断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25 MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明：（1）侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56o断层,45o断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。（2）声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量（能量、分形维数、频谱幅值）均呈现明显的“突增”特性。（3）声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元...     

花岗岩破裂过程声发射关键信号时频特征试验研究

开展花岗岩单轴压缩试验,利用决策树模型,构建岩石破裂过程关键声发射信号的提取方法,并通过选取特征参数将提取的关键信号分类,分析各类关键声发射信号的时频参数特征,进一步探讨各类信号所对应的岩石破裂机制。研究结果表明,基于决策树模型建立的岩石破裂关键声发射信号提取方法,能够有效提取岩石破裂过程中影响整体结构稳定性的关键破裂事件对应的声发射信号,准确率在90%以上。根据关键信号特征提取规则将信号分成A、B、C、D 4类,A类信号对应岩石在宏观破裂时产生的开裂、扩展型破裂;B类信号为岩石临近破裂与峰后阶段出现的大量小尺度开裂、扩展型破裂;C类信号对应岩石宏观破裂前产生的剪切滑移型破裂;D类信号对应岩石整体破坏后产生的小尺度张剪复合型破裂。     

基于声发射信号聚类分析和神经网络识别的岩爆预警方法实验研究

开展巷道岩爆室内模拟声发射监测实验,对岩爆过程中的声发射信号进行聚类分析,得到3种类型声发射信号,优选具有岩爆前兆演化异常、能量大、数量小等特征的信号类型作为岩爆前兆特征信号。岩爆发生前,岩爆前兆特征信号开始密集出现,明显的前兆异常。运用时间窗函数对岩爆前兆特征信号的时间密集性进行量化分析,提出衡量信号时序演化特征的量化指标即时间密集度f_t。岩爆发生前,前兆信号密集出现,出现了f_t≥3值,可将首次f_t≥3作为岩爆前兆信息,可将岩爆预警阈值a划定为3。基于岩爆前兆特征信号优选和预警阈值提取,借助BP神经网络,智能识取岩爆前兆特征信号,利用时间窗函数计算岩爆前兆特征信号f_t值,当岩爆前兆特征信号f_t值开始达到岩爆预警阈值(f_t≥a)时则进行岩爆灾害预警,建立了基于巷道岩爆模拟实验声发射数据的岩爆实时预警方法,为工程现场岩爆预警方法的建立提供了新思路。     

不同岩石破裂全过程的声发射序列分形特征试验研究

通过对不同岩性的岩石进行单轴压缩声发射试验,获取岩石破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试件破裂失稳时的破坏情况,分析破坏过程的载荷变化关系。着重对比了不同岩石的不同力学性质、岩石声发射序列的时域特征和声发射序列的分形特征。研究结果表明,采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;计算岩石声发射率、声发射能率的关联维数,可得出岩石破裂过程的声发射序列具有分形特征;岩石破裂过程的声发射分维值D反映了岩石内部微裂隙的统计演化规律;不同岩性的岩石破裂过程的声发射参数序列的分形特征具有一定的共性;归纳总结出岩体声发射序列分维曲线的演化模式,即波动→持续下降演化模式,提出可以将分维值的持续下降作为岩体破裂失稳的前兆。     

基于能量耗散与释放的充填体失稳尖点突变预警模型

在充填体失稳预警研究中,以声发射前兆特征作为材料失稳预警标志已得到众多学者的一致肯定。然而,声发射前兆特征具有多种形式,这对充填体的失稳预警有一定的影响。基于此,建立了一种形式固定的充填体失稳预警模型。首先,以能量演化特征为切入点,基于尖点突变理论构建了充填体失稳预警模型,随后针对不同灰砂比充填体开展单轴压缩声发射验证试验。试验结果表明,耗散能突变与可释放弹性应变能突变所构成的区间可描述充填体的预警状态,将其定义为预警区间。不同灰砂比充填体预警区间唯一,模型具有较好的灵活性及普适性。以振铃计数率等认可度高的声发射特征参数的前兆特征对得出的预警区间的合理性进行验证,验证结果表明,根据模型求出的预警区间与声发射参数的前兆特征所处时间高度一致,进一步验证了该方法的合理性及普适性,可为充填体的失稳预警研究提供一种新的思路。     

