真三轴加载条件下岩爆过程的声发射演化特征

利用真三轴岩爆试验系统,对花岗岩开展真三轴加载条件下岩爆过程的声发射试验,初步揭示了岩爆过程中的声发射时空演化特征：岩爆孕育前期,振铃撞击比较小,主频以低频为主,优势频段（基于小波分析能量占比最大频段）为小于125 kHz的低频段,声发射事件点由分散态趋于聚集态,新增事件由临空面向岩样内部方向转移;岩爆发生前夕,振铃撞击比大幅突增,低频、中频、高频信号大量涌现,主频带由离散形态转变为连续形态,250～500 kHz优势频段信号占比明显增加,声发射事件成核区在距临空面较远处成形,临空面附近区域事件点增多;岩爆发生阶段,声发射呈低频高幅特征,优势频段重新转入62.5～125.0 kHz,岩样临空面附近声发射活跃,岩样内部出现明显的声发射事件成核区,表明临空面附近出现了岩板劈裂现象,距临空面较远处出现了宏观剪切破坏现象。     

支护失效对岩爆弹射破坏影响的真三轴试验研究

利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以灰白色中晶粒花岗岩为研究对象,开展了不同失效支护力、支护失效时机及支护失效速率对岩爆弹射破坏的影响的室内试验。试验中,模拟了地下洞室支护失效前、后的围岩应力路径变化,利用高速摄像系统对岩爆破坏全过程进行追踪与弹射动能测试。结果表明,支护力越大,支护失效时岩爆的弹射动能越大;在轴向应力加载过程中,单面卸除最小主应力的时间越晚,即支护失效越迟,岩爆的弹射动能越大;支护失效速率越大,岩爆弹射动能越大;随着支护失效速率的增大,岩样的破坏模式由脆性开裂静态破坏向岩爆动力破坏转变。     

开挖与支护应力路径下硬岩破坏过程的真三轴与声发射试验研究

针对硬岩的脆性破坏问题,利用真三轴和声发射（AE）试验系统研究了灰岩试样在不同应力路径和应力水平下的力学特征与变形破坏机理、AE活动特征及能量释放规律。试验研究表明：（1）开挖卸荷应力路径下,试样强度受卸荷作用影响较大,且随中间主应力呈区间性变化,试样以脆性劈裂破坏为主;（2）开挖卸荷+支护的应力路径下,支护力显著改善了岩石的力学性质,破坏形式以张剪性破坏为主;（3）试样AE活动过程可以分为三个活跃期（裂隙压密阶段、卸荷阶段和失稳-破坏阶段）和两个相对平静期（弹性变形阶段和微破裂稳定发展阶段）,AE信号表征参数“absolute energy”作为能量度量指标能够较好地定量描述和研究硬岩的脆性破坏过程。试验结果和许多工程开挖和支护过程中岩体的力学行为和支护作用类似,可为工程现场开挖支护设计提供试验依据和有益指导。     

三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究

针对含结构面岩石的脆性破坏现象,探讨了三向应力条件下岩体破坏的单结构面控制效应。利用真三轴试验进行验证,系统研究了单结构面岩石试样在模拟工程岩体开挖卸荷与支护应力路径下的力学行为、结构控制规律及声发射（AE）特征等。研究表明,(1) 三向应力下单结构面控制效应能够较好地描述工程岩体的结构控制规律和卸荷、支护作用,真三轴试验结果与理论分析较为吻合;(2) 开挖卸荷与支护应力路径下,含结构面岩体的破坏模式、卸荷的影响和支护效果等均与应力状态、支护强度及结构面参数有关,可依据结构控制规律,从工程方位布置、提供合理支护等方面采取措施避免岩体发生结构控制破坏;(3) 试样的AE活动和能量释放规律与完整试样相似,但结构面的存在降低了试样储能能力,且95 %以上的应变能在破坏阶段突然释放。试验研究和结构面控制效应的探讨对地下工程岩体开挖支护有一定的指导意义。     

四川康定某深埋隧道花岗岩岩爆物理模拟实验研究

四川康定折多山某隧道因其埋深大、构造应力高度集中,在修建过程中极易产生岩爆.为探索折多山某隧道花岗岩段不同深度条件下岩爆机制,利用真三轴岩爆实验系统,开展了不同深度下的花岗岩岩爆物理模拟实验.借助应力监测、高速摄像和声发射等系统,从声、光、力等多角度研究了折多山某隧道花岗岩岩爆的阶段特征、时间特征、主要破坏方式、裂纹演化等规律.结果表明:折多山花岗岩岩爆具有时滞性特征(time delaying rockburst,TDR),在500~1 100 m不同埋深条件下,约770 m为折多山花岗岩单面临空真三轴强度的临界深度;不同深度下的岩爆有明显阶段特征,可分为平静期、劈裂成板、板折剥落、整体弹射4个阶段;声发射特征揭示折多山花岗岩岩爆主要为张拉破坏,随深度增加,张拉裂纹逐渐增加,剪切裂纹逐渐减少;根据岩爆时应力差与单轴抗压强度比值将折多山花岗岩岩爆分为3种破坏模式:小颗粒弹射破坏、岩板劈裂破坏、岩屑混合弹射破坏;且应力比值$ \left({\sigma }_{v}-{\sigma }_{h1}\right)/{\sigma }_{c} $越大,岩爆烈度越大.      

