能源发展和砂岩的声发射特征卸围压下标本

文摘

的声发射特征不同初始卸围压下岩石标本进行测试得到的损伤和断裂特征砂岩卸围压路径。骨折的CT扫描和三维重建的岩石标本进行了研究能量的差异进化与声发射特征在不同初始卸荷压力下砂岩的失败。结果表明,卸围压显著影响岩石的变形和破坏。有一个明显的屈服平台的周向应变和体积应变峰值的卸荷压力。初始卸荷压力越大,轴向应变能吸收越大,能量耗散,弹性应变能的峰值点。应力峰值点后,弹性应变能迅速转化为岩石损伤耗散能量。弹性能量释放的时刻高围压下岩石破裂是更为集中。声发射振铃b岩石的特征参数值有很好的相关性与岩石的内部能量演化,这更好地反映岩石的渐进损伤在低压力和高压卸载的突然失败。

1。介绍

岩石地下工程开挖过程中,基坑开挖之前在加载状态。开挖后,围岩主要是在卸载状态。即岩体经历矿业动态过程从原始岩石应力、加载和卸载破坏。地下岩石工程的实践表明,大多数岩石的失败发生在围岩的卸荷状态(1,2]。研究卸围压下岩石损伤的失效规律具有重要意义,揭示岩石的力学性能和断裂机制下的卸荷状态。

大量的岩石声发射研究已经由国内外学者探索岩石损伤之间的关系,断裂,声发射特征。单轴和三轴岩石的声发射:文献[3- - - - - -10]分析了声发射参数之间的关系,岩石破裂过程煤岩单轴和三轴压缩下,分析了岩石损伤与断裂的声发射特征。在卸围压和循环加载和卸载声发射测试:Weizhong et al。11),通过分析卸载约束下花岗岩的声发射特征,讨论了岩石破裂的声发射特征的特点;李明et al。12,13)下的弹珠声发射测试进行装卸和分析了岩石损伤之间的关系,破裂,并装载和卸载路径下的声发射特征;通过煤的循环加载和卸载标本声发射测试,小君et al。14得出一个结论,循环加载和卸载声发射记忆效应有先进的特点。Mansurov [15]预测损伤的类型基于岩体破坏过程的声发射现象;Manthei [16)研究了三轴岩石试样的声发射特征通过使用声发射探头的共振频率范围内20 - 1000千赫,得出一个结论,大多数发射事件是由拉伸裂缝由岩石膨胀引起的。

声发射特征参数描述岩石损伤和断裂演化法已经被越来越多的学者。然而,声发射作为间接特征参数很难真正反映岩石内部损伤演化。众所周知从热力学定律,能量是守恒的,和能源转换材料变化的过程的本质。破坏失效是由能量状态不稳定现象。材料的变形破裂过程总是与外界交换物质和能量,和能量转换反映了不断变化的材料属性。因此,岩石材料的损伤故障可以基于能量平衡的角度进行了研究。

在此基础上,作者研究了力学性能,能量进化,以及声发射特征,砂岩试样在不同初始卸荷压力探索岩石损伤的特点,结合CT扫描和三维图像重建技术。失效机理和宏观破坏形态分析提供理论支持,进一步了解岩石材料的断裂机理。

2。实验计划

2.1。砂岩的标本

岩石标本取自Dongrong二号矿井的黑龙江省龙煤矿业控股集团和加工圆柱试样直径50毫米和100毫米的高度根据国际岩石力学测试的要求。声波Viewer-SX超声波速度测试系统被用来测试的声波测试,和一块类似的波速被选为测试减少试样的不连续性。

2.2。实验设备

加载装置是工业600 - 50全自动伺服岩石流变仪(图1)。两个线性可变差动变压器(线性)用于获得轴向应变,和一个环形电子应变仪是用来收集圆周应变。SH-II型声发射系统是用于监控的声发射特征岩石同步。

2.3。实验方法

加载实验过程分为四个阶段。(1)最初,加载到静水压力σ₁=σ₂=σ₃0.05 MPa / s的速度。(2)然后,轴向压力应用0.05 MPa / s的速度大约80%的它的围压条件下的极限应力。最终的应力是由常规三轴压缩实验如表所示1。(3)压力σ₁- - - - - -σ₃是常数,和围压卸载0.05 MPa / s的速度,直到岩石被毁。(4)失败后,轴向压缩是按0.1毫米/分钟的速度,直到样品被毁。卸围压的初始值,分别在5、10、15、20 MPa。三个每组条件下岩石标本进行测试,编号X5-1, X5-2, X5-3, X10-1, X10-2, X10-3, X15-1, X15-2, X15-3, X20-1 X20-2, X20-3。

