岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (3): 749-760.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0879

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于声发射多重分形特征的层状板岩失稳前兆研究

孙博1,任富强2, 3,刘冬桥3   

  1. 1. 辽宁科技大学 矿业工程学院,辽宁 鞍山 114000;2. 辽宁科技大学 土木工程学院,辽宁 鞍山 114000; 3. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083
  • 收稿日期:2021-06-11 修回日期:2021-12-15 出版日期:2022-03-22 发布日期:2022-03-22
  • 通讯作者: 任富强,男,1992年生,博士,讲师,主要从事岩石力学与岩爆灾害控制方面的研究工作。E-mail: renfuqiangcumtb@163.com E-mail:1542281232@qq.com
  • 作者简介:孙博,男,1995年生,硕士研究生,主要从事岩石力学方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(No.52074299);深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金(No.SKLGDUEK2128);辽宁科技大学优秀青年科技人才项目(No.2021YQ02)

Research on the failure precursors of layered slate based on multifractal characteristics of acoustic emission

SUN Bo1, REN Fu-qiang2, 3, LIU Dong-qiao3   

  1. 1. School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan, Liaoning 114000, China; 2. School of Civil Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan, Liaoning 114000, China; 3. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China
  • Received:2021-06-11 Revised:2021-12-15 Online:2022-03-22 Published:2022-03-22
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(52074299), the State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing (SKLGDUEK2128) and the Excellent Young Scientific and Technological Talents Project of University of Science and Technology, Liaoning(2021YQ02).

摘要: 为探究层状板岩失稳前兆,开展了5组不同层理倾角(0º、30º、45º、60º、90º)板岩的单轴压缩试验,分析了其破坏形态、声发射参数及多重分形特征,讨论了多重分形谱宽Δa 与损伤演化的关系,得到了基于多重分形的破坏前兆及预警时间。结果表明:当层理倾角由0º增加到90º时,板岩先由张拉劈裂破坏向劈裂剪切破坏转变,接着变为剪切滑移破坏,最终转变为张拉劈裂破坏;振铃计数突增以及低频−高幅信号比例的持续增加可作为板岩失稳前兆,且层状板岩在裂纹贯通阶段低频−高幅信号占比随层理倾角的增大呈先减后增的变化过程;多重分形谱宽∆a 先突减再突增也可作为不同层状板岩的失稳前兆,且Δa 的突增时间提前于损伤突变,Δa 预警时间随层理倾角的增大呈先增后减再增的变化过程,层理倾角为30º时预警时间最长。

关键词: 板岩, 层理倾角, 声发射, 多重分形, 失稳前兆

Abstract:  In order to explore the failure precursors of layered slate, five groups of slate with different bedding angles (b = 0º, 30º, 45º, 60ºand 90º) were carried out using uniaxial compression tests, and the failure mode, acoustic emission (AE) parameters and multifractal characteristics are analyzed. The relationship between multifractal spectrum width (Δa) and damage evolution was discussed, and the precursor and warning time of final failure based on multifractal were determined. The results indicate that: when the bedding angle b increases from 0º to 90º, the failure modes of slate firstly change from tension-splitting failure to splitting-shear, then to shear slip, and finally to tension-splitting. The sudden increase of AE counts and the continuous increase in low-frequency (LF) and high-amplitude (HA) signals can be identified as precursors for predicting the failure of rocks. The proportions of LF-HA signals in the crack coalescence stage firstly decrease and then increase with the increase of bedding angle, b. Furthermore, the time of the sudden increase in Δa occurs before the damage mutation, in details, with the increase of b, the early warning time of Δa increases first, then decreases and then increases again, and the early warning time of slate (b = 30º) is the longest.

Key words: slate, bedding angle, acoustic emission, multifractal, failure precursor

中图分类号: TU 458
[1] 张胜, 柏巍, 徐鼎平, 郑虹, 江权, 李志伟, 向天兵, . 循环荷载作用下砂岩损伤演化的声发射与电阻率监测及理论研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 53-66.
[2] 黄曼, 宁昊晟, 洪陈杰, 陶志刚, 刘雨星, 张贺, . 基于第二代负泊松比锚杆加固的充填结构面剪切特性研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 131-140.
[3] 刘一鸣, 李振, 冯国瑞, 杨鹏, 白锦文, 黄炳雄, 李东, . 循环加卸载下裂隙砂岩声−热响应特征及前兆规律[J]. 岩土力学, 2025, 46(9): 2773-2791.
[4] 雷瑞德, 顾清恒, 胡超, 贺培, 周林森, . 裂隙砂岩声发射信号特征及破裂前兆识别研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(7): 2023-2038.
[5] 储超群, 包兴佳, 毛明发, 吴顺川, 崔贺佳, . 深地灰岩三轴压缩声发射特征及破坏形式试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(7): 2049-2061.
[6] 吕萌, 王亮清, 谢妮, 朱林锋, 安彩龙, 柯睿, 王旭晨, . 加锚异性结构面剪切特性及声发射响应特征研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(7): 2106-2120.
[7] 马春德, 康子豪, 阳文源, 谭观霜, 赵俊康, . 不同加载速率下花岗岩多期应力记忆方向独立性试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(6): 1709-1718.
[8] 唐巨鹏, 黄磊, 潘一山, 任凌冉, 张昕, 张众华, . 煤层倾角突变区煤与瓦斯突出模拟试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(6): 1719-1730.
[9] 韩世迎, 王航龙, 彭俊, 朱君星, 王林飞, 潘堃, . 结构面影响深埋隧道硬质围岩岩爆特征试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(6): 1765-1776.
[10] 张艳博, 周浩, 梁鹏, 姚旭龙, 陶志刚, 来有邦, . 基于到时精确拾取与智能优化算法结合的岩石声发射定位方法研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1643-1656.
[11] 王晓敏, 屈钧利, 师亚平. 基于自回归模型方差陡增效应的微震P波到时拾取[J]. 岩土力学, 2025, 46(4): 1335-1342.
[12] 汪昕, 幸安康, 曾子强, 姜祎, 徐建宇, 王晓南, 刘造保, . 层理铁矿石剪切力学性能试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(4): 1039-1048.
[13] 许庆钊, 史文豹, 常聚才, 苗壮, 闫澳运, 李传明, 齐潮. 不同加载速率含水煤样力学响应及宏微观破坏机制研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(3): 881-893.
[14] 于天佑, 蒋关鲁, 饶千竺, 朱丹, 陈虹羽, 刘先峰, . 水汽循环作用下红层泥岩的损伤劣化特性研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(2): 479-491.
[15] 刘剑, 周宗红, 张晶, 王春, 侯廷凯, 乔木, . 闪长岩不同卸荷速率声发射特征及非稳定阶段识别[J]. 岩土力学, 2025, 46(1): 225-232.
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