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含天然结构面中粒砂岩破裂过程中的声发射特征研究

更新时间:2009-03-28

神东矿区是我国目前最大的井工煤矿开采基地,机械化程度高,开采高度大,工作面生产能力不断得到提高。由于煤矿开采强度大和特殊的地质原因,神东矿区冲击地压、偏帮和冒顶等动力灾害现象越来越严重[1-3]。因此,神东矿区越来越多的矿井采用地音(声发射)和微震监测系统来监测动力灾害。神东矿区煤系地层砂岩中存在大量的结构面,而这种天然的结构面在受拉、剪和压破坏过程中释放的弹性波是完全不同的。

目前,国内外学者针对完整岩石和含结构面岩石破裂过程中的声发射特征开展了大量的相关研究。Aker E等[4]对含水平孔洞砂岩的力学及声发射进行了研究;Cheon D S等[5]利用声发射监测技术对岩质边坡的损伤演化过程进行了研究;Moradian Z A等[6]对含节理岩石进行了直接剪切试验,研究了直接剪切过程中的力学响应特征及声发射特征,分析了剪切过程中的声发射计数、累计计数、声发射能量及累计能量,认为声发射可以分为4个阶段;Wang Jun等[7]为了研究各向异性页岩在破裂失稳过程中的声发射及损伤特征,运用MTS力学试验机和PAC声发射试验系统对各向异性的页岩进行了试验;曾正文等[8]以含石膏节理岩体为研究对象,研究了单轴压缩下岩石破裂过程中的声发射能量特征,认为破裂程度与声发射能量有密切的关系;徐东强[9]采用真三轴力学实验机对含天然弱面、人工弱面和完整岩石滑移破坏时的声发射特征进行了分析,认为在80%峰值应力时会出现声发射计数率和能率的前兆值;周小平等[10]研究了岩石结构面在直接剪切试验过程中的声发射特征,认为声发射能率可以更好地反映岩石的变形和破坏特征;张朝鹏等[11]以含水平层理和垂直层理煤岩试样为研究对象,采用MTS815力学实验系统和PAC声发射监测系统对其开展了相关研究,认为层理对AE时序参数、空间演化规律及AE振幅分布都有一定的影响;王妍丹[12]分析了不同煤样在升温过程中的声发射特征;杨振琦等[13]对含3种不同层理倾角(0°、45°及90°)黑云变粒岩进行了单轴压缩实验,分析了层理倾角对声发射事件的空间演化规律、盒维数及能量释放特征的影响;魏翔等[14]以完整和含陡倾角结构面花岗岩为研究对象,在三轴压缩下研究了其力学及声发射特征,发现含结构面花岗岩的声发射聚集量远大于完整花岗岩;柴金飞等[15]采用PFC颗粒流软件分析了不同节理方位岩石的破坏机理;许江等[16]研究了不同剪切速率下岩石破裂过程中的声发射特征;周辉等[17]利用水泥砂浆制作了含不同起伏度的结构面,分析了起伏度、剪切速率和法向应力对试样破坏过程中声发射特征的影响;侯鹏等[18]分析了不同倾角层理页岩的间接拉伸强度和声发射特征,认为能量释放率与层理倾角有密切关系,能率的峰值与抗拉强度具有良好的线性关系。

综上所述,针对含结构面岩石破坏过程中声发射特征的研究取得了一定的成果,但主要是针对页岩、类节理岩石等,而针对砂岩中自然沉积的结构面对其破坏过程中声发射的影响研究还鲜有报道。因此,笔者以神东矿区煤系地层中含天然结构面中粒砂岩为研究对象,采用直接拉伸、直接剪切和单轴压缩的加载方式对其破坏过程中的声发射特征进行了研究。

1 试样加工及试验方案

1.1 试样加工

试样采集于神东矿区补连塔煤矿22307工作面。通过现场地面钻孔取芯发现,其2-2煤层基本顶中粒砂岩中含有大量的结构面,见图1。结构面倾角以小角度为主。按照《规程》要求把含结构面中粒砂岩和完整中粒砂岩加工成Φ50 mm ×100 mm的标准试样。部分加工完成的试样如图2所示。