在实验过程中,声发射系统是用于岩石的声发射信息进行同步。声发射采集系统是同步加载系统。SH-II类型声发射系统用于监测岩石的声发射特征。两声发射传感器探针排列上下加载三轴的外室,和两个声发射传感器探针排列三轴外室的墙上。声发射采样频率为2.5 MHz 40 dB的增益和30 dB的阈值。

3所示。卸围压下砂岩的变形和强度特征

X5-1、X10-3 X15-3, X20-3标本接近平均强度选择进行分析。

曲线(σ₁- - - - - -σ₃)-σ₁在线咨询,σ₃-试样如图2(σ₃= 15 MPa)。完整的不同初始围压下岩石的应力-应变曲线如图3。当岩石卸载和达到峰值强度,围压降低,导致岩石的侧向滑移增加横向,导致增加圆周塑性变形和变形屈服平台圆周应变和体积应变。在卸载压力下,岩石断裂和脆裂的声音。损伤后,承载力突然丢失,和残余强度很小。这是符合不变σ₁和减少σ₃地下开挖隧道壁的岩石。岩石卸荷突然破坏,很容易诱发岩爆。

4所示。能量演化特征的分析

岩石试样变形的外力,外力所产生的总输入能量的标本U获得的,这是根据热力学第一定律(17]: 在哪里U^d耗散能量和吗U^e可发布的弹性应变能。

的U^e表达式是 在哪里σ₁和σ₃是主要的压力和E^t和分别是卸载弹性模量和泊松比的时间吗t。

三轴压缩试验:在流体静应力加载过程中,试验机在岩石标本,做正功和轴向压力σ₁静水压力并积极的工作压缩变形后的岩石标本;在圆周方向上,由于膨胀变形,应变能量消耗和围压σ₃做负功的岩石标本。总应变能U的岩石标本可以表示为 在哪里U₁应变能的吗σ₁轴向压缩吸收,U₃应变能使用吗σ₃负功,U₀是应变能吸收在静水应力状态。

的应变能U₀存储在静水压力可以直接获得根据弹性力学的理论公式: ν和E分别是初始泊松比和弹性模量。

在测试期间,应变能U₁随时吸收轴向方向t和应变能U₃消耗的围压应力-应变曲线积分得到: 在哪里的轴向应变的时间吗t和的箍应变时间吗t。

耗散的能量U^d可以表示为

根据应变能的计算方法,卸围压下岩石能量演化特征路径得到,如图4。

可以看出在卸货前压力、轴向应变能U₁,应变能U₃被负功的围压,可发布的弹性应变能U^e与轴向应力的增加显著增加,和耗散能量U_d增加减少,曲线相对直接。封闭压力释放后,虽然围压降低,圆周变形急剧增加,应变能U₃被负功的围压明显增加。然而,岩石的内部能量主要是存储可发布的弹性应变能,并可发布的弹性应变能可以最大值的峰值点压力。应力峰值点后,弹性应变能迅速转化为耗散的能量用于岩石损伤故障。岩石卸荷压力突然崩溃,失败后的岩石承载力很小。

应变能的计算结果在砂岩的峰值点卸围压表所示2。从表可以看出2随着围压的增加,岩石破裂强度峰值的增加,轴向吸收应变能U₁,耗散能量U^d和弹性应变能U^e在峰值点与围压增加显著增加。

5。分析的声发射和失效模式

在本节中,响参数反映声发射的频率(18)和b值参数反映了声发射裂纹大小,结合岩石破裂过程的能量演化特征,和岩石破裂过程的声发射特性在不同初始卸荷压力进行了分析。CT扫描进行岩石破裂后的形状,和岩石标本失败是重建的三维形状通过使用三维重建和可视化模型软件。

5.1。声发射计数和破裂过程分析

time-stress-acoustic发射计数曲线下岩石破裂过程的不同初始卸荷压力如图5。岩石标本被摧毁之前,声发射信号受围压的影响并不显著,而声发射计数都相对较低。随着围压卸载,岩石标本不受围压的影响。当它达到轴承极限,岩石标本突然被损坏。弹性能量突然释放,和声音发射数量急剧增加;突然的脆性破坏岩石标本后,承载力丧失,几乎没有剩余强度,声发射计数突然沉默。

