基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

旋转射流破岩成孔规律研究

在前期对旋转射流结构特性及流动特性研究的基础上，利用试验的方法研究了射流压力、喷距、岩石的渗透率及强度、添加剂的浓度等因素对旋转射流破岩效率的影响。同时，研究了岩石渗透率对旋转射流和普通圆射流影响的区别。研究结果表明：在同喷距同射流压力条件下，破岩效果随着岩石强度的减小、岩石渗透率的增加而增加；相比而言，岩石的渗透率在射流的破碎效果中起着主要作用；在相同射流压力条件下随着添加剂浓度的增大，岩石的破碎深度、破碎直径和破碎体积都表现出增大后减小的变化趋势。本试验条件下的最优浓度为200－300mmp，随着渗透率的增大，旋转射流破岩成孔的效果明显优于普通圆射流的破岩成孔的效果。     

高温高压条件下花岗岩切削破碎试验研究

 为了达到最接近实际工程的试验效果,采用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,设计了精确的加压和旋转系统,操作控制比较方便,测量数据准确。利用大尺寸(f 200 mm×400 mm)花岗岩试样和工程钻头(f 30 mm的PDC钻头),使试验条件更加接近实际工程情况,开创了该类大试样试验的先河。通过正交试验研究花岗岩在高温高压状态下的切削破碎规律,得出以下结论：(1) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,花岗岩的可切削性逐渐增强,在超过一定的钻压时,切削速度随着温度的升高而明显增大,在755 N钻压下,300 ℃的切削速度比室温时增大30%～50%;(2) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,单位破岩能耗明显降低,在钻压为755 N时,300 ℃时的单位破岩能耗比室温时降低20%～30%;(3) 在高温高压环境下,切削速度随着钻压或转速的增大而增大;单位破岩能耗随着转速的增大而增大,随着钻压的增大而减小,与室温无围压状态下的切削破碎规律基本一致;(4) 由于花岗岩在此温压范围内属于渐进破坏,抗压强度下降缓慢,如果钻压太低则切削速度和单位破岩能耗受温度影响很小,为了在高温下取得对花岗岩的良好切削效果,钻压需要超过一定的值。     

温压耦合作用下岩石动态破坏过程和机制研究

温压耦合是深部岩石(体)的典型赋存环境。为揭示温压耦合下岩石的力学特性和破坏规律,采用实验和数值仿真相结合,研究岩石在不同温度和轴向静压力作用下的动态破坏过程,数值模拟再现温压耦合作用下岩石动态破坏性质的变化规律,给出温压耦合作用下岩石的动态破坏模式以及不同温度和不同轴向静压作用下破坏形态的差异。结果表明,在温度作用下,岩石发生膨胀导致热应力的产生;在相同轴向静压、不同温度作用下岩石的破坏形式相似,但是随着温度的升高,试样表面自由膨胀引起应力释放,而在试样内部会产生应力聚集,破碎更为粉碎。     

动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究

根据压头侵入岩石的断裂特征,确定了动静载荷耦合侵入岩石过程中所形成的中间、径向和侧向裂纹长度与侵入载荷、冲锤质量和冲击速度关系式,分析了冲击–静压切削组合破岩模式下冲击间距(频率)对破岩效果的影响。在自行研制的动静态多功能岩石破碎试验台上,以花岗岩为试验对象分别进行了动静耦合载荷侵入岩石试验和冲击–静压切削破岩试验。结果表明:组合载荷模式能大幅度提高破岩效果,冲击间距与切削深度之比值对破岩比能耗有很大影响,并且存在最优比值可使破岩达到最佳效果;合理的加载方式应是冲击载荷使岩石产生足够大的开裂区,再与之匹配适当的静压和切削力将开裂区岩石切削下来;大冲击能、高冲击频率、小冲击间距对于破碎脆性硬岩有较好的效果。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

深部岩石动力学实验研究进展

深部岩石动态力学实验研究是深部岩石工程中的重点和难点.近年来,国内外学者利用围压霍普金森压杆在岩石动态力学实验研究中取得了丰硕的成果,系统地回顾和总结这些成果是十分有必要的.以围压霍普金森压杆深部岩石动态力学性质实验研究为主线,论述在实验装置、实验方法及实验结果等方面的最新进展.首先,介绍分离式霍普金森压杆的基本原理以...     

