文摘

根据石灰石和声发射的能量演化进化法,本文以石灰石卸能量进化法律与声发射累计振铃计数,累积能量,RA值,声发射信息熵和破坏声发射前兆歧视指标岩石爆炸的发生。研究岩石的卸荷速率的影响爆炸前兆表明随着卸荷速率有更多戏剧性的变化在每个前体的歧视程度指标和岩石破裂前很短的时间内完成指标。前体的建立响应系数表明,前兆响应时最强的岩石破裂声发射RA值时间是最早的。剩下的四个指标的岩石破裂前兆歧视不同加载路径显示的识别能力的波动状态。研究结果为识别岩石破裂前兆信息可以提供一些参考。

1。介绍

岩爆是一种动态现象的弹性变量情况能积累在岩石地下工程开挖下突然释放或其他外部扰动,导致围岩的破裂和射血(1]。随着采矿活动逐渐转向更深层次的领域,矿山经常面临着一系列的问题,如增加岩石压力和地面温度增加。其中,岩爆是最难处理的2]。帕帕多普洛斯和Benardos3使用机器学习(ML)预测岩爆。评价结果表明,击杀了一个巨大的积极影响在类在提高分类的准确性。Zhang et al。4)建立了岩爆预测基于隧道工程数据。他等。5)综合考虑岩石的强度比和摩擦材料和提出了一种新的方法,现场岩爆倾向的岩石材料的预测。汗等。6]介绍了一种新方法的诱导裂缝及相关线路图基于微震的数据识别和预测危险的地区,可能会导致煤矿坍塌或岩爆。Zhang et al。7]使用的实验结果和数值模拟分析的霍普金森压杆(SHPB)讨论能源煤与瓦斯突出机理引起的岩爆。苏et al。8]利用真三轴岩爆试验系统获取静态时期,波形的分形维数,和活动的重要特征等层面,值和频谱。基于统一强度理论(科大),Jing-Lin et al。9)建立了岩爆不稳定模型,分析了中间主应力(IPS)和煤层强度参数(凝聚力和内摩擦角的影响)的分布特征,岩爆。贾et al。10)使用数值模拟方法和相似材料模拟试验提出了岩爆监测方法和预防措施,有效降低岩爆发生的概率。由声发射和岩石岩爆监测能源、苏et al。11)进行岩爆试验6个完整的硬脆性岩石标本,然后研究不同岩石岩爆使用高速摄像机,声发射系统和扫描电子显微镜。郭et al。12)进行了三点弯曲试验对预制切口半圆的中等粒度的花岗岩标本,用声发射监测微裂隙的发展。道等。13)进一步研究能量的差异分解和砂岩的破坏过程声发射特性测试的声发射特征岩石标本在不同卸荷信封的压力。

高et al。14)进行了单轴压缩实验五在多个周期,分析了岩石声发射活动和破坏模式的五个岩石破坏阶段。高等人在此基础上,进一步分析了岩爆可能根据节能指数。嘉旭et al。15角闪岩)进行了单轴压缩试验和记录了声发射信号分析各种关键信号之间的关系。梅等。16]分析了光谱特征和时域主导整个岩石破裂过程中声发射频率单轴应变岩爆试验的基础上深埋地下的大理石。王等人。17]研究了岩爆预测的多参数协同方法通过真三轴试验。

当前对岩爆的研究主要关注的定义、分类、研究方法、特征、形成条件、预测方法和岩爆的预防措施18]。岩爆的研究成果相当丰富,岩爆发生的机理和预测和重要进展,取得了理论,但仍然有一个缺乏可靠的技术为准确预测岩爆。有必要准确地监测岩体能量积累过程中,进化,岩体破裂,损坏,在深部开采和能源动态发布(19]。

本文研究岩石破裂的前兆规律从能源的角度来看,声发射。能源,能源计算解释的原则,介绍了“能量压降响应率”,和法律的进化和能源压力降的反应比石灰岩三轴加载和卸载条件下进行了分析。基于能量进化法,提出了岩爆。响应率的变化特点的能源和能源压力降的岩石样本之前(即生活。,rockburst precursor information), the total energy, elastic energy, dissipated energy, axial strain energy, and hoop strain energy with the confining pressure and the changing law of unloading rate, the influence of confining pressure, and unloading rate on the information of rockburst precursors are studied. In terms of acoustic emission, the time domain parameters of the rock, including (cumulative) ringing count, (cumulative) acoustic emission energy, and RA value change characteristics, during loading and unloading are studied. The concept of information entropy in thermodynamics is introduced, and the acoustic emission ringing count is calculated. The information entropy is used to quantitatively characterize the failure process of limestone through information entropy. The damage variable of the acoustic emission ringing count is calculated, and the rock failure precursor is studied from the perspective of rock damage evolution. The abovementioned rock fracture precursor identification indicators are selected to construct a multiple precursor information identification systems of acoustic emission time-domain parameters, and a comprehensive analysis of the precursor information of rockburst acoustic emission is carried out.