  

图1 中粒砂岩的结构面

 

(a) 完整中粒砂岩 (b) 含天然结构面中粒砂岩

图2 2种中粒砂岩试样外观

1.2 试验设备及试验方案

单轴压缩试验采用的是RMT-150C压缩试验机,直接拉伸试验采用的是CMT-5000拉伸试验机,直接剪切试验采用的是RDS-200直剪切仪,声发射试验采用的是DS5-8b声发射系统。直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验过程中采用位移控制,加载速率分别为0.001 mm/s、0.5 mm/min、0.002 mm/s。直接拉伸和单轴压缩试验中2个声发射传感器对称放置于试样的中部,直接剪切试验中2个传感器置于剪切装置上部,为了保证数据的可靠性,分别在传感器与砂岩和装置之间涂抹上耦合剂然后用弹性胶带对其进行固定。声发射的采样频率为3 MHz,门槛值为50 dB,前置放大器设置为40 dB。为了保持声发射与力学试验数据的一致性,试验过程中同时采集数据。3种试验含天然结构面砂岩和完整砂岩分别重复3次试验。砂岩直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验的物理力学参数见表1~3。

 

表1 直接拉伸下2种中粒砂岩的试验结果

  

试样编号类型H/mmD/mmσt/MPaεc/10-3LTA-1完整99.4049.800.9141.64LTA-2完整98.8049.800.8351.02LTA-3完整95.5049.800.9041.16LTB-1结构面99.6049.100.1090.22LTB-2结构面100.2049.800.1620.19LTB-3结构面97.6049.800.1760.24

 

表2 直接剪切下2种中粒砂岩的试验结果

  

试样编号类型H/mmD/mmτc/MPaτ残/MPaJTA-1完整99.2049.604.382.10JTA-2完整98.8049.604.912.19JTA-3完整100.3049.804.712.04JTB-1结构面98.3050.203.972.01JTB-2结构面97.9049.704.451.93JTB-3结构面98.2049.503.812.02JHB-3结构面99.7650.202.942.61

 

表3 单轴压缩下2种中粒砂岩的试验结果

  

试样编号类型H/mmD/mmσc/MPaεc/10-3E/GPaνDTA-1完整100.1049.8041.795.4510.000.216DTA-2完整99.6049.9046.445.2411.480.208DTA-3完整99.2049.6037.314.929.440.298DTB-1结构面49.8097.8043.465.0910.670.312DTB-2结构面49.8098.6039.975.958.820.241DTB-3结构面49.6099.7040.395.799.190.319

2 试验结果分析

2.1 直接拉伸过程中的声发射特征

直接拉伸下完整与含结构面中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系如图3~4所示。从图3~4中可以发现,直接拉伸下含结构面中粒砂岩和完整中粒砂岩破裂过程中声发射的特征存在明显的差异。

[12] 王妍丹.非常温下煤岩样声发射及电磁辐射研究[J].矿业安全与环保,2017,44(3):6-9.

  

(a)声发射计数

  

(b)声发射累计计数

 

图3 直接拉伸下完整中粒砂岩声发射计数、累计计数与时间的关系

  

(a)声发射计数

  

(b)声发射累计计数

 

图4 直接拉伸下含结构面中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系

[7] WANG J,XIE L Z,XIE H P,et al.Effect of layer orientation on acoustic emission characteristics of anisotropic shale in Brazilian tests [J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2016,36(Part B):1120-1129.

