声发射最新研究推送

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文一：

利用声发射参数分类岩石微裂缝类型的不确定性研究

摘要：

利用声发射参数对岩石微裂隙进行分类，对岩石健康监测、失稳评估和前兆预警具有重要意义。但是，对于采用上升角（RA）和平均频率（AF）的最常用方法，标准尚未普遍形成。我们进行了膨胀破裂实验和弹性波衰减实验来研究RA-AF方法的不确定性。结果表明，RA-AF分布范围随着声发射源尺度的减小而扩大。对于延迟触发的AE命中，RA-AF移动到轴上的剪切型区域。当样品变得更紧凑、更小时，RA增加，AF减少。这表明，固定的微裂缝参考线很难匹配RA-AF分布的潜在变化，并且分类标准高度依赖于实验环境。RA-AF方法的不确定性受到射线路径和源尺度的影响。根本原因是弹性波的衰减和色散以及特征参数的测量误差导致RA-AF计算中分子和分母之间的不协调失真。得出的结论是，RA-AF的特征可以用来理解不同微裂缝类型的比较关系，但可以通过需要考虑许多先决条件的绝对比例来量化它们的关系。这项工作不仅阐明了RA-AF方法不确定性的现象和原因，而且为更合理的改进和工程应用提供了理论和实验指导。

图：岩石样品制备和加载结果：（a）传感器布局（b）FT命中>60 dB的声发射源定位结果（c）200mm×200mm×200mm粗粒花岗岩（d）100mm×100mm×100mm细粒花岗岩。

图：RA-AF值的分布和声发射源类型的比例：（a）FT hit∈（90 dB，100 dB]）（b）FT hit(a) FT 点∈(90 dB，100 dB ](b) FT 点∈(80 dB，90 dB ](c) FT 点∈(70 dB，80 dB ](d) FT 点∈(60 dB，70 dB ]∈（80 dB，90 dB]）

图：不同频率脉冲特征参数的变化：（a）花岗岩（b）砂岩

文二：

循环荷载下泥页岩渐进破坏的声发射各向异性特征及相应的多重分形谱

摘要：

页岩在循环载荷作用下的破坏机理有助于理解储层的疲劳水力压裂。本研究通过在单轴循环加载和卸载下对具有七种不同层理倾角（θ）的页岩样品进行声发射（AE）监测试验，研究了这种机制的各向异性特征。结果表明，在循环加载过程中，除了层理倾角为0的页岩试样外◦ 和45◦, 在失效过程中，各加载水平下的累积声发射次数和模拟声发射能量呈先减后增的趋势；Felicity比率总体上随着循环次数的增加而减小。随着θ的增加，观察到拉伸或剪切断裂引起的AE事件数量和累积AE能量的不同趋势。研究发现，在相同的断裂机制下，层面不仅影响页岩的断裂机制，而且显著影响断裂能量释放率的大小。声发射的b值和空间演化揭示了页岩裂缝的演化过程。循环加载和卸载下的拉伸和剪切声发射事件大多由微尺度和中等尺度的裂缝产生，而与θ无关。各向异性页岩的声发射时间序列参数具有多重分形特征。多重分形谱宽度Δα有效地反映了不同θ试件失效时声发射能量参数的不均匀性。研究发现，随着θ的增加，试样中分形维数Δf的差异可以有效地表征大能量AE事件的发生概率。

图：（a）具有七个层理倾角的页岩样品；（b）显示声发射采集过程和层理倾角θ定义的示意图；以及（c）MTS岩石力学加载系统和AE传感器。

图：加载和卸载条件下不同层理倾角试件在页岩破坏过程中的声发射时间序列参数演变（左栏：声发射命中率分析；右栏：声辐射能量分析）。

图：页岩样品中拉伸和剪切声发射事件的空间分布以及不同循环次数下相应的声发射能量（每个子图的顶部和底部面板分别表示拉伸和剪切事件的空间分布，面板中球体的位置和直径分别表示AE事件的位置和AE能量的大小）。

