基于应力路径的岩石岩爆声发射特征演化规律及破坏前兆信息研究

In view of the rock burst disasters occurred in underground project, the critical issue of the rock failure features and its mechanism in rock burst process is focused and the true triaxial unloading rock burst tests with acoustic emission (AE) monitoring based on stress paths are systematicly carried out to simulate strain burst and pillar burst as well as fault impact burst. Based on the experimental results, the influence of stress paths on AE evolution of rock burst can be illustrated. The multi parameters of stress-strain strength characteristics, macro-meso fracture characteristics and AE evolution features as well as temperature features in infrared field are analyzed contrastively. The coupling relationship among these multi parameters can be determined using energy as the media and then the precursory information of rock burst failure under different stress paths can be determined comprehensively. At last, the numerical models considering stress paths are established which can simulate the rock burst process with AE evolution. And the numerical simulation results are compared with the obtained experimental results. In a word, this research is aimed at providing theoretical and practical basis for AE evolution and precursory information study in rock burst test considering stress path as well as the rock burst prediction.

针对我国地下工程中存在的岩爆灾害现象，围绕岩石岩爆破坏特征与发生机理这一关键问题，系统开展基于应力路径的真三轴卸载岩爆声发射试验，分别模拟应变型岩爆、岩柱型岩爆和断层冲击型岩爆。基于试验结果，揭示不同应力路径对岩石岩爆过程声发射特征演化规律的影响。对比分析不同应力路径下岩石岩爆的应力应变强度特征、宏细观破裂特征、声发射演化特征以及红外场温度特征多参量数据，以能量为媒介，确定多参量之间的耦合关系，综合确定不同应力路径下岩石岩爆的前兆信息。最后，建立考虑不同应力路径的岩石岩爆声发射试验数值模型，并将数值模拟结果与试验结果对比验证，为基于应力路径的岩石岩爆声发射特征演化及破坏前兆信息研究以及岩爆灾害预测预报提供理论和应用基础。

本项目为了研究岩石岩爆破坏前兆信息，揭示基于应力路径的岩爆破坏机制，以岩爆实验所获得的海量数据为研究对象，创新性地引入大数据分析技术，提出了从声发射波形演化规律、参数特征、频谱特性以及应力应变信息，宏细观破裂信息整合，并以2ms为单位时间，提出划分声发射波形的办法，揭示了不同应力路径下所模拟的不同类型岩爆的声发射波形演化规律，最终可以将岩爆实验中多波出现前的三波形或四波形提取出来，综合判定为岩石岩爆的前兆信息，具有可预警性。项目开展了岩体真三轴卸载岩爆声发射实验并进行宏细观破裂分析，采用分形维数理论计算其岩爆后产生的碎屑粒度-数量分形值，同时利用短时傅里叶变换手段证明了声发射时频特性在岩体岩爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频，最后变为多峰高幅低频的过程，预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制；通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟，发现模型试件内部主要存在张拉损伤，而随着模型加卸载不断进行剪切破裂逐级增多，与声发射时频特性相吻合，验证了数值方法的可行性。. 岩石特性受其尺寸影响，项目进一步地基于变尺寸岩石岩爆实验结果，查明了岩石岩爆声发射频谱特性尺寸影响问题，结果表明不同尺寸岩石岩爆试验结果有着相似的谱分布，主频主要集中在低频区间范围，而频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有不同，阐述了现场岩爆与室内岩爆声发射频谱高频部分可作为主要区分的原理。此外，项目还开展了不同断裂模式下的岩石声发射特性研究，进行了岩石张拉和剪切破坏模式模拟并通过颗粒流数值分析加以验证，同时利用声发射技术探测两种破坏模式下的声发射特征，揭示了两种破裂的本质区别。. 研究成果为岩爆发生机理、预测方法以及防止措施等方面提供了新的研究思路和方法，可将声发射信号波形演化、频谱演化以及前兆信息判定应用于现场岩爆预警，为地下工程安全开采提供可靠依据。