当卸围压的初始值是5,10,15日和20 MPa,封闭压力在高峰失败,分别为3.32,4.53,6.86,和10.58 MPa。拉伸断裂失效模式,tensile-shear失败,和剪切破坏。当卸围压较低的初始值,拉伸断裂是占主导地位,当初始值的卸围压高,剪切破坏是主导。

卸围压过程中,σ₁- - - - - -σ₃保持不变,然后呢σ₃减少。岩石破坏机理的分析如下。在卸围压的初始阶段,岩石中微裂隙的沿着轴向压力下的最大主应力方向。岩石裂纹的增长逐渐随着围压降低,和微裂隙扩展沿着最大主应力的方向,导致拉伸裂缝不断扩大,这是与格里菲斯失效准则一致。卸围压时,在某种程度上,反弹卸货造成的变形原因的不同拉伸应力集中裂纹的尖端,和微裂缝扩展的紧张关系。低围压下的拉伸裂纹可以直接穿透,然后拉伸断裂模式形成。在该测试中,卸压速度为0.05 MPa / s。当初始卸围压大,过程中保持了相对较高的围压的主要断裂的形成岩石标本。高围压削弱了拉伸裂纹尖端的应力集中和限制侧向变形的程度,这样当初始卸荷压力高,可发布的弹性能量储存在岩石很大。从表可以看出2围压越大,大可发布的储存的弹性应变峰值点。可发布的弹性应变能的峰值点(12.95 MPa)的峰值压力的初始卸荷压力20 MPa, 2.42倍的可发布的弹性应变能的峰值点(围压峰值为4.53 MPa)在初始卸5 MPa的压力。岩石从能量转换的角度来看,利率越高的可逆的弹性应变能存储在岩石中,标本的突然破坏比较严重,和岩石试样的剪切破坏发生在高围压和高弹性应变能。

5.2。累积分析声发射的数量

声发射的累积数量反映了岩石破裂期间累积损伤的变化。声发射的测试结果的累积数量的岩石标本在不同初始卸荷压力如图6。岩石标本被摧毁之前,累积的声发射曲线更稳定由于围压,和累积的声发射相对较低。的卸围压,围压的影响逐渐减弱的岩石标本。当岩石标本达到轴承极限,发生突然破坏,大量的弹性能量突然释放,并大幅声发射累积数量的增加。

5.3。声发射的特点b价值

的b值是来自地震研究。1941年,古腾堡和里克特震级和频率之间的关系,提出。,g r关系,研究地震活动(18- - - - - -23]: 在哪里NΔ的地震频率范围米;米震级;和一个,b是一个常数。

的b值是一个函数的裂纹发展规模在岩石声发射的动态变化b价值有直接的物理意义(12]。大小米通常是由声发射的振幅(取代19- - - - - -23]。

在本文中,使用最小二乘法来计算的b价值。声发射幅度的采样窗口包含1000个数据。滑动窗口需要500声发射幅度的数据。级间隔Δ米为0.2分贝。在数据处理的过程中,每个采样窗口的中间时间的规模b价值。岩石声发射的曲线b价值随着时间的推移在卸围压下路径如图7。

的b不同围压下岩石声发射值基本上是相同的。在峰值应力之前,小型微裂隙发芽,扩大稳定。岩石内部的能量转换之前卸载围压是稳定的,耗散应变能完全释放,b值稳定在卸围压变化。当达到峰值应力,形成大规模的微裂隙渗透裂缝,弹性能量可以快速转化为耗散应变能。标本突然失去了大量的能源和产生的声发射事件。的b值急剧变化。大值表示的暴涨突然破裂状态的变化,代表突然不稳定传播。在postpeak阶段,b值改变时顺利在低围压下,b值改变时在高围压下有一个大的振幅变化。主要原因是微裂纹穿透成为大型高围压后裂缝,并没有完全释放的能量在加载初期释放,导致更大的事件,b价值千差万别。

6。讨论

在地下工程的开挖深岩,岩体受到陈旧的装卸的条件反复开挖前和开挖后卸货。即岩体经历了从岩石压力的主要开采过程,提高装卸失败。在地下工程开挖安全吸引更多的关注。损伤的研究地层压力普遍感兴趣的话题,结果导致了一系列全面的文本。