不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

利用真三轴岩爆试验系统,开展了不同饱水度红色粗晶花岗岩的岩爆试验,分析了不同饱水度下岩爆破坏岩样的强度与变形特征、破坏与弹射特征、声发射特性等,探讨了岩石饱水度与岩爆弹射动能的定量关系以及水对岩爆的影响机制。研究结果表明：（1）当岩样的相对饱水度超过0.3,其峰值应力和屈服应力较天然状态的明显降低;（2）岩样饱水度的增加使得岩爆过程中小颗粒弹射减少、小岩片剥落增多、岩板外鼓现象减弱,且岩爆坑体积减小、岩爆碎块的粒径分布由连续分布变为不连续分布;（3）随饱水度的增加,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的平静期的总历时呈缩短趋势,岩爆发生时刻的声发射撞击数呈增大趋势,且累积绝对能量呈减小趋势、能量释放速度呈放缓趋势,表明岩样塑性破坏特性有所增强;（4）岩爆弹射动能随饱水度的增大而显著减小,二者呈单调线性的负相关关系,水对岩石的作用主要是软化和水楔作用,水的黏性也会对碎块弹射产生影响。     

玲珑金矿深部应力分析及岩爆防治措施研究

通过对玲珑金矿深部岩石的循环加卸载试验、单轴和三轴刚性试验以及三维数值模拟计算,从整体上揭示了玲珑金矿岩石内聚集较高弹性应变能和深部岩体中分布较大弹性能的现象,并且这些弹性能释放具有很高的冲击特性。结合多种理论判断岩爆准则,得出玲珑金矿深部开采具有潜在的强岩爆可能性,并且岩爆总体上讲是可以预测的。同时,根据现场实际施工情况,提出了相应地防止岩爆发生的对策和安全措施。     

拱形洞室围岩内岩爆的计算机模拟与控制方法

借用GDA软件来模拟开挖周边的应力重分布，在此基础上，重点分析了拱形洞室的拱顶、拱肩、两侧及底角的应力分布与岩爆的关系。并提出如何依据dσ3/（σ1-σ3）大小与正负来分析和估计岩爆位置，因为应力差σ1-σ3可表征岩石的变形与静态破坏，而最小主应力增量dσ3的大不可表征抵抗这种变形与破坏的能力。结果是拱肩与底角会出现岩爆。分析结果得到了加拿大某矿山的岩爆发生位置实际资料所验证。最后，提出了如何利用预裂爆破方法使岩爆从拱肩迁移到洞室底角。     

深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟研究

为了深入认识深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的发生机制,利用花岗岩材料加工含预制矩形孔洞（40 mm×40 mm）的立方体试样（100 mm×100 mm×100 mm）,并采用TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机进行了模拟试验研究。模拟试验中首先以深部1 000 m的地应力条件作为初始加载应力状态,保持孔洞径向和轴向的水平向应力不变,然后在竖直向加载直至孔洞两侧洞壁围岩发生破坏,并保证试样整体始终处于稳定状态。加载过程中利用岩样内部结构破坏实时视频监控系统,进行全程的实时记录和监测。试验结果表明,在竖直向为最大主应力和水平轴向为中间主应力的情况下,矩形孔洞两侧洞壁围岩整体发生明显的板裂破坏,破坏区域呈对称状,而顶板和底板始终保持稳定状态。侧壁围岩的破坏方向平行于竖直向,呈现典型的张拉板裂状破坏特征。整个破坏过程划分为平静期阶段、洞壁两侧上下肩角处颗粒弹射阶段、侧壁围岩裂纹扩展阶段和裂纹贯通板裂破坏阶段。当进入到裂纹贯通板裂破坏阶段时,无论是加载还是保载过程,板裂破坏都可能持续发展。试验过程中,试样洞壁两侧围岩的板裂破坏整体上呈现静态破坏模式,而且破坏区域沿水平方向逐渐向洞壁深部发展,最终形成沿轴向的贯穿型对称弧形槽。     

