岩样声发射传感器优化布置及表征裂隙发育的多参量信息耦合规律研究

发布时间：2020-06-22 18:14

【摘要】：裂隙的发育、贯通是岩石破坏的基础,这在时间和空间上是一个明显的非线性演化过程。对于该过程实现有效的监测方法和合理的表征手段,是探究煤岩体裂隙发育规律的重要部分。基于此,本文以理论研究和声发射试验相结合的研究方法,首先优化了实验室声发射传感器布置方式,提出了声发射传感器双层环绕式布置方式和相应的极坐标定位算法来提高监测精度和有效监测范围,其次分析了受载岩样的声发射响应特征,从微观角度研究了砂岩试样的损伤机制和裂隙扩展规律,最后将砂岩损伤破裂过程与声发射多参量信息进行耦合,以声发射多参量指标来表征砂岩裂隙发育过程,并结合工程现场提出声发射监测预警指标。研究结果表明:(1)根据极坐标定位算法,提出了声发射传感器双层环绕式布置方式,得出了基于极坐标法的声发射源坐标(r,q,h)的计算公式,如下:(?)定位结果显示,在试样尺寸、到时、波速一定的情况下,声发射源的定位精度只与传感器的数量和布置方式有关。采用的声发射传感器双层环绕式布置方式能保证定位精度并提高试样的有效监测范围。(2)研究了受载岩体损伤破裂过程中裂隙发育规律。受载岩体损伤破裂过程中一直伴随着裂隙的发育及扩展,其中压密、弹性和塑性阶段均有较大能级破裂产生,所有微破裂均从这些较大能级破裂周围产生并向边缘扩散,受载岩体内部应力由初期的均匀分布演化为逐渐产生局部应力梯度,并形成持续增大的条带状高应力区,局部应力差值的增大加剧了岩体的破坏;随加载进行,微破裂大量产生并且延伸到岩样边缘处,最终形成较大尺度的宏观贯通裂隙。最终破裂面位置是由内部“小能量微破裂—大能量破裂—裂隙贯穿”的演化过程决定的。(3)建立了基于AE能量特性的砂岩损伤模型的本构方程,能较好反应岩样由线弹性过渡至塑性变形阶段的破坏过程,尤其是塑性变形破坏至峰后阶段。岩性的不同和加载方式的改变,会导致岩石损伤过程和裂纹扩展机制出现差异,结构松散内部孔隙度大的岩石呈缓慢损伤,而结构致密的岩石初期损伤较低,而塑性阶段损伤急剧增长;循环加卸载下岩石内部损伤以拉伸破坏为主,而单轴纯静载下中砂岩内部裂缝以剪切裂缝为主。(4)建立了表征岩体裂隙发育过程的声发射多参量指标。岩石加载过程中,岩石声发射活动度S和声发射断层总面积A(t)随着应力水平的提高呈现“降低—低值波动—升高—持续高值”的变化趋势,声发射b值呈现“低值—b值升高—b值降低—持续低值”的变化趋势,分别对应岩石的“裂隙压密调整—裂隙弹性变形—裂隙发育—裂隙扩展”4个阶段;声发射活动度S和断层总面积A(t)、累计损伤D值与声发射信号振幅、事件数、破裂释放能量正相关,声发射b值与其呈负相关。声发射多参量指标与岩石裂隙分布、损伤程度具有较高的耦合度,可依此建立实验室小尺度监测预警指标。本文的研究成果对丰富岩石损伤判定指标和提高声发射监测预报准确性,进一步认识实际工程中岩体的损伤破坏机理,提出岩体损伤破裂声发射监测预警方法具有重要的理论意义和应用价值。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD311
【图文】：

声发射监测,传感器布置

图 2-1 声发射监测系统Figure 2-1 Acoustic emission monitoring system近年来，国内外专家学者针对提高声发射监测精度做出了大量研究，大多集中发射传感器接受灵敏度和改进定位算法，但是对于传感器布置方式却少有研究射传感器布置位置却很大程度地影响着采集到数据的有效性和检测结果的合理

声发射传感器,布置方式,实验室,监测网络

图 2-2 实验室声发射传感器布置方式Figure 2-2 Acoustic emission sensors arrangement in laboratory 声发射传感器双层环绕式监测网络布置方式陇军[79]提出声发射传感器的立方体阵列布置来提高声发射源定位的准确性。

【参考文献】