黄砂岩声发射源定位精度影响因素及破坏特征研究

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对于解决工程建设过程中的动力灾害问题、进一步加深对岩石破坏规律的研究一直是许多学者长期所研究的课题。现今,声发射监测技术作为无损监测的一种方式,利用该技术对岩样的过程进行实时监测已成为研究岩石破坏规律的一种重要手段。通过该技术进行监测之前,首先要弄清楚岩石声发射实验的定位精度,这样才能建立声发射与岩石破坏之间的正确关系。而以往声发射定位影响因素方面的研究一般采用加载力学实验的研究方法,该方法存在实验操作繁琐、压力机操作安全隐患等问题,有必要采用另一种方式来替代。且以往对于较大尺寸岩样(相对标准尺寸而言)声发射影响因素研究较少,而加强对该尺寸岩样的研究,将更有助于精准的建立较大尺寸岩样破坏与声发射之间的关系,可以为后期利用CT与声发射技术实现对大尺寸岩样的三维可视化奠定基础,同时该研究对促进声发射技术在岩石破坏机理及矿山灾害监测预测等方面的应用具有重要的理论指导意义。基于此,本文选用工程实践中常见的黄砂岩为研究对象,首先通过物理断铅进行声发射空间定位影响因素实验,以绝对距离误差和较优点作为实验评价指标进行综合评价,得出各因素对声发射空间定位精度影响大小,确定了最优方案;然后开展单轴压缩声发射空间定位实验,对声发射空间定位影响因素实验进行验证。同时利用声发射参数的变化特征来表征岩石的破坏过程,确立岩石破裂与声发射信号特征之间的关系。最后,选用数值计算重现岩石的破坏过程,并从应力场、AE事件分布等角度进行分析,进一步补充了物理实验部分。主要研究结论如下:(1)通过正交实验方案设计,并以绝对距离误差和较优点为评价指标对实验结果进行综合判断,得出对声发射空间定位精度影响因素的主次顺序为:声发射传感器类型>声发射传感器边界距离>声发射传感器数量。对于声发射空间定位精度的影响最小组合为声发射传感器类型选择低频、边界距离选择0.2L与传感器数量选择8个。(2)不论是具有代表性的预制裂纹岩样还是完整岩样,中高能量事件聚集形成的区域都与岩样实际破坏形成的宏观断裂面区域相一致,表明利用声发射源定位事件的分布特征很好地表征了岩样的破坏模式,同时验证了优方案下的声发射监测定位精度较高,可以满足实验室岩石声发射监测实验要求。(3)通过对不同应力阶段的声发射事件空间分布演化规律进行研究,发现声发射事件可以对岩石内部微裂纹的压密、扩展与贯通信息起很好的表征作用。岩样经历了“小能量微破裂-中高能量破裂-贯通式大破裂”的演化过程。同时,声发射事件的聚集区,即局部应力集中现象可作为裂纹扩展的起裂位置。(4)声发射振铃计数与能量参数随时间的变化趋势基本一致,大致呈“平静(声发射活动不活跃)-稳定上升(声发射活动较活跃)-急剧上升(声发射活动很活跃)”变化趋势。含预制裂纹岩样裂纹的声发射急剧上升(活跃期)要滞后于完整岩样,出现在峰后阶段。(5)黄砂岩AE的b值变化曲线呈“平稳-上升-下降”的特点,岩样内部微裂纹经历了分布稳定、小尺度微裂纹分布增加以及大尺度裂纹分布增加阶段,对应了岩样内部微裂纹压密、新生裂纹萌生、延伸、聚集等不同发育阶段。在峰值应力之前均出现了b值下降现象,该现象是岩石损伤失稳的前兆信息之一。(6)运用RFPA3D软件,从岩样破坏、最大主应力场、AE事件角度对其内部三维裂纹的演化情况进行了分析,结果显示,数值实验很好地展示了岩样三微裂纹从产生、扩展到连接、贯通的演化规律,与物理力学实验岩样破坏形式有很好地相似性。
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