2。材料和方法

在这个实验中使用的材料是灰岩,岩石力学参数如表所示1(20.]。

2.1。能量计算原理

总应变能标本的 在哪里应变能吸收吗轴向压缩和产生的应变能吗卸货的周围的压力。

在任何时刻在测试过程中,轴向应变能吸收和应变能被封闭的负功的压力可以通过整合获得应力-应变曲线如下: 在哪里轴向应变在任何时候应力-应变曲线。圆周应变在任何时候在应力-应变曲线结束轴向应力和周向应力在任意点的应力-应变曲线。

因此,能量耗散 :

2.2。能源压力响应率下降

卸荷试验过程中,由于轴向压力和周围压力的影响,岩石的内部能量演化会有一定的影响。从主应力差的角度来看,压降的能量响应率指数分析了岩石的内部能量定律快和慢变化的轴向压力和周围的压力,它可以是一个很好的测量压力变化的影响程度的变形、破坏,破坏的岩石在卸货的过程中21]。

压降的能量响应率表达式 在哪里是总应变能量的增加(包括弹性能量和耗散能量)在岩石样本时间( ); 和是总应变能(包括弹性能量和耗散能量)在岩石样品在哪里 和 ,分别;表明压降 ; 是 ,分别表示轴向压力 和 ;和是表明在围压 和 ,分别。

2.3。信息熵

香农(22)指出,可以简化复杂的信息熵量化表征和测量的决定论状态信息。自组织临界现象的演变在石灰岩加载可以可视化的熵的大小的变化声发射振铃计数信息。

信息熵

2.4。声发射损伤变量

Kachanov [23)定义了损伤变量作为

的范围(0,1),更大的价值 ,岩石的破坏程度越大。当 ,摇滚不是受损;当 ,岩石完全破裂。

3所示。结果与讨论

3.1。前体定律三轴加载和卸载条件下石灰石能量进化

以40 MPa为例,石灰石能源和能源的响应率曲线在相同围压压降和不同的卸率如图1。开始加载,岩石样品的弹性能量大于耗散能量。封闭压力达到预定值时,围压不变,轴向载荷仍在继续。在这个时候,在短时间内消散的能量减少。这是由于围压不变,所做的负功围压降低,导致减少耗散能量。随着加载的继续,内部裂缝岩石样本开始启动,发展,并逐渐扩大,导致一个缓慢上升的能量耗散和弹性能量逐渐减少。当岩石样本加载峰值强度、耗散能量开始大幅上升,弹性能量急剧下降。同时,耗散能量的价值超过了弹性能量岩石样品被完全摧毁。因此,耗散能量的快速变化和弹性能量可以作为岩石破裂的前兆信息断裂造成的岩石样本。

比图表明,能量响应的岩石样品的压降相对活跃在加载的开始。随着加载的继续,压降的能量响应率仍然是活跃和活动增加的程度。相信之前的峰值强度岩石样本,一块岩石样品的变形破坏是对压力的变化非常敏感。岩石峰值强度后的样本,压降的能量响应比例逐渐稳定。这是由于样品已经被完全摧毁,应变能之间的差异和主应力同时大幅减少,导致能源压力降较小的响应率。因此,能源压力下降反应比静默期可以用作的前兆信息岩爆岩石样本的失败造成的。当它改变从连续大连续波动平静状态,它表明岩石样本即将失败。

与卸荷速率的增加,弹性能量的变化和耗散能量高峰后残余阶段变得越来越激烈,弹性能量暴跌,耗散能量急剧上升,这表明岩石样本的破坏变得越来越激烈,和卸载速率的增加可以加速破坏岩石样本。

3.2。卸货速率对岩石破裂损伤的影响

轴向应变能 ,箍应变能 ,弹性应变能 ,损耗的能量 ,总应变能和围压峰值点,剩余点,和卸货点的岩石样本,和应变能和表2- - - - - -4显示在下面。

从图2可以看出,卸荷速率的增加,应变能的变化在每个特征点相对较小,这意味着增加卸货率几乎相同的效果在每个应变能和应变能的敏感性卸货速率是相同的。加速度的岩石样本的破坏可能是由于能量存储在每个卸货率峰值之前是相同的;,释放的能量在峰值后的剩余阶段是相同的,和卸货率的提高,只有缩短岩石样本的破坏时间和加速应变能的释放,但不改变能源值峰值和残余点。