基于多参量归一化的花岗岩巷道岩爆预测试验研究

通过室内模拟花岗岩巷道岩爆试验,基于线性函数转换的归一化算法,将试验中获得的声发射场和红外温度场等多参量进行归一化处理,在分析其原始曲线特征的基础上,分析各参量在同一尺度下的演化特征,综合研究花岗岩巷道岩爆前兆。研究结果表明:声发射事件率、声发射能率、最高和最低红外辐射温度均适合作为岩爆灾害预测的主要参数。岩爆发生过程中各参量经过归一化处理,在统一尺度下能够快速、有效地识别岩爆发生的前兆。声发射能量加速释放是岩爆发生的早期预警信息;声发射平静期可作为岩爆灾害预警与采取控制措施的关键时期;最低辐射温度突降和最高辐射温度突增表明岩爆随时都有可能发生,这是岩爆发生的征兆。试验结果为岩爆灾害预测研究提供了新的方法和依据。     

深埋隧洞微震活动区与岩爆的相关性研究

基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞大量微震监测数据及上百个不同等级岩爆实例,研究了深埋隧洞微震活动区与岩爆之间的关系。研究结果表明：（1）微震活动分布范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方1.5倍洞径之间,而岩爆高发区位于掌子面后方3倍洞径以内,表明岩爆高发区与微震事件主要分布范围相吻合;（2）隧洞工程岩爆潜在风险重点关注区域是掌子面后方3倍洞径已开挖范围,以及掌子面前方1.5倍洞径施工范围;（3）微震事件及岩爆分布呈区域性集结特点,其中一部分岩爆发生于微震事件集结区内部,另一部分岩爆发生于微震事件集结区边缘,这是岩体破坏过程中所固有的现象,与微震事件集结区边缘局部应力集中密切相关。     

瞬时应变型岩爆模拟试验中花岗岩主频特征演化规律分析

利用深部岩爆模拟试验系统对花岗岩进行室内瞬时岩爆模拟试验,同时利用声发射系统采集试验过程中声发射信号,得到试验全过程应力和声发射波形信息时域图。结合声发射累计能量曲线特征,找到5个关键拐点,即花岗岩初始加载能量激增后产生的第一个拐点A、岩爆发生前两次明显的上升台阶处拐点B和C、岩爆发生时的能量突跃点D、最终峰值点E。将关键点处波形信号从全时域波形中提取出来并进行快速傅里叶变换,得到各关键点二维功率谱图,结果表明：花岗岩声发射主频值在加载初期时为106 kHz,随着荷载的增加,频率由低频向高频过渡,频带变宽且由单峰向多峰转化,频率成分复杂预示多种破裂模式的发生。岩爆前和最终岩爆时刻频带又变窄并恢复单峰,主频值降低至与初始加载时一致,约为106 kHz,预示着岩爆时刻花岗岩岩石高能量的释放。     

基于声音信号的室内岩爆动态预测方法

利用自主研发的真三轴岩爆试验机,在室内再现了应变型岩爆过程,并对岩爆过程中的声音信号进行监测。采用梅尔倒谱系数、谱质心、短时平均过零率等可定量化描述声音特性的组合指标作为岩爆过程典型破坏现象声音信号的特征提取信息,在此基础上结合适用于处理小样本、非线性分类问题的高斯过程机器学习方法,建立岩爆过程典型破坏现象识别的高斯过程模型,由此实现室内岩爆过程典型破坏现象的智能识别。进而,针对岩爆传统预测方法侧重于趋势预测而不能判别岩爆过程发展阶段的不足,采用智能识别+趋势预测的动态识别策略,以岩爆发生前夕的平静期、谐波均值、色谱向量均值等声音特征指标的变化规律作为岩爆前兆信息,提出一种多层次递进式的岩爆动态预测方法。室内岩爆的预测结果表明,该方法是可行的,为未来建立基于声音的现场岩爆预测方法奠定试验基础。     

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\     

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

冲击矿压的声发射监测技术研究

煤岩体的破坏伴随着声发射现象,通过分析煤岩体损伤破坏与声发射之间的耦合关系,论述了利用声发射评价冲击矿压危险的可行性,提出了冲击矿压危险性评价的声发射指标的表达方式、临界指标的确定以及危险等级的划分。实验室测试了某冲击矿压矿井煤样破坏过程的声发射特征,为现场应用提供参照。最后分析了波兰ARES声发射系统在冲击矿压矿井中的应用效果与存在的问题     

不同侧压系数条件下圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了水平及垂直方向围压不同（非静水压力）条件下的圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟分为3步：首先,将两个方向压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用FISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,当水平与垂直方向压力差较小时（或侧压系数较小时）,围岩中出现了“狗耳”形的V型坑,岩爆之后围岩能保持稳定。当侧压系数适中时,可以相继观察到V型坑和U型坑（或“平底锅”形坑）,岩爆之后围岩仍然是稳定的;当侧压系数较大时,围岩中先产生V型坑,然后是U型坑,之后由于剪切带相互贯通,形成了“鱼鳞”形的破坏区域,它们位于巷道顶部之上和底部之下,这将造成围岩的失稳。然而,在巷道两侧未观察到破坏现象。