乌鲁木齐矿区砂岩单轴压缩的分形特征研究

基于分形理论,研究了单轴压缩条件下乌鲁木齐地区白土窑煤矿煤层顶板砂岩破裂的分形特征。研究结果表明:在单轴压缩条件下,随着轴向应力的不断增加,砂岩试件表面的裂隙数目、长度宽度均在逐渐增加;泥质砂岩和细粒砂岩在轴向应力增加时裂隙发育和扩展的特征存在一定的差异性;分形维数可用来定量地表征单轴压缩条件下砂岩变形破坏过程的演化规律,且建立了不同荷载与分形维数之间的映射关系模型。     

分形理论在岩体质量评价中的研究

准确进行岩体质量评价对矿石开采具有重要意义。以蚕庄金矿为工程背景,通过ShapeMetrix 3D进行节理扫描,合成节理产状分布图,并采用分形理论对节理分布规律进行研究,推导出能够反映岩体质量评价的分形维数D,从而得出岩体的结构面具有自相似性。结合现有分级方法的分级结果,与分形维数D拟合,得出其拟合关系均具有较强的线性关系,当分形维数D越小,岩体的稳定性越强,其中Q系统分级结果与分形维数D的拟合程度最高,RQD分级结果与分形维数D的拟合程度最低。研究表明,当分形维数小于1.5时岩体质量较好,分形维数大于1.5时岩体质量一般。因此,采用分形维数判断岩体质量具有较强的实用性,能够成为岩体质量分级的一种定量方法,对矿山岩体稳定性分析具有指导作用。     

非贯通充填节理岩体单轴压缩力学特性模拟

以非贯通充填节理岩体为研究对象,采用数值方法研究了节理充填物弹性模量、节理充填物内摩擦角与粘聚力、节理长度、倾角、列间距、条数及加载速度等8个因素对岩体单轴压缩力学特性的影响。计算结果表明,试件单轴压缩弹性模量及峰值强度随着节理充填物弹性模量的增加有较大幅度提高;而随着节理充填物粘聚力及内摩擦角的增加,则变化很小;试件单轴抗压峰值强度随着节理长度增加,降低幅度较大,而随节理列间距的增加,强度降低幅度较小;节理倾角对试件单轴抗压力学特性也有较大影响;随着节理条数的增加,试件峰值强度先大幅降低,而后逐渐趋于定值。随着加载速度的提高,试件单轴压缩应力应变曲线有较大变化,峰值强度有明显提高。通过对上述因素的对比发现,就节理本身性质而言,节理几何参数对岩体力学特性的影响最大,节理变形参数的影响次之,而节理强度参数的影响最小。     

不同浸水时间级配破碎煤样的粒度分布分形特征

含水条件下破碎岩体的变形及压实是引发采空区地表沉降的因素之一。为探究浸水时间、级配、轴向压缩位移3种因素对承载破碎岩体粒度分布分形特征及压实特性的影响规律,采用轴向压缩位移控制的方法,进行了小位移情况下5组不同配比破碎煤样的侧限压实试验。结果表明:1)在轴向压缩位移较小的情况下,随着浸水时间的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数呈减小趋势;2)浸水时间与粒径分布分形维数曲线可用指数函数拟合;3)随着配比指数n的增大,粒度分布分形维数逐渐减小;4)随着轴向压缩位移的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数与轴向应力都呈增加趋势,可以分为0~15 mm的缓慢增加阶段和15 mm后的快速增加阶段。基于破碎煤样在不同浸水时间条件下承载能力与粒度分布特征的变化规律,得出其承载能力随浸水时间增加而降低,而粒度分布分形维数呈减小趋势,从而为进一步研究破碎岩体承载条件下的强度、变形及粒度分布特征提供依据。     

不同单一裂隙倾角对岩体破坏特征的影响

为了探求不同裂隙倾角对岩体破坏特征的影响,针对相似模拟试件进行室内试验。通过试验研究了单轴压缩含有裂隙试件的岩石断裂和节理滑动行为。经测试的岩石模型具有与水平倾角为0°、30°、45°、60°、90°的持久单一裂隙。结果表明,在单轴条件压缩下,完整试件的强度高于存在裂隙的试件;预制裂隙倾角影响着裂隙的发育程度,通过试验结果将裂纹发育程度从大到小排列依次为:60°、45°、0°、30°、90°;不同预制裂隙倾角试件的单轴抗压强度曲线近似成倒U型,并且预制裂隙的倾角在30°与45°之间存在着对试件强度影响最大的角度。     