为了直观地反映卸荷速率的影响,消散的能量为例;时间增加耗散能量峰值点的残余点不同的卸率是列在表中5。卸货速率为0.1 MPa / s时,岩石样品加载时的峰值点是884年代和1212年代剩余的时间点。在此期间,需要328年代消散的能量增加。随着卸荷速率的增加,能量消散的时间增加逐渐缩短,和耗散的能量增加。地面变得越来越快,岩石样本被破坏更加严重。

因此,可以得出结论,在卸围压三轴压缩试验,卸载后,卸荷速率的增加并不能改变岩石的能量峰值点和残余点样品。加载速率对岩石断裂的影响主要在于以下几个方面。样品加载时峰值点和残余的一点是先进、开发和岩石样本的时候破裂是先进的。岩石样品的耗散能量增加更快,和岩石破裂的程度变大。

3.3。研究石灰石卸的声发射前兆信息

3.3.1。声发射振铃计数分析石灰石同一围压下和不同的卸率

声发射参数可以更好地描述岩石的变化在外力下,反映了内部晶格位错和裂纹演化特征的过程中岩石材料变形(24,25]。其中,振铃计数可以反映声发射信号的强度和频率(26]。因此,选择声发射振铃计数分析岩石的损伤样本在失败的过程中。由于类似的趋势卸货率为0.1,0.3,0.5,0.7,1和2 MPa / s,卸货率为0.1,0.5,1 MPa / s选择由于空间的限制进行分析。

图3介绍了压力——(累积)声发射振铃记录时间关系曲线灰岩与周围不同的卸率在同一压力(40 MPa)。(累积)振铃计数变化的趋势在每个卸货率是相对一致的。在加载岩石峰值强度之前,每个标本的振铃计数相对较少,偶尔跳跃在个人价值观。累计振铃数曲线相对平稳;这可能是由于这一事实的内部裂缝岩石更发达,产生更多的声发射信号。当加载岩石峰值强度、振铃计数程序“爆炸”和生长最大值在很短的时间内,和累计振铃计数显示了一个“垂直上升,表明岩石内的声发射信号是非常活跃的。这是因为内部裂缝岩石的峰值强度附近的充分发展,从而导致增加振铃计数。

可以观察到的变化模式振铃计数附近岩石的峰值强度显示在每个卸货率不同的特征。与卸荷速率的增加,峰值强度逐渐降低,附近的振铃计数和累计振铃数的增长趋势曲线逐渐变得“更陡。“当卸货率为0.1 MPa / s,振铃计数活跃在800 - 1200年代,0.5 MPa / s振铃计数是活跃在780 - 830年代,当卸载率增加到1 MPa / s,振铃计数是活跃在790 - 820年代,和振铃计数爆炸在很短的一段时间。这表明卸货率的增加加速岩石的破坏,导致完整的岩石破坏前声发射信号可以被发出。卸货率的提高,基本上反映了卸荷量的增加,和卸货量的增加将导致更少的限制侧向变形的岩石,岩石将更有可能被摧毁。

分析表明,声发射振铃计数出现集中,增加“爆炸”岩石样本骨折。的线性增加累计振铃计数表明,岩石样本的主要断裂即将发生。随着卸荷速率的增加,岩石裂缝出现之前的前体,时间变得越来越短。

3.3.2。声发射能量分析石灰石同一围压下和不同的卸率

当外部负载应用到岩石,岩石会发生一定的变形。当外加负载超过峰值强度的岩石,岩石内部裂纹扩大,然后,损害发生。在这个过程中,发生能量交换之间的内部和外部的负载。与声发射技术可以有效地监控这个过程,所以本节研究岩石失稳破裂的过程中通过观察声发射能量和积累声发射能量随时间的变化规律和压力。

图4展示了压力之间的关系曲线(累积)声发射能量和时间的石灰石与不同的卸率在相同围压的40 MPa。的趋势可以看出,声发射能量和累积的声发射能量的岩石样本在不同卸率基本上是相同的。加载方向和箍方向,很少有岩石内微裂隙,声发射能量和累积能量几乎是0。封闭压力达到预定值时,轴向载荷仍在继续。此时,岩石是限制由于围压较高。限制的周向变形岩石。岩石内部的裂纹扩张不明显,导致一个微不足道的小值的能量释放和平坦的累积能量曲线。当轴向载荷达到岩石的峰值强度的80%,围压开始卸载。由于卸荷环,环变形迅速增加,裂纹开始扩展,通过,导致“爆炸性”能源增长。累积能量曲线显示了“线性”增长,和岩石完全休息。 This change of acoustic emission energy and accumulated energy indicates that the rock is about to fail and rupture. It suggests that the turning point of the curve of energy and cumulative energy from a calm state to a sharp change can be used as the precursor information point of rock rupture.