非贯通节理花岗岩剪切断裂力学特性及声发射特征研究

为探究节理岩体在压剪复合作用下的断裂力学行为与破坏机制,采用完整及非贯通节理花岗岩开展了剪切试验,从宏观力学特性、声发射信号特征、颗粒流细观演化规律等多角度进行解析,并提出了一种利用声发射信号特征及其关键信息点预判花岗岩剪切破坏的方法。研究结果表明：节理破坏了岩石完整性,降低了岩石的剪切刚度和峰值剪切强度;此外,节理的存在会影响裂纹的扩展路径和破坏模式,且这种影响会随着法向应力的增加而削弱。法向应力和节理对声发射特征点影响显著,声发射信号的缓慢增长及b值的持续下降可作为岩石剪切破坏的前兆特征;利用声发射信号特征及其关键信息点可以有效预判花岗岩的剪切失稳破坏过程。该研究成果为节理岩体剪切破坏机制分析及其稳定性预测提供了一定参考。     

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。     

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。     

加载速率影响的煤体破裂过程声-电荷试验研究

为建立加载速率影响下煤体不同失稳形式的声发射-电荷判据,以阜新五龙矿某工作面为研究对象,采用物理试验研究方法,开展了不同加载速率下煤体破裂过程声-电荷监测试验,深入研究了加载速率影响的煤体力学性质、破裂规律和煤体破裂过程能量耗散与声发射-电荷信号的对应关系。研究结果表明:加载速率越高,应力调整越提前,煤样单轴抗压强度增加,累积变形能耗散加剧,煤体失稳形式由静载失稳过渡到类动载扰动失稳,煤体失稳破坏的动力特征明显,压缩型冲击地压动力灾害发生几率增大;不同加载速率下煤岩破裂过程产生的声-电荷信号变化与煤岩受载的应力突变具有较好的一致性;对所用煤样的声发射-电荷信号进行量化分析,初步提出了判定煤体失稳形式的声-电荷复合判定依据,在不同矿区、不同工作面上,可依据监测获得的声-电荷现场数据辅以采动应力场的变化情况,对采动过速诱发的煤体压缩型冲击地压的发生几率进行预测和预警。     

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。     

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。     

岩石破裂过程中电磁辐射信号特征研究

为了探索震前电磁异常现象的物理机制,许多研究注重于分析岩石破裂过程中产生的电磁辐射信号。对花岗岩样品进行单轴加载,变形直至破裂,记录整个过程中产生的电磁辐射(EME)和声发射(AE)信号,对比分析。这里主要从两个方面分析岩石破裂过程中EME信号的特征:①利用非广延分析方法分析EME的能量分布情况,并与b值分析方法对比,推断岩石破裂类型以及裂纹发育过程;②利用统一等待时间定标律分析EME的时间特征,期望获得岩石破裂过程中EME信号等待时间的分布规律。结果表明,在拟合AE和EME信号的能量分布曲线时,发现b值只能拟合AE部分数据,完全不能拟合EME数据,而非广延参数q可以很好地拟合这两类信号。通过对比分析AE和EME信号的等待时间概率密度的分布情况,发现EME信号的集成效果相对较差,可能不满足统一等待时间定标律。     

不同围压下致密砂岩破裂过程声发射特征研究

揭示致密砂岩的破裂机制对致密油气储层压裂设计和压裂缝网改造具有重要的指导意义。本文采用鄂尔多斯盆地延长组长6储层致密砂岩试样,开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了围压对岩石力学性质的影响。采用声发射定位技术研究了试样破裂过程,分析了不同围压下声发射定位事件的信号特征及其时空演化序列。此外,对破裂后试样进行了CT扫描,基于CT切片图像观测了试样内部破裂特征。得到以下几点认识:（1）不同围压下,声发射时空演化差异主要表现在压密阶段。随着围压的增加,声发射事件主要发生时段后移。（2）围压对声发射特征参数累计振铃计数的影响主要表现在压密阶段,其他阶段累计振铃计数呈相似变化趋势。不同围压下均可将累计振铃计数快速增加的瞬间作为岩石即将破裂的标志。（3）随着围压的增加,岩石破裂形态趋于简单化,由拉张破裂为主的复杂形态逐渐转变为单一的剪切破裂形态。（4）CT扫描切片直观地反映了试样的破裂形态,与声发射定位所得试样整体破裂形态相吻合,并且在声发射定位的基础上进一步刻画了裂纹分布情况与各裂纹相互作用过程。采用声发射定位技术与CT扫描双重方法,研究试样破裂过程,对于深入研究岩石破裂机制具有一定的意义。     

