卸荷诱发巷道模型岩爆的发生机理实验研究

以“巷道-围岩”系统为研究对象,以水平应力卸荷操作模拟工程现场的巷道周边矿岩开挖卸荷作用,再现了巷道卸荷岩爆。实验结果指出,巷道卸荷岩爆经历了“平静期→小颗粒弹射→片状剥离→片状剥落”的演化过程,在巷道内壁产生“岩爆→应力调整→应力调整失败→再次岩爆”的多次岩爆过程,最终形成“V”字型岩爆坑。卸荷条件下,不同水平应力的巷道模型岩爆将产生不同的破坏,形成了不同的破裂面。理论推导得出卸荷前巷道围岩的应力分布规律,运用修正Griffith破坏准则,计算了不同水平应力（8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa）卸荷后巷道围岩发生岩爆破坏的竖向起裂应力,构建了巷道边壁“V”字型岩爆坑的计算模型。研究得出水平应力存在一个影响竖向承载能力的应力点（13.3MPa）,当水平应力小于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈正相关;当水平应力大于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈负相关。对左右边壁应变能累积区域的信息进行量化处理,得出相较8.9MPa和17.8MPa,水平应力为13.3MPa的左右边帮应变能集中区域的累积能量最大,集中区域与边壁的距离最短。     

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。     

含孔岩石加载过程的热辐射温度场变化特征

选择含圆孔岩石作为试样,利用单轴加载试验系统和红外热像仪,并结合数值模拟分析手段,对模型受力及破裂过程的热辐射时空演化特征进行了试验研究。结果表明：含圆孔岩石在加载过程中压、拉应力呈对称分布,导致热像的升温和降温区对称分布,即压应力区升温,拉应力区降温,应力场与红外辐射温度场之间呈很好的对应关系。试件加载后期发生破裂,破裂的性质与红外辐射温度变化有密切关系,剪性破裂辐射温度升高,而张性破裂辐射温度无明显变化。试件最终呈剪性破裂,而该区域的带状升温是岩石破裂失稳的重要红外前兆。试验结果再次揭示,利用热成像技术可以监测岩石的应力与灾变现象。     

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。     

单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究

通过开展饱水花岗岩单轴压缩声发射试验,采用快速傅里叶变换提取声发射信号主频及次主频,进一步提出了综合表征声发射信号频谱特征的参数:主频比F ,即主频与次主频的比值,研究岩石破裂过程声发射频谱特征。研究结果表明:饱水花岗岩破裂过程声发射主频、次主频频带数量呈现“3→6→3”先增大后减小的规律,与主频分布特征相比,次主频低频区间占比减小,中、高频区间占比增大,次主频总体平均值比主频高约5 kHz。声发射主频比尸分布区间在弹性阶段达到最大:0 < F < 8 ,且F≠1,根据主频比与1 的关系,可将声发射信号划分为2 类:A 类信号(0 < F < 1 ),其主频小于次主频;B 类信号(1 < F < 8 ),其主频大于次主频。总体来看,饱水花岗岩破裂过程声发射A 类与B 类信号的数量关系约为3:2, A 类信号数量相对较多,特别是塑性阶段A 类信号占绝对优势,其数量为B 类信号的3.0?3.5倍。饱水花岗岩破裂过程声发射A 、B类信号事件率近似同步变化,二者均出现明显的平静期前兆特征,在实际应用时,可以对岩石破裂过程数量庞大且计算繁琐的声发射信号进行甄别,选择A、B 两类信号中的一种,进而实现对岩石破坏前兆信息的快速有效识别。     

基于三维路线精测方法确定深部工程岩体强度

在深部采矿工程中,针对岩石质量指标RQD（rock quality designation）存在的问题,提出了先按岩性的不同将岩体进行岩组RG（rock group）划分,再对不同岩组分别进行三维RQD指标量测的方法。基于路线精测方法,通过对孔庄煤矿深井工作面不同岩组进行三维RQD实测和统计分析,得到了在岩石单轴抗压强度基础上深部节理化岩体强度折减系数,并由换算公式确定了工程岩体的等效强度。研究成果有助于对深部岩体结构特性进行定量化评价,为合理确定深部岩体的强度提供新的思路。     

深部复杂地质条件下矿井交岔点支护关键技术研究

由于具有断面大、结构复杂、施工扰动次数多等特点，深部条件下的矿井交岔点工程支护难度一般比较大。通过现场地质条件的调查，用确定施工工程难度系数的方法，选择对应的支护形式和参数。深部复杂地质条件下的大断面交岔点，主要具有4种变形力学机制，即构造庖力作用力学机制、白重应力作用力学机制、结构变形力学机制和与施工过程有关的变形力学机制。在分析变形力学机制的基础上，可以进行最优的支护参数设计和过程设计。优化后的试验方案应用于具体的工程实例，取得了良好的支护效果。     

花岗岩巷道岩爆过程红外辐射时空演化特征室内模拟试验研究

通过含孔花岗岩的双向加载试验模拟巷道岩爆过程,以红外热像仪为观测手段,利用红外热像和最低红外辐射温度作为监测指标,研究岩爆过程中的红外辐射温度时空演化特征。结果表明：岩爆过程红外辐射时空演化特征与岩爆孕育、发生过程具有良好的同步性。岩爆发生前红外热像上出现低温嵌套于高温条带间的温度场,其在空间上的延伸扩展则是岩爆孕育和发展过程在温度场中的反映,其出现的位置对应着岩爆发生的区域。最低红外辐射温度呈现出上升-短暂下降-上升-下降4个阶段性特征,岩爆发生前最低红外辐射温度出现3个突变转折点。试验结果对于巷道岩爆灾害的时空预测具有一定的理论意义。     

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。