为了研究卸荷速率的影响在岩石破裂的前兆信息,从一开始的时间结束的前兆信息的前兆现象在每个卸货率计算能量和累积能量配置文件。由于能量和累积能量曲线有相同的变化趋势,选择累积能量曲线易于描述作为一个例子。在0.1 MPa / s,累积能量曲线变化区间是885年代~ 1167年代,282年代使用的时间是。在0.5 MPa / s,累积能量曲线变化区间是781年代~ 848年代;使用的时间是67年代。在1 MPa / s,累积能量曲线变化区间是770年代~ 810年代;使用的时间是40多岁。可以看出,随着卸荷速率增加,岩石断裂的发生前兆信息的点是早些时候,时间累积能量曲线增长从一个稳态最大值越来越短,曲线的斜率越来越大,变化的程度越来越激烈。

3.3.3。RA值的分析石灰石同一围压下声发射和不同的卸率

RA值计算每个AE事件基于每个AE波形的上升时间和振幅,和石灰石的变异规则RA值在三轴压缩和三轴加载和卸载失败进行了分析。

图5显示了石灰石的time-stress-RA值关系曲线在相同围压(40 MPa)和不同的卸率。在加载初期阶段,声发射RA值保持在低水平,这表明岩石样品主要由剪切裂缝。随着加载的进行,内部的裂缝岩石样本开始开发和收敛。在峰值应力的内部裂缝岩石样本发展充分,和大损失发生。这个时候,RA值开始集中出现,出现突然增加,表明大量的张力裂缝产生。因此,突然增加RA在峰值应力的值可以被用作岩石破裂的前兆信息。

也注意到,随着卸荷速率的增加,岩石RA在峰值应力的值变大,但数量变得越来越小,高RA值的持续时间缩短,在0.1 MPa / RA值约100年代,增加到260 1 MPa / s。相信卸货率的增加会导致更大的岩石的破坏,和完整的破坏是在较短的时间内,导致减少岩石破裂声发射信号的损伤。加速度的卸货率基本上是卸载周边压力的增加。卸载卷周围压力的增加导致更少的限制侧向变形的岩石,这更有可能导致岩石破坏。它可以得出卸荷速率的增加使得RA值点的岩石破裂前兆的信息成为持续时间越来越短。

3.3.4。声发射熵值的变化规律相同围压下的石灰岩和不同的卸率

图6表明,随着负载的增加,声发射熵增长缓慢。大幅的卸围压,熵增加,达到峰值在相对较短的一段时间。结果,快速增长的信息熵岩石破裂前声发射振铃计数可以作为岩石破裂的前兆。

同时,岩石破裂阶段,熵增加速度随着卸荷速率的增加。在0.1 MPa / s,熵值变化从883年代到1124年代241年代。在0.5 MPa / s,熵值变化从771年代到838年代67年代。1 MPa / s,熵值变化从771年代到802年代在31个。可以看出卸货率越高,越早的转折点出现熵值,和短时间增加到最大值,更激烈的熵值的变化。它可以得出岩石的卸荷速率对前体的影响失败是主要如下:岩石破裂的前兆时间是先进,持续时间缩短,差异程度加剧。岩爆的野外识别前兆,需要考虑卸荷速率的影响。卸荷速率的增加导致熵增加振铃计数变化程度,使其更容易捕获的前兆特征。同时,熵的发展时间也使前兆特征难以捕捉。