煤体破碎过程中分形特征与能量耗散规律研究

利用DDL600电子万能试验机和自主研发的破碎岩石压实装置,采用分级加载方式对不同相对湿度下的级配破碎煤样进行单轴侧限压缩试验,通过筛分和称重各粒径煤样计算出粒度分形维数,分析各级轴向应力下破碎煤样的粒径分布特征,并根据能量耗散模型计算出破碎能量耗散率,探究加载过程中破碎煤样的能量耗散率规律。结果表明:煤样破碎过程中分形维数与加载应力满足对数关系,初始级配对分形维数变化的影响随加载应力的增大而减小,且相对湿度的增加会降低分形维数;相对湿度通过减少破碎发生而减小了煤样的能量耗散,其能量耗散率的变化区间为30%～42%;煤样的能量耗散率随分形维数呈先增大后减小的趋势,且湿度越大能量耗散率到达峰值时的分形维数越小,能耗率变化越突出。     

侧限条件下陷落柱破碎岩体的渗流特性研究

采动影响下陷落柱内部破碎岩体极易发生二次破坏,造成孔隙度和分形维数同时改变,致使其渗透率突变而引发突水灾害。基于此,现场开展陷落柱取样,按相同质量比配制陷落柱和石灰岩试样,测试并分析其孔隙度、分形维度以及渗透率在有侧限单轴压缩条件下的变化影响规律。研究表明:1)陷落柱和石灰岩试样的孔隙度均随轴压的增大呈指数衰减式减小,但陷落柱试样孔隙度的减小幅度比略大于石灰岩;2)当轴压小于6 MPa时,破碎岩体分形维数随轴压变化明显,尤其是陷落柱试样,其分形维数变化率可达18.5%,而石灰岩仅为9.3%;3)引入分形维度对破碎岩体渗透率与孔隙度的表达式进行修正,较好地描述了陷落柱在不同轴压下渗透行为的演化特征。     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

粒径对非完整破碎岩体力学性质影响试验研究

开挖后的地下硐室周边围岩存在一定范围的破碎区,破碎区内部的粒径大小直接影响着破碎区与弹性区交界面附近区域岩体的力学性质。因此,为了探究粒径对非完整破碎岩体的影响规律,制备了4种不同粒径的非完整破碎岩体试件,开展了单轴压缩条件下粒径对非完整破碎岩体力学试验,分析了粒径对非完整破碎岩体强度、声发射以及破坏特征的影响规律。试验结果表明:随着粒径的增大,试件的峰值强度随之减小;当试件粒径较小时,在应力峰值后的残余承载阶段,应力下降较为迅速,粒径较大时,在应力峰值后的残余阶段应力下降较为平缓。粒径越大的试件,破碎区孔隙越大,加载过程中的裂隙发育扩张越快,应力峰值前的声发射响应越强烈,计数频率和能量累计数越大;随着试件粒径的增大,试件的承载力逐渐降低,其表面由一开始出现的细微拉伸裂纹逐渐演化成宏观剪切裂纹。     

静载荷作用下颗粒破碎的分形统计规律研究

矿石颗粒外形的不规则、粒度的不均匀等因素致其与破碎设备的实际接触面积无法测定,导致单颗粒破碎时的实际破碎强度无法测定。为解决这一技术难点,对广西某碳酸锰矿石进行了单颗粒破碎及筛分研究,采用分形的方法,从单颗粒破碎后的分形维数入手,建立了单颗粒破碎过程中的实际抗压强度与颗粒粒径、分形维数之间的关系。结果表明：原料、返砂物料的单颗粒破碎后粒径的分形维数存在较大差异,建立了实际抗压强度与颗粒本身的单轴极限抗压强度、颗粒粒径、分形维数之间的函数关系式,利用统计规律有效地解决了工程颗粒实际破碎强度的计算问题。     

单轴压缩下节理试件的能量耗散特征研究

为探究岩体变形破坏过程中的能量转化和耗散机制,对含节理试件单轴压缩下 的单位体积外力功、弹 性应变能和耗散能密度进行计算和分析。 研究发现:①节理试件的 4 类应力应变曲 线(类型Ⅰ-单峰型,类型Ⅱ-软化 段多峰型,类型Ⅲ-多峰平台后软化型,类型Ⅳ-多峰平台后硬化—软化型)的能量转化 和耗散过程都可以分为弹性变 形、连续体非弹性变形和不连续体变形 3 个阶段;在第一阶段,耗散能占比很少,外 力功大部分转化为弹性应变能;在 第二阶段,耗散能占比急剧增加,外力功大部分转化为耗散能;在第三阶段,外力功几 乎全部转化为耗散能;与类型Ⅰ 和类型Ⅱ试件相比,类型Ⅲ和类型Ⅳ试件的连续体非弹性变形阶段的持续时间较长、 延性较大;②以劈裂、压碎破坏 为主的节理倾角较低或较高的试件,其最终的耗散能远高于以剪切滑移、阶梯状破坏 为主的节理倾角中等的试件;③ 同一节理倾角下,随着节理连通率的增大,试件破坏所需的单位体积外力功和耗散能 密度均减小;④随着节理试件耗 散能密度对数值的增加,破碎体尺寸—质量分形维数值线性增加。     