实习基地建设与利用 从2012年开始,先后与丹东东方测控、华日理学等五家企业签订实习实训基地协议书;与锦州航星集团有限公司、锦州阳光能源科技有限公司等三家企业签订实习实训基地协议书,接纳连续六届学生毕业实习、生产实习。

2.2 直接剪切过程中的声发射特征

根据以上全文的分析,我们可以看出,对企业会计核算进行规范化管理能够使得高级管理人员对企业的经营情况进行有效监督,为企业的良好经营提供可靠的基础。不管是从运行机制、会计核算从业人员素质、岗位设置还是内部管理方法等方面,企业都应及时地找出不足与隐患,并及时进行纠正,使得自身的缺点得以改善。对于可能出现的问题有效控制,及时采取措施,不断地为企业推进会计核算管理规范化,为企业自身发展起到良好的促进作用。

含结构面中粒砂岩和完整中粒砂岩直接剪切过程中都存在明显的声发射峰值计数,但是前者的峰值计数要比后者的峰值计数小。完整中粒砂岩的声发射峰值计数为9 545次,含结构面中粒砂岩峰值计数为3 924次,减小了58.89%。完整中粒砂岩的声发射累计计数为186 423次,含结构面中粒砂岩累计计数为351 758次,累计计数增大了88.69%。出现声发射峰值计数减小的原因是完整中粒砂岩内部颗粒与颗粒之间的胶结力相对较大,岩体破坏时所需的能量较大;然而含结构面中粒砂岩由于结构面存在有机物质,结构面颗粒与颗粒之间的胶结力相对较小,因此,岩体破坏时所需的能量较小。声发射累计计数增大是因为完整中粒砂岩剪切断裂时破裂面较完整,而含结构面中粒砂岩破裂时较粉碎,产生的破裂点更多,释放的能量更多。声发射累计计数刚开始都增长得较慢,当应力—时间曲线斜率增加并近似直线时,声发射累计计数也开始快速增长,但是完整中粒砂岩增长的速率相对较均匀,而含结构面中粒砂岩刚开始增长得特别快,后期增长速率较小。峰值应力过后,声发射累计计数都没有明显增长的现象,只是略微有所增加。这是因为砂岩断裂后不会形成大的破裂面,只是剪切面之间的相对滑移产生的声发射,因此,虽然会出现声发射现象,但是声发射计数较小。

  

(a)声发射计数

  

(b)声发射累计计数

 

图5 直接剪切下完整中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系

  

(a)声发射计数

  

(b)声发射累计计数

 

图6 直接剪切下含结构面中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系

1)天然结构面对直接拉伸过程中的声发射影响较明显,完整中粒砂岩和含结构面中粒砂岩的声发射峰值计数分别为111次和1 493次,完整中粒砂岩的峰值计数是含结构面中粒砂岩的13.5倍;声发射累计计数分别为3 572次和11 351次,含结构面中粒砂岩的声发射累计计数是完整中粒砂岩的3.2倍。

女人说完就主动伸出手来,我心里有种莫名其妙的冲动。我赶紧握住女人的手,女人的手很白很嫩,我紧紧地把它攥在手心里,女人并没有反对,好像这白晰修长的手原本就该属于我一样。

利用回归方程求算各个处理中的异硫氰酸盐含量,结果如图2所示。与CK相比,在低浓度NaCl (0.25 mg/mL)处理时,萝卜幼苗中总异硫氰酸盐含量出现了升高,达到173.08 μmol/g(干重),比CK增加了6.89%; 随着NaCl浓度的持续增高,总异硫氰酸盐含量又开始逐渐下降,到NaCl浓度为10.00 mg/mL时,达到最低值45.63 μmol/g(干重),比对照降低了71.82%(图2)。

2.3 单轴压缩过程中的声发射特征

单轴压缩下完整与含结构面中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系如图7~8所示。从图7~8中可见,单轴压缩下含结构面中粒砂岩和完整中粒砂岩破裂过程中的声发射峰值计数和累计计数没有明显的差异,基本上没有变化。完整中粒砂岩的声发射峰值计数和累计计数分别为20 569次、137 674次;含结构面中粒砂岩的声发射峰值计数和累计计数分别为22 230次、114 604次。这是因为在单轴压缩时,由于结构面的倾角和厚度较小,压缩过程中主要是岩石内部颗粒及胶结物的破裂释放弹性能产生的声发射,而完整中粒砂岩和含结构面中粒砂岩内部颗粒及胶结物没有明显的差异,因此,其破裂时释放的能量也大致相同,所以完整中粒砂岩和含结构面中粒砂岩的声发射没有明显的差异。