3.3.5。声发射破坏分析同一围压下和不同的卸率

以40 MPa围压为例,轴向strain-axial应力损伤变量曲线岩石样品在不同卸率如图7。如图7损伤变量的增长趋势下的岩石样本不同的卸率大致相同。类似于三轴压缩,损伤变量的变化过程可以分为四个阶段:(1)损伤的形成阶段。三轴卸荷应力路径是添加卸围压。横向和轴向载荷增加的速度约为0.1 MPa / s到目标围压值。在这个阶段,岩石在弹性阶段。主裂纹的起始和发展状况;变形不明显。损伤变量是非常小的。岩石损伤的形成阶段(2)破坏稳定的阶段。在这个阶段,围压是预设40 MPa和保持不变;轴向加载速率为0.5 MPa / s直到岩石峰值强度达到80%。岩石尚未开始卸载阶段,仍在弹性加载阶段。天然微裂缝不明显;新裂纹萌生更少。损伤变量变化很小,从0.001到0.005。可以理解,“积累”阶段的岩石是在卸载失败之前,岩石是在稳定阶段(3)损伤加速阶段。在这个阶段,岩石开始被卸载。这时,轴向压力已经达到了80%的峰值强度。轴向压力继续加载的加载速率0.1毫米/分钟,和围压开始从40 MPa被卸载。卸货后,变形量迅速增加,体积膨胀明显,横向应变也同时增长。在这个阶段,原始裂缝继续发展和扩大和趋同。新的骨折损伤变量值开始增加。峰值强度后,横向应变开始增加,原始裂纹收敛,和宏观裂缝开始形成,损伤变量值显示了爆炸性增长,这是接近最大值1在卸货。在这个阶段,岩石在破坏加速阶段。损伤变量的爆炸性增长可以作为岩石破裂前兆信息(4)损伤和破坏阶段。在这个阶段,岩石卸荷已经结束,和岩石变形仍在残余塑性阶段。岩石变形仍主要表现为滑块沿宏观断层表面,和损伤变量的变化趋势往往是温和的,和岩石postdamage阶段

3.4。多个前体合成时域分析的声发射参数

上述分析表明,在加载过程中,前兆识别因素显示了相对一致的法律:(累积)声发射振铃计数(累积)声发射能量,RA值,声发射信息熵,岩石破裂前声发射损伤变量变得活跃,所有显示大幅增加的趋势。通过分析的演变规律,在整个生产过程中声发射信号时频的石灰石骨折,得出多个前兆信息的异常特征岩石破裂前声发射的时频参数如下:价值增加,多个前体集中出现。

为了方便的响应时间序列的比较石灰岩骨折前5类型的前兆信息,上面的前兆响应系数6类型的信号,分别计算,前体反应系数计算公式(27- - - - - -31日]: 在哪里是时候出现声发射前兆的指示器,是岩石的时候是完全坏了。一个更大的σ表明早期的前兆响应时间指标和前兆识别能力更强。

从图可以看出8声发射RA值的响应系数仍然是最大的同样的周围压力不同的卸率,和岩石断裂的识别是最强的。其他四个指标波动的响应系数的增加卸货率。卸货速率为0.1 MPa / s时,声发射振铃计数的响应系数是最小的;识别能力是最弱的。声发射能量、信息熵和损伤变量的响应系数基本上都是相同的,和识别能力是相对较近的。卸货速度为0.5 MPa / s,声发射能量的响应系数最大的响应系数RA值和信息熵是第二,损伤变量和响应系数是最小的。在其他卸货率,这四个指标的响应系数相对较近,并且能够识别岩石骨折基本上是相同的。

4所示。结论

本文研究了声发射前兆和能量进化石灰石卸荷条件下的前兆信息,和研究结果摘要如下:(1)岩石卸荷的前兆规律能量进化是弹性能量迅速减少,消散的能量急剧增加。在三轴加载和卸载过程中,能源压力下降反应比从大波动状态变化到稳定的时期。这些特征可以作为岩石破裂的前兆信息。卸荷速率对岩石的影响不稳定失败了,并发现,随着卸荷速率的增加,能量耗散增加更快,和岩石失稳故障变得更加严重(2)声发射前兆信息的岩石卸荷:振铃计数前将大大增加岩石不稳定和失败。声发射能量和累积能量将迅速增加,达到最大值之前岩石失稳故障。RA值会出现集中和突然开始增加,岩石和显示了拉伸断裂。环的熵值计算将改变从一个稳定状态急剧增加,和熵曲线的斜率将变得更大,和价值将会增加。岩石的变化从损伤稳定阶段损伤加速阶段,损伤变量增加迅速。每个前体判别指数的变化规律较为一致,并且将会有一个突然增加岩石失稳前失败。因此,可以使用这些信息作为岩石失稳的前兆信息失败。卸荷速率的影响研究失败的岩石失稳的前兆,并发现卸荷速率的增加将导致更剧烈的变化的前兆歧视指数,和每个索引之前将完成在短时间内突然增加岩石不稳定故障(3)综合分析的声发射前兆歧视指数。根据前兆响应系数,前兆识别能力进行了比较。发现RA值响应系数是最大的,和前兆识别能力是最强的,和其他四个指标的识别能力岩石破裂显示波动与加载路径,周围的压力和卸荷速率。突然增加和集中发生的RA值可以作为岩石破裂的预警信息

缩写

类风湿性关节炎:

上升时间比振幅,上升时间/振幅。

数据可用性

可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(51864023号和51264018号)。