分形理论在岩体质量评价中的应用及分级指标值的确定

为了更全面的评价岩体质量,克服传统的岩体质量等级分级方法如RQD,RMR和BQ等未考虑岩体中的节理、裂隙的不足,根据岩体结构面的自相似特征,应用分形理论来对其进行研究．运用盒计维数法对某地下工程岩体结构面分布的分形维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征．对计算结果数值分布的规律分析发现,分形维数越大,岩体质量越差,表明岩体结构面分布的分形维可以作为评价岩体质量的指标．并通过分维数D与RQD,RMR和BQ的拟合,给出岩体质量分级指标D值,从而提出一个以岩体结构面分形维数为分级指标的岩体质量评价方案．     

非贯通节理类岩石试件单轴压缩特性初探

针对嵌入式非贯通节理对岩体力学特性的影响规律,采用数字建模和3D打印技术建立了正弦型节理实体模型,制备了完整类岩石试件、含单节理类岩石试件及含双节理类岩石试件,单节理角度分别为30°、45°、60°,双节理角度分别为30°、45°,30°、60°,45°、60°。对各类试件进行了单轴压缩试验,结果表明：含节理类岩石试件的单轴抗压强度低于完整类岩石试件,且随着试件内部节理数量的增加,试件单轴抗压强度的降低幅度增大；单节理类岩石试件的破坏形式均为沿节理所在平面发生剪切破坏,试件的单轴抗压强度随节理角度的增大而增大,这主要是节理面切割度和节理面法向应力共同作用的结果；双节理类岩石试件破坏时内部裂隙发育、贯通程度较高,破坏后的试件非常破碎,基本不具残余强度。     

基于分形理论的岩石质量评价

为了揭示地质数据的内在关系,深层次地反映节理岩体的工程地质特点,分析讨论了岩体结构面的分形特征,提出了一种利用分形分布、节理密度、岩石质量指标RQD和结构面间距分布形式的联系来评价岩体质量的方法。研究表明,分维数D能够弥补方法CSIR在评价岩体质量中的某些不足,可以作为岩体质量评价的一个定量指标。     

节理岩体爆破的块度计算模型

以分形理论和现场实测数据为基础，提出了节理间距的Ｃａｎｔｏｒ集分布和岩体天然块度的计算方法，用随机分形构造模型描述爆破岩块的形成过程，按照损伤力学的方法，研究节理岩体爆破机制，提出岩体破碎比比率这一新概念，由此建立了节理岩体爆破块度计算的损伤模型。     

级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

贵州锦丰金矿岩体工程地质特征及RMR质量评价

结合贵州锦丰金矿工程地质调查成果,采用RMR法分别从岩石完整程度、单轴抗压强度、节理间距、地下水状态、节理状态以及节理产状对工程施工的影响程度等方面对该矿270,290 m中段E_3段进行了岩石质量评价。结果表明:(1)矿区整体岩石等级为Ⅳ级,属于较差岩体类型;(2)倾向2°、倾角54°和倾向180°、倾角72°两组方向岩体结构面为区内最弱结构面,对岩体质量稳定易造成较大影响,采矿工程施工时应避开该方向。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

破碎压实岩体节理宏观力学参数研究

为解决随机分布节理面力学参数的科学估算,在实验室内选用不同粒径级配的破碎岩块进行压缩,获得不同压实率下的压实体试件。对压实体进行单轴压缩试验,记录其轴向应力应变曲线的同时分析压实体节理迹长概率分布函数和范围;其次,通过正交试验和数值模拟的方法构造单轴压缩数值模型,选用与试验轴向应力应变曲线最接近的模拟曲线的节理力学参数,作为该压实体的节理力学参数。最后结合实际现场,利用得到的压实体节理力学参数,研究不同压实程度下再生顶板巷道顶板稳定性。得出了在破碎岩块粒径越小,压实率越大的情况下,再生顶板越稳定的结论。     

裂隙充填对岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响

用相似材料试件研究了裂隙不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。对裂隙含不同充填物节理岩体相似材料无锚及有锚试件进行了单轴压缩试验及数值研究,分析了不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。研究得到：充填物弹性模量在一定范围内,含充填节理岩体抗压强度峰值随着充填物弹性模量的提高而提高;充填物与基体材料弹性模量越接近,无锚含充填节理岩体试件的峰后塑性越好,但充填物对加锚试件的峰后塑性影响很小;充填物与基体材料弹性模量差值越大,试件峰后应力-应变曲线应力下降速率越快;当裂隙充填物弹性模量低于基体材料时,试件内沿受力方向出现拉应力,拉应力的峰值及分布区域随充填物弹性模量的降低而增大。