  

(a)声发射计数

  

(b)声发射累计计数

 

图7 单轴压缩下完整中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系

  

(a)声发射计数

  

(b)声发射累计计数

 

图8 单轴压缩下含结构面中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系

3 结论

以神东矿区补连塔煤矿22307工作面基本顶中粒砂岩为研究对象,分析了直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验过程中完整中粒砂岩和含天然结构面中粒砂岩声发射特征的差异。主要结论如下:

2)直接剪切过程中完整中粒砂岩与含结构面中粒砂岩的声发射特征虽然有差异,但是与拉伸过程中相比差异较小。完整中粒砂岩的声发射峰值计数和累计计数分别为9 545次和186 423次;含结构面中粒砂岩的声发射峰值计数和累计计数分别为3 924次和351 758次。完整中粒砂岩的声发射峰值计数和累计计数分别是含结构面中粒砂岩的2.4倍和0.5倍。

第三、加快推进社会体育改革,构建社区体育发展机制。经过十几年体育改革发展,我国体育社会化进度在加快,体育体制开始分化,社会普及程度较高的足球、篮球、排球等项目实现职业化发展。计划经济体制下的“单位体育”逐渐向社区体育转变,体育社团、体育协会、体育俱乐部等体育社会组织的发展,推动社区体育发展,社区体育成为全民健身运动发展基本载体。

参考文献

[1] 李化敏,李回贵,宋桂军,等.神东矿区煤系地层岩石物理力学性质[J].煤炭学报,2016,41(11):2661-2671.

[2] 冯军发,周英,李回贵,等.试论近水平煤层采场的3 种基本结构形式[J].煤炭学报,2016,41(10):2576- 2587.

[3] 汪泓,杨天鸿,徐涛,等.单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式——以陕西小纪汗煤矿砂岩为例[J].金属矿山,2014,43(11):39-45.

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[4] AKER E,KUHN D,VAVRYCUK V,et al.Experimental investigation of acoustic emissions and their moment tensors in rock during failure [J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2014,70:286-295.

[5] CHEON D S,YONG-BOK J,SEOB P E,et al.Evaluation of damage level for rock slopes using acoustic emission technique with waveguides [J].Engineering Geology,2011,121:75-88.

[6] MORADIAN Z A,BALLIVY G,RIVARD P,et al.Evaluating damage during shear tests of rock joints using acoustic emissions [J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2010,47:590-598.

3)单轴压缩过程中天然结构面基本上对其声发射特征没有影响。单轴压缩过程中完整中粒砂岩和含结构面中粒砂岩的声发射峰值计数分别为20 569次和22 230次;累计计数分别为137 674次和114 604次。

[8] 曾正文,马瑾,吴秀泉,等.单节理岩体变形与破坏过程中声发射能量的特征及意义[J].地震地质,1994,16(1):71-77.

直接剪切下完整与含结构面中粒砂岩的声发射计数、累计计数与时间的关系如图5~6所示。从图5~6中可以发现,直接剪切下含结构面中粒砂岩和完整中粒砂岩破裂过程中的声发射特征存在差异,但是差异要比直接拉伸试验过程中的小。

[9] 徐东强.采场围岩沿结构面滑移破坏时的声发射特征[J].金属矿山,1996(1):22-25.

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[11] 张朝鹏,张茹,张泽天,等.单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(4):770-778.

