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黄金科学技术 ›› 2023, Vol. 31 ›› Issue (3): 516-530.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2023.03.142

• 采选技术与矿山管理 • 上一篇    

外荷载下青砂岩声发射特征及损伤演化规律

王文才1(),李俊鹏1,2(),王创业1,陈世江1,王鹏1   

  1. 1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010
    2.山西工学院能源产业学院，山西 朔州 036000
  • 收稿日期:2022-10-12 修回日期:2023-02-15 出版日期:2023-06-30 发布日期:2023-07-20
  • 通讯作者: 李俊鹏 E-mail:wencai99999@163.com;m15513345261@163.com
  • 作者简介:王文才（1964-），男，内蒙古伊金霍洛旗人，教授，博士生导师，从事采矿及矿山安全工程方面的教学和研究工作。wencai99999@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目“干燥多风矿区煤矸石山风压渗流及动态排矸自燃危险区判定”(52064043);“矿井高效率通风机站结构及其通风性能的研究”(51764044);“基于监测信息的露天矿边坡稳定性研究”(51464036)

Acoustic Emission Characteristics and Damage Evolution of Green Sandstone Under External Loads

Wencai WANG1(),Junpeng LI1,2(),Chuangye WANG1,Shijiang CHEN1,Peng WANG1   

  1. 1.Institute of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China
    2.School of Energy Industry, Shanxi Institute of Technology, Shuozhou 036000, Shanxi, China
  • Received:2022-10-12 Revised:2023-02-15 Online:2023-06-30 Published:2023-07-20
  • Contact: Junpeng LI E-mail:wencai99999@163.com;m15513345261@163.com

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1

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295

摘要：

为分析青砂岩（QSY）在外荷载下的声发射特征及损伤演化规律，在声发射基础上，根据岩石损伤演化的自组织性、丛集行为及幂律分布特性，结合砂岩结构特征、分形理论和Weibull分布函数，建立了青砂岩损伤二维元胞模型。结果表明：青砂岩试样在荷载后期的塑性变形阶段轴向应力曲线发生线性突变是试样发生破坏的最终结果，破坏值为48.5 MPa，该阶段因微裂隙贯通形成大裂隙，存在事件率缺失现象，该现象为试样破坏前兆特征，破坏方式主要为单斜面和双斜面剪切破坏，形成剪切裂纹；试样受载损伤的3个阶段与AE信号表现特征存在类同，在损伤萌生阶段试样因受矿山生产影响内部存在微缺陷，在此阶段形成损伤演化现象，但间隔损伤值为0.41，未达到所建立元胞模型的不稳定损伤值（0.43），未发生破坏；随着损伤值增大至0.599时（大于0.43），试样发生失稳破坏，损伤值快速增长至1。根据岩石损伤演化相关规律和理论建立的二维元胞模型，能够反映青砂岩在外荷载下受力破坏过程和损伤演化规律，为相关研究提供参考和借鉴。

关键词: 渐进破坏, 蠕变劣化, 损伤演化, 弹性变形, 塑性变形, 剪切破坏

Abstract:

As a micro-unit combination of geotechnical engineering， rock will be accompanied by complex AE signals and damage evolution characteristics during the loading process.In order to analyze the AE characteristics and damage evolution law of green sandstone under external load， a two-dimensional damage cell model of green sandstone was established based on acoustic emission，according to the self-organization， clustering behavior and power law distribution characteristics of rock damage evolution，combined with the structural characteristics of sandstone， fractal theory and Weibull distribution function.The results show that： The linear mutation of the axial stress curve of green sandstone sample in the plastic deformation stage at the late loading stage is the final result of the failure of the sample， and the failure value is 48.5 MPa. At this stage， large cracks are formed due to the combination of microcracks，resulting in the absence of event rate.This phenomenon is the precursor feature of the failure of the sample，and the main failure modes are single-bevel shear failure and double-bevel shear failure.The forming crack is shear crack.The three stages of loading damage of the sample are similar to the characteristics of AE signals.In the damage initiation stage， due to the internal microdefects of the sample affected by mine production， damage evolution will be formed at this stage， but the interval damage value is 0.41， which is lower than the unstable damage value of the established cellular model（0.43）.No failure or instability failure occurs until the damage deformation stage.When the damage value increases to 0.599 （greater than 0.43）， instability failure occurs in the sample， and the damage value rapidly increases to 1.Therefore， it can be concluded that the two-dimensional cellular model established by the relevant laws and theories of rock damage evolution can reflect the mechanical failure process and damage evolution law of bluestones under external loads， which can provide reference for related studies.

Key words: progressive destruction, creep deterioration, damage evolution, elastic deformation, plastic deformation, shear failure

中图分类号: 

  • TD315

图1

岩石试样"

表1

岩石试样基本物理参数"

岩性试样编号直径/mm高度/mm形状
青砂岩QSY149.22100.28圆柱体
QSY249.3299.80圆柱体
QSY349.24100.34圆柱体

图2

单轴压缩声发射试验设备"

图3

纽迈MiniMR-60核磁共振检测仪"

图4

青砂岩试样T2频谱图"

表2

青砂岩孔隙率测试结果"

试样编号体积/cm3信号量孔隙率/%
QSY1190.711 8673.12
QSY2190.571 8773.24
QSY3190.981 9143.71

图5

青砂岩单轴压缩轴向应力—时间曲线"

表3

青砂岩试样轴向应力试验结果"

岩性试样编号单轴抗压强度σc/MPa平均值σˉc/MPa
青砂岩（QSY）QSY148.548.7
QSY247.7
QSY349.8

图6

AE原始波形处理流程图"

图7

外荷载下青砂岩时域信号演化关系图"

图8

AE主频、轴向应力随时间演化特征图"

表4

青砂岩试样AE信号试验结果"

参数名称青砂岩试样及试验结果
QSY1QSY2QSY3
阶段Ⅰ累积事件数/个3 6813 5733 812
阶段Ⅰ累积能量/［（mV·μs） ·s-1］2.81×1052.73×1052.93×105
阶段Ⅱ累积事件数/个9 3818 7689 627
阶段Ⅱ累积能量/［（mV·μs）·s-1］5.79×1055.42×1055.91×105
阶段Ⅲ累积事件数/个14 37913 69415 098
阶段Ⅲ累积能量/［（mV·μs）·s-1］9.07×1058.46×1059.24×105

表5

青砂岩试样AE主频试验结果"

主频类型青砂岩试样及试验结果
QSY1QSY2QSY3
高频/kHz117~241122~250120~248
中频/kHz42~11744~12244~120
低频/kHz0~420~440~44

图9

AE信号时序参数裂纹分类示意图"

图10

AE信号时序参数RA-AF分布图"

图11

青砂岩试样破坏形态"

图12

试样不同破坏特征示意图"

图13

元胞自动机构成示意图"

图14

常见的元胞空间结构"

图15

Moore型元胞邻居模型"

图16

元胞单元受力模型图"

图17

元胞单元重整化示意图"

表6

元胞单元破坏模型分类（个）"

被破坏

单元胞数

被破坏

单元数量

未被破坏

单位数量

应力扩散元胞相邻已损坏元胞数
1234
0010000
10924000
21620602200
36816283680
4120601681
512510040
68400000
73600000
8900000
9100000

图18

青砂岩损伤演化过程"

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