水对矿山岩石破裂失稳过程声发射特征影响的实验研究

中国是岩石受力灾变引发矿山灾害（包括冲击地压、开采沉陷、矿井突水等）的多发与频发国家,水是影响上述灾害发生的重要因素，岩石受力灾变监测预警是其防灾减灾的关键。本次研究基于"水是影响矿山岩石破裂失稳过程声发射特征的重要因素"这一学术思路，围绕与水有关的典型矿山岩石破裂灾害问题，以实验研究为基本手段，通过含水岩石破裂过程声发射频谱特征观测分析实验、不同含水量岩石加载声发射观测比较实验、水-岩压力耦合作用下岩石的声发射观测实验、以及水压作用下岩石裂隙微观形貌观测实验，来研究含水岩石破裂过程声发射频谱特征与适宜监测频段、含水性对岩石受力灾变声发射异常特征的影响、水-岩压力耦合作用下岩石受力灾变的声发射异常特征，以及水压作用下岩石声发射特征与裂隙微观形貌之间的关系，探索水压作用下岩石破裂声发射产生的机理，为矿山灾害和岩石工程灾害的声发射监测、预警提供理论与技术基础。

水作为影响岩石破裂灾变过程的重要因素之一，开展水对岩石破裂过程的影响研究具有一定的理论意义和实用价值，分别从以下5个方面开展论述：1）本课题围绕与水有关的典型矿山岩石破裂灾害问题开展如下研究工作：第一，含水岩石破裂声发射频谱特征；第二，含水性对岩石破裂失稳声发射异常特征的影响；第三，岩石破裂与声发射适宜监测频段；第四，不同含水岩石裂隙微观形貌；第五，水-岩压力耦合作用下岩石破裂失稳的声发射异常特征；第六，水压作用下岩石声发射特征与裂隙微观形貌之间的关系；第七，基于声发射时空演化的岩石破裂突水前兆研究；2）针对以上七点，经过四年研究工作，取得如下重要结果：①确定不同含水状态同种岩性岩石破裂声发射频谱特征的差异性，并发现随着加载的进行，饱水状态下岩石声发射信号的主频呈下降趋势较自然状态明显，这规律与岩性无关；②结合破裂前兆问题，研究不同含水性岩石临破裂时声发射异常特征，确定含水、岩性与声发射监测频段的关系；③针对矿山巷道掘进过程掌子面突水问题，系统研究了水-岩压力耦合作用下岩石的声发射变化规律，再现“岩石破裂-渗水-突水”的突水演化过程，提取突水演化过程中岩石灾害声发射异常前兆规律，构建水-岩压力耦合作用下灾变声发射监测预报的技术模式；④利用场发射扫描电镜和体视显微镜测试手段，探索声发射特征与裂隙通道微观形貌之间的联系，最终提出水压作用下裂隙形成与扩展过程的声发射监测方法；3）计划书中的内容已完成，且达到了预期的研究目标。研究成果方面：已申请国家发明专利6项，共发表学术论文50篇，包括国际刊物3篇，国内核心刊物41篇，会议论文6篇，其中SCI收录1篇，EI收录17篇；人才培养方面，培养博士研究生1名，硕士研究生6名（其中校级优秀硕士论文3篇）。在此期间参加国内学术会议16人次，国际学术会议8人次；4）根据研究结果，可开展一系列后续研究计划。根据确定的岩石破裂时的优势频段，定制声发射传感器，开展含水、水压以及水的化学作用对岩石破裂声发射频段的影响研究；5）本项目研究成果对掌握水与岩石破裂作用机理，探索水压作用下岩石破裂声发射产生机理，为矿山工程岩体致灾破裂的声发射监测、预警提供理论与技术支持。