岩石的破坏是一个过程伴随着能量输入,能量积累、能量耗散、能量释放、能量转换,如图8。不考虑环境温度的变化所产生的热能,外力的一部分的工作在岩石上积累的弹性变形能量,而另一部分是塑性变形能量的形式消散,破坏能量,等等。当岩石的弹性变形能量积累达到能量存储限制,岩石将被破坏和能源将向外界公布,包括岩石动能、热能、各种辐射能量,等等。在岩石变形和破坏的过程,它主要表现为能量转换和平衡。是具有重要意义的理解和描述岩石的损伤演化通过研究应变能的变化,弹性能量,和耗散能量24- - - - - -26]。岩石破坏过程的研究从能源的角度来看,这是接近岩石损伤的性质,吸引了越来越多的关注和应用于工程实践。在此基础上,探讨了岩石损伤与断裂的机理基于能量平衡,并已得出一些有用的结论。然而,能量进化是一个复杂的过程。在以下研究中心、加载速率等因素,加载路径和尺寸效应也应该被考虑。

7所示。结论

本文的一系列测试的声发射特征进行砂岩在不同初始卸围压。骨折的CT扫描和三维重建的岩石标本进行了研究能量的差异进化与声发射特征在不同初始卸荷压力下砂岩的失败。主要结论如下:(1)在岩石的卸荷压力路径下,围压降低和增加岩石的侧向滑移,和塑性应变平台出现在峰值点的圆周应变和体应变。(2)围压越大,轴向吸收能量耗散能量,峰值点的弹性应变能更明显增加。应力峰值点后,弹性应变能迅速转化为岩石破裂的耗散能量。在卸围压之前,增加耗散能量很小。卸围压后,负压的应变能消费的围压增加显著,但岩石的内部能量主要是存储可发布的弹性应变能。(3)卸围压下路径,岩石经历了强烈的和突然的脆性破坏。释放弹性能量高围压下岩石破裂的时候更集中。大幅增加,声发射计数。(4)卸载下的岩石标本封闭路径拉伸和剪切破坏。卸货造成的差异回弹变形引起拉应力集中裂纹的尖端,和微裂缝扩展的紧张关系。低围压下的拉伸裂纹可以直接穿透,然后拉伸断裂模式形成。初始卸荷压力越大,越能释放的弹性能量存储在岩石中。岩石从能量转换的角度来看,利率越高的可逆的弹性应变能存储在岩石中,标本的突然破坏比较严重,和岩石试样的剪切破坏发生在高围压和高弹性应变能。(5)的b不同围压下岩石声发射值基本上是相同的。的b前值改变时顺利卸围压,b当达到峰值应力值急剧变化。大突然跳的b值表示突然破裂状态的变化,代表突然不稳定扩张。

数据可用性

所有的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金共同支持(NNSF)(批准号。51604100、51774122和51674107)和国家重点研究发展计划(批准号2016 yfc0600901)。