含砂岩石力学特性及其致灾机制研究

含砂岩石是发生突水溃砂灾害前在高位关键层形成的特殊岩石,其强度与力学性质均与普通岩石不同,决定着高位关键层的稳定性。研究发现：不同裂隙角的裂隙岩石与含砂岩石具有不同的特征应力,且随着裂隙角的增加,裂隙岩石与含砂岩石的起裂应力、损伤应力和峰值应力均增加,双峰应力先增加后减小。相同裂隙角下的含砂岩石各特征应力均小于裂隙岩石,说明砂体对岩石特征应力具有弱化效应。从破坏形态来看,裂隙岩石易呈现翼形拉伸裂隙,含砂岩石在低裂隙角（30°）条件下形成拉伸裂隙,高裂隙角（60°）条件下易形成剪切裂隙,表明砂体进入岩石裂隙后对岩石具有剪切效应。同时建立了充砂力学模型,指出了含砂岩石强度小于裂隙岩石的原因是砂体降低了岩石的摩擦系数。根据声发射累计振铃计数定义了岩石损伤量并分析了含砂岩石致灾机制,现场溃砂灾害可分为4个阶段：弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、蓄砂储能阶段、溃砂释能阶段。最后利用PFC2D验证了裂隙岩石与含砂岩石的差异性,分析了不同类型岩石的能量演化规律。研究结果可作为煤矿顶板突水溃砂现象的前兆信息识别,有助于指导突水溃砂工作面的安全生产。     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性

为了研究在单轴压缩下不同强度煤样的声发射特征,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,对硬煤、中硬煤和软煤煤样进行实验研究。为了解决煤样在声发射实验中存在的各种信号干扰和信号处理方面的问题,运用小波包变换对煤样的声发射信号进行了分解、去噪和重构。研究结果表明:经过处理之后的声发射信号能够更清晰地反映硬煤、中硬煤和软煤煤样在单轴压缩下失稳破坏的变化特征。软煤、中硬煤和硬煤的声发射信号特征各不相同,随着煤样强度的增加,煤样失稳破坏时声发射累计能量和累计计数逐渐减小,煤样在受力过程中声发射能量和计数的峰值也逐渐减小,并且在峰值处释放的能量也逐渐减小。      

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。     

不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

典型岩石破裂产生次声波试验研究

在刚性材料试验压力机上对花岗岩、灰岩、红砂岩、砂岩、千枚岩及泥岩6种典型的岩石试样进行了单轴全过程加载试验,通过自主研制的数字化次声波探测系统对加载过程中的岩石破裂发射出的次声波信号进行了实时探测。为了研究岩石微破裂过程是否存在发射低频次声波现象及其频率分布等特性,通过小波阈值去噪、短时傅立叶变换（STFT）时-频分析和时域累计振铃计数的方法对数字次声波信号进行了处理与分析。研究结果表明：①岩石在破坏前加载过程中存在明显的发射次声波现象;②岩石破裂产生突出次声信号的频率主要分布在2.0～6.0 Hz之间;③在结构较完整的情况下,硬岩（如花岗岩、灰岩）在变形破裂过程中产生的次声信号数量要比软岩（如泥岩）多。与一般声波相比,因次声波具有不容易衰减,不易被水和空气吸收,波长很长可绕开大型障碍物等独特性质,结合其他方法对岩石破裂产生次声波现象的进一步研究可为岩石（体）稳定性监测提供重要的研究方法和技术手段。