直接拉伸下完整中粒砂岩的声发射峰值计数非常明显,并且基本上与峰值应力出现的时间相同;其声发射峰值计数为1 493次。而含天然结构面中粒砂岩破裂过程中的声发射虽然存在峰值计数,但是相对整个破裂过程中的声发射计数,峰值计数不明显,其峰值计数只有111次,并且声发射峰值计数并没有出现在峰值应力附近,而是出现在峰值应力过后的某个时间段。完整中粒砂岩的声发射峰值计数是含结构面中粒砂岩的13.5倍。直接拉伸下声发射累计计数也有明显的差异,完整中粒砂岩的声发射累计计数为3 572次,然而含结构面中粒砂岩的声发射累计计数为11 351次,含结构面中粒砂岩的声发射累计计数是完整中粒砂岩的3.2倍。完整中粒砂岩的声发射累计计数在峰值抗拉强度前会出现突增现象,而含结构面中粒砂岩破裂的时候没有在峰值应力前出现突增现象。虽然含结构面中粒砂岩在峰值抗拉强度的时候有一定的增长,但是其曲线的斜率较小,没有峰后阶段曲线斜率大,说明峰后阶段含结构面中粒砂岩产生的声发射更多。造成这种情况的主要原因是因为完整中粒砂岩在拉应力的作用下,岩石内部颗粒能够承载的拉应力相差不大,只有在断裂时才会形成破裂面,释放较大的弹性能,因此,声发射只有在峰值应力附近才会出现明显的峰值。然而含结构面中粒砂岩破裂过程中达到峰值应力之后没有形成明显的贯通裂纹,而是随着应力的继续增大,内部微裂纹才开始慢慢汇集、贯通形成大的破裂面,因此,在整个阶段都会出现声发射计数,并且累计计数增长的速度也较大。

[13] 杨振琦,邓文学,张鹏海,等.层理倾角对黑云变粒岩声发射特征的影响[J].采矿与安全工程学报,2016,33(3):521-527.

[14] 魏翔,杨春和.含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征[J].工程科学学报,2016,38(12):1667-1673.

[15] 柴金飞,高永涛,吴顺川,等.基于细观特征分析的单节理岩石破裂机理研究[J].采矿与安全工程学报,2016,33(3):528-534.

在道家中,“虚静”是道家认识世界的一种思维方式,也是一种自身修持静养的方法。这就要求做到“收心入静”,摆脱世间万物的一切束缚,“以心求境”达到“心无旁骛”、“物我两忘”的境界,使精神达到最至高的状态,进而使主观精神和客观自然完美的融合于一体。

[16] 许江,刘义鑫,吴慧,等.剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究[J].矿业安全与环保,2013,40(1):12-16.

[17] 周辉,孟凡震,张传庆,等.结构面剪切过程中声发射特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(S1):2827-2836.

2.5 关键词 论著、专科护理、护理管理、护理教育文章须标引3个~8个关键词。请尽量使用美国国立医学图书馆编辑的最新版《Index Medicus》中医学主题词表(MeSH)内所列的词。如果最新版MeSH中尚无相应的词,处理办法有:①可选用直接相关的几个主题词进行组配。②可根据树状结构表选用最直接的上位主题词。③必要时,可采用习用的自由词并排列于最后。关键词中的缩写词应按MeSH还原为全称,如“HBsAg”应标引为“乙型肝炎表面抗原”。每个英文关键词第一个字母大写,各词汇之间空2个字符。

[18] 侯鹏,高峰,杨玉贵,等.考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究[J].岩土力学,2016,37(6):1603-1612.

家住龙武镇岔河村的普万雄曾是建档立卡贫困户,随着扶贫工作的深入,普万雄一家过上了“想都不敢想”的日子。“以前靠种蔬菜、养殖,一年收入仅能基本维持生活,自从村里来了扶贫队,我种起了5亩多的大棚蔬菜,日子比以前好多了!”普万雄说。

政府间的关系是城市更新过程能否成败的关键。城市政府的“行政区行政”,即基于单位行政区界限的刚性约束,城市政府对社会公共事务的管理是在一种切割、闭合和有界的状态下形成的政府治理形态(陈瑞莲,2006),很大程度上促使城市政府成为只关注本地区事务区域性“增长机器”。如前所述,中央政府的体制性缺失,在区域资源优化配置、环境治理等长远和全局利益方面较易形成城市政府施政的忽视或冷漠,最终形成原本属于国家与全局的利益在现实体制下只能由城市政府来维护和代表的局面。

 
李回贵,李化敏,李长兴,陈善乐
《矿业安全与环保》 2018年第02期
《矿业安全与环保》2018年第02期文献

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