形;压力相同时颗粒粒径越大,相对破碎势B_r越大。颗粒形状不同致使颗粒间填充作用与嵌合作用不同,影响颗粒的滑移与重排列,进而影响颗粒的压缩变形。两种砂的声发射计数率随粒径增大而增大,且都集中出现在800~3200 kPa的压缩阶段,钙质砂的压缩变形及破碎特性与其声发射特征具有一致性,钙质砂声发射计数率与时间关系曲线和应力与时间关系曲线吻合较好,可通过声发射计数率与时间关系曲线来反映钙质砂的力学特性。钙质砂存在一个声发射事件最少的“临界孔隙比”,本次实验中1~2 mm钙质砂临界孔隙比为1.33~1.41,试样的初始孔隙比偏离该临界值时,声发射活动会有不同程度提高。     

基于相位差时延估计法的岩石声发射源定位研究

针对岩石力学试验声发射时差定位算法中时延估计精度受诸多不确定因素的影响问题,提出全相位相位差法时延估计,通过小波分解与全相位频谱分析相结合求解相位差得到声发射信号的时延估计。利用小波分解找到不同传感器接收到的声发射信号中的同一主频的子带信号;对这些同一主频的子带信号分别做全相位频谱分析,得到每个子带信号中间样点的相位,再根据相位差与时间差的关系求出声发射信号到达不同传感器之间的时间差;进而利用时差定位法反演声发射源,实现了声发射源更精确的定位。在花岗岩（50 mm×100 mm×50 mm）上进行断铅试验,选取10个测点,经声发射监测验证结果表明,该时延估计方法能有效地减小声发射源定位的误差,提高声发射源的定位精度,平均绝对误差比美国PCI-2型声发射仪器定位结果提高约3 mm,该方法为反演声发射源提供了一种有效途径。     

蚀变花岗片麻岩破坏过程中声发射事件的演化规律

通过单轴压缩条件下的声发射试验,分析了蚀变花岗片麻岩破坏过程中声发射事件的演化规律,研究发现:对于多数试件,高能级声发射事件的首次出现可作为岩石处于高应力水平的标志,中能级声发射事件在试件空间内形成贯通分布可作为岩石应力水平进一步上升的标志,最后贯通区出现高能级声发射事件可作为岩石破坏的前兆现象;发生脆性破坏的试件,不会出现中能级声发射事件在试件空间内形成贯通分布的现象;对于含弱区的试件,首个高能级声发射事件会出现于低应力水平,此时岩石内声发射事件呈条带状密集分布于高能级声发射事件周围,其他区域的声发射事件少、能级低。以上研究为利用声发射信息识别岩石应力水平及评价岩石稳定性提供了试验依据。     

单轴压缩下两种脆性岩石强度及声发射特性的试验研究

脆性对岩石破裂机制及声发射特性具有重要影响。采用花岗岩及大理岩两种不同岩性的岩石,开展了单轴压缩及声发射测试试验,获取了两种岩石的强度及变形特性,并对其脆性大小进行定量评价,分析了单轴压缩过程中两种岩石声发射能量演化特性,结合声发射b值计算结果及其物理意义,对比了两种岩石破裂机制的差异性。结果表明:(1)试验所采用的两种岩石,花岗岩的σ_cd/σ_p之比介于0.676~0.745之间,平均为0.706,而大理岩的σ_cd/σ_p之比介于0.439~0.615,平均为0.52;(2)基于脆性评价指标,结合试样宏观破坏现象及形态,本次试验采用的花岗岩其脆性大于大理岩;(3)岩石脆性程度越大,在裂纹不稳定扩展阶段,在产生相同的轴向压缩变形的情况下,环向变形量越大;(4)强脆性的花岗岩在裂纹不稳定扩展阶段持续出现高能级的声发射信号,而弱脆性的大理岩则表现出能量持续降低的变化趋势,峰值强度后,弱脆性的大理岩其高能级能量的声发射信号更活跃;(5)单轴压缩下,与大理岩相比,花岗岩破坏过程中大尺度的破裂事件所占比例较大。     

岩石声发射特性试验研究

对取自柿竹园矿的花岗岩、矽卡岩,进行声发射特性试验研究以及岩石的声波波速测试,得到岩石的纵波速度及在受单轴压力下岩石破坏过程中的应力-应变以及声发射参数与应力、时间之间的关系,为矿山的安全生产、避免地压灾害提供了决策依据。     

离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性影响的颗粒流分析

基于颗粒流软件平台,采用图像处理技术和Monte Carlo法,生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模,从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下：（1）裂隙平均长度和密度影响着岩石的力学性质,岩石的单轴压缩强度、弹性模量随裂隙密度的增加而减小。（2）单轴压缩下岩石破坏时均是晶间-拉裂纹和晶内-拉裂纹为主。（3）离散裂隙网络与岩石的声发射事件密切相关。随着裂隙密度的增加,声发射b值和分形维数D值均呈下降趋势。当b值和D值急剧下降时,预示着岩石失稳破坏。（4）离散裂隙网络对声发射事件的破裂强度有一定的影响。在离散裂隙网络附近易产生破裂强度大的声发射事件。综上所述,基于离散裂隙网络和等效晶质模型联合建模获得的细观角度上岩石破裂机制和声发射现象等结论,可有效弥补现有室内试验中研究手段的不足,并对野外具有更为复杂的裂隙网络的岩体稳定性评价与工程施工提供有力支撑。     

考虑不均质度的岩石声发射数值模拟研究

利用离散元颗粒流软件模拟了岩石单轴压缩破坏过程,采用内嵌FISH语言,通过设置随机缺陷来建立不同均质度的岩石数值试样对岩石的声发射规律进行了研究。结果表明,不均质度对于岩石声发射特性有着重要影响,随不均质度的增加,试样的峰值强度下降,声发射总数大幅增加,空间分布也更为分散,声发射出现时间更早,持续时间更长,峰值后的声发射保持更高的强度;单轴应力状态下声发射最大强度出现时间相比峰值破坏时间有不同程度滞后,不均质度越高,滞后效应越明显,显示岩石破坏要早于声发射峰值出现时间。     

岩质边坡声发射特征及失稳预报判据研究

在分析岩质边坡失稳过程中岩体力学性质和声发射产生的微观机理基础上,通过岩石声发射试验和岩质边坡声发射监测实例,研究了岩质边坡声发射特征,提出了岩质边坡失稳破坏的基本力学分类及其声发射的监测预报方法和判据,实现对岩质边坡失稳的预测预报。研究结果表明,边坡破坏前存在一次或多次声发射高峰。应用AE技术可以确定边坡在变形过程中应力集中活跃区;以抗滑力减小为主的岩质边坡,其失稳预报判据为大事件率在15次/ min以上,预报时间为几分钟至数小时。以下滑力增大为主的岩质边坡失稳的预报判据为大事件率在26次/ min以上,破坏时间为第一次声发射峰值期后的30～45 d。     

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。