文三：

用声发射技术研究加载速率对沥青混合料破坏特性的影响

摘要：

采用六种加载速率的沥青混合料单轴压缩试验，研究了沥青混合料的破坏特性和破坏模式。结合声发射技术对整个失效过程进行监测。采用相关分析方法分析了典型的声发射特征参数，包括振幅、命中率和能量。此外，通过快速傅立叶变换（FFT）获得AE信号的主频，以表征不同加载速率下沥青混合料的失效模式。结果表明，随着加载速率的增加，沥青混合料的破坏载荷和抗压强度显著增加。在0.2～5mm/min的加载速率下，沥青混合料的振幅命中率和振幅能量具有良好的相关性和明显的规律性。相反，在0.05mm/min的加载速率下没有明显的规律性。声发射信号的主频集中在50-350kHz，从沥青混合料加载到整个破坏过程。它可以分为六个频段，f-2频段（100-125 kHz）贯穿整个测试过程。0.05mm/min的加载速率比其他加载速率具有更少的频带数量，并且高频带中的AE信号更少。根据声发射参数的相关性差异和主频演化分布的差异，可以识别不同加载速率下沥青混合料的失效模式。

图：实验测试系统。

图：不同加载速率下声发射振幅和命中率随时间的变化曲线：（a）0.05 mm/min；（b） 0.2毫米/分钟；（c） 0.5毫米/分钟；（d） 1毫米/分钟；（e） 2毫米/分钟；（f）5毫米/分钟

图：AE 信号的主频图: (a)0.05 mm/min; (b)0.2 mm/min; (c)0.5 mm/min; (d)1mm/min; (e)2mm/min; (f)5mm/min

文四：

分级加载下预裂煤在亚稳定阶段的声发射响应和演化

摘要：

由于采矿活动破坏了断层与岩层系统的能量平衡，断层滑爆具有频率高、破坏大、机理复杂的特点。这种平衡的破坏导致断层的突然激活和滑动，释放出巨大的能量，并突然破坏挖掘空间。为了识别断层失稳前临界阶段（亚失稳阶段）的力学行为和失稳特征，进行了5次单轴静载荷实验，研究了声发射（AE）的计数和能量特性，并用PFC建立了15个数值模型，分析了应力、位移、，断裂和力链场。模型监测了能量的演化过程。结果表明，在整个加载过程中，亚不稳定阶段的声发射信号最为丰富，声发射计数和能量分别占整个加载过程的37.27%和39.18%。在变不稳定阶段成熟的裂纹比例与预先存在的裂纹的倾角呈负相关，与预先存在裂纹的宽度和分级加载速度呈正相关。随着预裂纹倾角的增加，新裂纹的分布从反向翼型向翼型变化。在失效过程中，能量主要以平行键应变能的形式释放。在元不稳定阶段，能量占整个过程的49%以上。滑移能和阻尼器能的趋势在元不稳定阶段开始时是分开的，这可以被视为失效的前兆。预裂纹周围的应力分布沿逆时针方向传递，形成应变能在中心释放的变形模式。研究结果为识别断层滑动爆发的元不稳定阶段提供了理论支持，有利于煤岩动力灾害风险评估研究。

图：预裂煤的声发射响应实验和模拟示意图。

图：煤的失稳过程（a）每个分级载荷下的碎块，以及（b）四个阶段的位移、裂纹、力链场。

图：元不稳定阶段的声发射响应和信号比例特征。

文五：

基于声发射监测的岩盐在多级蠕变-疲劳载荷作用下的损伤演化

摘要：

利用盐穴建造压缩空气储能（CAES）工厂是为响应中国国家绿色采矿战略而对废弃矿山进行再利用的一项重要发展，也是实现全球碳中和的重要手段。岩盐力学行为的研究是保证岩盐稳定性的基础。发电厂的运行条件包括周期性的气体注入和抽取，导致盐洞壁的周期性机械载荷。为了研究代表性条件下盐洞储层周围岩石的力学性能，设计了岩盐的单轴和三轴蠕变-疲劳分级试验，并结合CAES装置的实际工作气压，分析了其力学和声发射特性。结果表明，高应力平台前循环产生的残余应变大于高应力高原后循环产生的剩余应变，这种差异可能与蠕变过程中的硬化效应有关。声发射参数的变化可以反映岩盐的不同断裂模式，并可用于预测岩盐的失稳和破坏。蠕变和疲劳对损伤有不同的影响。特别是，在较高的应力水平下，蠕变阶段的损伤占主导地位。高应力平台在后期驱动岩石裂缝的扩展。因此，在设计储气库时，必须考虑储气压力上限。这些发现对于研究和理解CAES盐穴的长期稳定现象具有重要意义。