基于声发射监测及应力场分析的岩石失稳机理研究

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岩石破裂失稳问题一直是国内外岩石力学工作者研究的热点和难点。因为诸多岩体工程灾害的发生(岩爆、岩质边坡失稳等)均和岩石破裂失稳过程有关,因而,如何采取有效的研究手段和研究方法,系统研究岩石破裂过程中其内部裂纹的演化过程以及在裂纹扩展过程中其内部应力场演化过程,对进一步理解岩石破裂失稳机理无疑是十分有意义的工作。本文正是基于上面的研究思路,首先在实验室内应用声发射监测系统以及应力分析软件(三维岩石破裂过程分析系统,RFPA3D),分析不同加载条件、不同形状以及不同尺寸岩石试样破裂失稳机理;在以上机理研究的基础上,建立矿山微震监测系统对矿山地压活动进行连续实时监测,为矿山动力灾害的发生进行预测预报,这对减轻或避免矿山动力灾害的危害而言,其技术意义和社会意义都是十分深远的。本文的研究内容主要有以下几个方面:  (1)分析岩石破裂失稳过程中声发射信号产生原因;应用损伤力学和断裂力学知识,分析声发射次数与损伤、断裂之间的关系,提出岩石损伤程度的评价方法;实验研究声发射信号(弹性波)在岩石介质中的传播规律,在此基础上研究弹性波在岩石介质内的衰减规律;区分同一声发射信号源在不同介质中传播模式,以及同一介质不同尺寸对声发射信号传播的影响;分析突发型声发射信号的特征参数,以及评估应用声发射进行岩石力学实验的性态参数,应用此参数表征岩石破裂失稳过程特征;分析影响岩石声发射信号因素;  (2)介绍声发射定位方法及其反演原理;应用单纯形算法与盖格尔定位算法,对两种定位算法的定位精度进行对比分析;实验研究含有单侧裂纹、双侧裂纹以及完好岩石的声发射定位结果,研究岩石破裂过程中其内部裂纹初始、扩展、贯通的空间演化模式;分析实验中岩石应力(应变)、加载时间与声发射次数之间的关系,借以判断岩石破裂失稳过程特征;通过声发射定位实验,分析影响声发射事件定位的内在以及外在因素;  (3)应用声发射仪器及其定位技术,通过声发射实验,系统研究不同岩样(花岗岩、红色花岗岩、大理岩、黑色大理岩、砂岩)、不同加载方式(单轴加载、循环荷载、三点弯曲)、不同加载路径、巴西劈裂试验以及尺寸效应等声发射活动特性;通过分析声发射活动与岩石破裂失稳过程之间的联系,揭示声发射活动与岩石破裂失稳的内在联系;  (4)应用三维岩石破裂过程分析系统(RFPA3D),与声发射实验(含侧裂纹和位错裂纹岩样、侧裂纹岩样三点弯曲实验)相结合,实现岩石声发射定位信息与RFPA3D之间的信息交换,对岩石破裂进行应力分析,通过岩石破裂位置的应力集中区,判断岩石破裂位置,为矿山微震监测分析系统建立提供理论基础;  (5)应用以上理论研究成果,在红透山铜矿建立矿山微震监测系统,对红透山铜矿地压活动进行连续实时监测;通过定时定位爆破,检验矿山微震监测系统的定位精度,并对其定位误差分析;分析影响矿山微震监测系统监测的主要因素;并通过网络实现微震监测信息的远距离传输。
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