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单轴压缩下充填体-砂岩组合体声发射特性试验研究

谢文健  
【摘要】:声发射常用于岩石破坏失稳监测,同时作为无损监测的一种重要手段,已逐渐扩展运用于充填体稳定性的监测。但在实际充填采矿过程中,存在充填体-岩石组合体联合承载的现象,由于受采矿作业与爆破等因素影响,直接对岩石或者充填体进行声发射监测较为困难,需要间隔岩石或者充填体进行声发射监测。为此,相比于单独直接对充填体或岩石的声发射特性进行研究,研究分析充填体-岩石组合体受压破坏过程的声发射特性及主要区别更有意义。因此,本文制备了尾砂胶结充填体、砂岩以及充填体-砂岩组合体三种标准圆柱体试件,分别进行了单轴压缩声发射试验,获取了各试件破坏过程的力学参数和声发射参数,并记录了波形数据。首先分析了充填体、砂岩与组合体试件中充填体侧、砂岩侧受压破坏过程中声发射事件数、振铃计数、能量与RA值等基本参数特征。再研究了三种试件声发射信号主频、幅度的分布特征以及主频-幅度信号模式的主要差异。然后设计了BP神经网络对充填体-砂岩组合体试件受压破坏产生的充填体与砂岩声发射信号源予以识别与分类。最终探究了各试件在不同应力水平下的声发射分形维数的变化特征,以期为充填体、岩石以及充填体-岩石组合体材料受压破坏声发射监测、预测提供一定依据。主要得到以下结论:(1)对于峰值强度与弹性模量,砂岩试件最大,充填体-砂岩组合体试件次之,充填体试件最小。砂岩、充填体-砂岩组合体、充填体试件平均峰值强度分别为52.971MPa、20.550MPa与3.826MPa,平均弹性模量分别为9.364GPa、2.613GPa与0.625GPa。(2)充填体试件临近破坏时声发射以低事件率、低振铃计数率与低能率为主;砂岩试件临近破坏时声发射以高事件率、高振铃计数率与高能率为主;组合体试件中充填体侧与砂岩侧临近破坏时声发射均以高事件率、高振铃计数率与高能率为主,表明组合体试件临近破坏时的声发射信号主要由砂岩部分产生。(3)组合体试件中砂岩侧与充填体侧声发射事件率、振铃计数率与能率的相关系数平均值大于0.8,表明两侧声发射信号变化趋势相同,但砂岩侧接收的声发射信号数量、强度均比充填体侧的更多、更强,也说明组合体中声发射信号主要由砂岩部分产生。(4)充填体、砂岩与组合体试件两侧的P2频段(31.25~62.5kHz)主频数量占比最大、其次为P1频段(0~31.25kHz),P1与P2频段的主频数量之和占总主频数量的95%以上。砂岩与组合体两侧中均有P3频段(62.5~93.75kHz)与P9~P12频段(250~375kHz)信号主频出现,而充填体不出现,可作为组合体中识别砂岩声发射信号源的判据之一。(5)当组合体试件两侧中出现低频中幅度、低频高幅度与高频低幅度三种信号模式时,可以判定为砂岩部分产生的声发射信号源;当组合体试件两侧中只出现低频低幅度一种信号模式,而没有其它信号模式出现时,可以判定为充填体部分的声发射信号源。(6)结合单独的充填体与砂岩声发射信号,设计并训练出BP神经网络,能够对充填体-砂岩组合体试件受压破坏产生的充填体与砂岩声发射信号源予以识别与分类,且识别准确度达94%。同时,贴在充填体侧的声发射传感器能够接收到砂岩部分产生的声发射信号,但仍建议尽量在岩石侧进行声发射监测效果会更好。(7)临近峰值破坏时,各试件声发射RA值出现陡增、声发射信号主频频段增多、声发射幅度快速增大、出现低频高幅度与高频低幅度声发射信号等现象,以上特征可作为充填体、砂岩以及组合体试件主破裂前兆的重要特征信息。(8)充填体、砂岩以及组合体试件充填体侧、砂岩侧的声发射振铃计数与主频具有明显的分形特征。峰值破坏前,各试件声发射振铃计数与主频的关联维数D值均快速减小到一个较低值,可作为充填体、砂岩与组合体试件破坏前兆特征。


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