引用

1. y舒心,l .香港b名洲et al .,“围岩应力释放的规律出现的洞穴挖掘高应力条件下,“中国煤炭学会杂志》上,35卷,不。1、26 - 30日,2010页。视图:谷歌学术搜索
2. 刘t .秦,h .太阳,h . et al .,“机械与声发射特性试验研究不同应力路径下的岩石样本,”冲击和振动卷,2018篇文章ID 4813724、9页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. w·Enyuan h . Xueiu l . Zhentang et al .,”研究声发射频谱特征在煤或岩石变形和断裂,“中国煤炭学会杂志》上卷,29号3、289 - 292年,2004页。视图:谷歌学术搜索
4. 江x, l . Shuchun (t) et al .,“岩石疲劳损伤演化基于声发射,“《北京科技大学没有,卷。31日。1,19到24,2009页。视图:谷歌学术搜索
5. x z . Ru的和平,l .剑锋et al .,“试验研究单轴多级载荷下岩石破裂的声发射特征,“中国岩石力学与工程学报,25卷,不。12日,第2588 - 2584页,2006年。视图:谷歌学术搜索
6. l . Shulin y Xiangang, w .永嘉县et al .,”研究单轴压缩岩石破裂的声发射特征,“中国岩石力学与工程学报,23卷,不。15日,第2503 - 2499页,2004年。视图:谷歌学术搜索
7. j .红光和l .香”,声发射特征和岩石破裂前兆下花岗岩的常规三轴”中国岩石力学与工程学报,34卷,不。4、694 - 702年,2015页。视图:谷歌学术搜索
8. 严j .红光z Yuezheng, j . et al .,“围压效应的实验研究声发射特性的二长岩花岗岩三轴压缩下,“中国岩石力学与工程学报没有,卷。31日。6,1162 - 1168年,2012页。视图:谷歌学术搜索
9. s . Chengdong z心弦,l . Baofu et al .,“声发射特征的实验研究砂岩试样在单轴和三轴压缩试验,”《采矿与安全工程,28卷,不。2、225 - 230年,2011页。视图:谷歌学术搜索
10. z星光,m . s .鲁伊et al .,“断裂演化和力量的特点深北山花岗岩安德压缩条件下,“中国岩石力学与工程学报,33卷,不。S2, 3665 - 3675年,2014页。视图:谷歌学术搜索
11. c . Weizhong l . Senpeng g .萧红et al .,“卸围压对脆性岩石和岩石破裂机理,“中国岩土工程杂志》上,32卷,不。6,963 - 969年,2010页。视图:谷歌学术搜索
12. z李明,m . Shaoqiong r .茗et al .,“声发射频率和b值特征在不同围压下岩石破裂过程,”中国岩石力学与工程学报,34卷,不。10日,2057 - 2063年,2015页。视图:谷歌学术搜索
13. 身如玉z李明,w .再劝,s . Lei et al .,“大理石在失败过程中声发射特征在不同的应力路径下,“中国岩石力学与工程学报没有,卷。31日。6,1230 - 1236年,2012页。视图:谷歌学术搜索
14. h . 6月,p . Jienan和w·安徽、“三轴循环加载条件下煤试样的声发射特征和卸货,”中国煤炭学会杂志》上,39卷,不。1,第90 - 84页,2014。视图:谷歌学术搜索
15. v . a . Mansurov”从失败的岩石声发射行为。”岩石力学和岩石工程,27卷,不。3、173 - 182年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. g . Manthei”特征声发射源的岩盐试件在三轴压缩下,“美国地震学会公报,卷95,不。5,1674 - 1700年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. x何平,j·杨和l .议事”岩石强度和结构失效的标准基于能量耗散和能量释放的原则,“中国岩石力学与工程学报,24卷,不。17日,第3010 - 3003页,2005年。视图:谷歌学术搜索
18. 问:道,s . Hongru l·亨z Jun-wen, l .帮派和j . Yuannan”试验研究机械和砂岩样品在不同围压下的声发射特征,“黑龙江科技大学杂志》上,28卷,不。2、130 - 135年,2018页。视图:谷歌学术搜索
19. 考克斯和p·g . Meridith“微裂纹形成和材料软化岩石测量通过监测声排放,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,30 11-24,1983页。视图:谷歌学术搜索
20. d . l . Turcotte i纽曼,r . Shcherbakov“岩石断口的微观和宏观模型”,国际地球物理杂志,卷152,不。3、718 - 728年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. c·g·哈顿,i g主要和p·g .梅雷迪思”比较地震和结构在拉伸测量标度指数的亚临界裂纹增长,”《构造地质学,15卷,不。12日,第1495 - 1485页,1993年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. m . v . m . s . Rao和k . j . Prasanna拉克希米”的分析b价值和改善b价值的声学排放伴随岩石裂缝。”当前的科学卷,89年,第1582 - 1577页,2005年。视图:谷歌学术搜索
23. f·本·z Zonghong, w . Haiquan et al .,“前兆信息研究声发射特征的大理石在单轴循环装卸,”中国煤炭学会杂志》上第41卷。。8,1946 - 1953年,2016页。视图:谷歌学术搜索
24. x和平,p . Ruidong j .美国杨et al .,“能源分析岩石的失败。”中国岩石力学与工程学报,24卷,不。15日,第2608 - 2603页,2005年。视图:谷歌学术搜索
25. z z, l . xib乎et al .,“能源发展和应力再分配高压岩体开挖扰动下,“中国岩土工程杂志》上,34卷,不。9日,第1684 - 1677页,2012年。视图:谷歌学术搜索
26. 身如玉w . c . Yu再劝,z Yingren et al .,“能源断裂传播的进化原理的大理石与不同卸荷应力路径,”中南大学学报(科技)卷,47号9日,第3147 - 3140页,2016年。视图:谷歌学术搜索

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