岩石试样的杨氏模量与围压的关系

岩石种类繁多、变形历史复杂，围压对杨氏模量的影响规律尚缺乏明确的结论。由于岩样轴向压缩的应力-应变曲线并非直线，杨氏模量的数值依赖于确定方法。与割线模量相比，平均模量是应力-应变曲线中近似直线部分的斜率，受试验条件的影响较小。表示了应力与应变之间的变化关系。利用伺服试验机和文献上的试验结果得到了不同岩石的平均模量与围压的关系，宏观均匀致密的岩样或仅含有局部缺陷的岩样，杨氏模量与围压无关，从风化岩石和软弱岩石钻孔取芯得到的岩样，通常含有分布的裂隙，增大围压可以增大隙裂面之间的摩擦力，抑制剪切滑移的产生，从而提高杨氏模量，杨氏模量随围压的变化体现了岩样内部的损伤状态。     

低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论：在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。     

锚杆层部的破断机理研究

通过对偏心荷载作用下锚杆的受力分析，揭示了偏心荷载不利于锚尾工作状态的事实，并得出了偏心荷载处产生的正应力是5～7倍锚尾正应力的结论。建立了一般全锚条件下的锚杆力学模型，给出了锚尾荷载的解析式，并通过对理想全锚条件下锚尾的工作状态分析，阐明了锚尾端渐进破坏其偏心荷载产生的必然性。最后给出了锚尾的破断机制条件，井对其实践指导意义进行了解释。     

基于多级破坏方法确定岩石卸荷强度参数 的试验研究

 根据卸荷路径确定岩石卸荷强度参数时,为避免岩样本身离散性过大对强度的影响,采用了卸荷多级破坏试验方法。将卸荷应力路径与多级破坏方法有机结合,用单个岩样获取多个强度值,然后通过回归确定岩石卸荷强度参数。基于MTS 815.02岩石三轴试验机,研究荷载控制方式下多级破坏试验中峰值判断、破坏状态变形控制等几个问题,并提出相应的解决方案。最后成功开展了大理岩卸荷多级破坏试验,取得了与常规卸荷破坏试验较一致的结果。研究成果表明,卸荷应力路径中引入多级破坏的方法,既考虑了应力路径对强度的影响,又有效避免岩样离散性过大对强度的影响,是一种实用、有效的确定岩石卸荷强度参数方法。     

高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法,结合实际工况条件,建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程,并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明,联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍,射流和齿的间距在13mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果;当钻压增加到一定值后,其对破岩效率影响不大;破岩效率与静水压力成反比。     

基于数值实验的岩石试样最佳长径比研究

 通过颗粒流虚拟实现岩石单轴和三轴压缩试验,对不同设计长径比0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0的岩石试样进行不同围压下的数值压缩试验,分析长径比和围压对岩石试样破坏过程、破坏形态、应力–应变曲线和破坏过程中能量转移的影响。分析结果表明：利用力学指标研究岩石最佳长径比的试验数据离散性较大;利用能量研究最佳长径比,则试验数据离散性小。相对于力学指标研究方法,能量法的试验结果规律稳定。基于此研究认为,岩石试样的最佳长径比为3.0。     

工作应力状态下岩体变形模量的研究

工程岩体力学参数的大小与围压有着密切的关系。对于工程实践而言,用于工程设计的岩体参数值,应该反映该岩体工程在工作应力状态下的性状。以原位载荷试验结果推测拱坝工作状态下受力岩体的变形模量为例,推导了以初始地应力表达的原位试验试样的围压公式和受力岩体在工作应力状态下的围压公式,建立了原位试验结果与围压之间的关系。并将这种根据原位试验结果推求受力岩体在工作应力状态下的变形模量的方法用于计算黄河2号水电站高拱坝坝基(肩)岩体的变形模量,其结果是合理的,可以用于工程设计实践中。     

岩爆机理声发射试验研究

采用单向和三向应力状态下的岩石声发射测试技术,对不同岩性岩石的岩爆机理进行了系统地试验研究。研究表明,强度不同、结构差异、不同岩性的岩石,其在单向和三向应力状态下的声发射特性明显不同,而同种岩性岩石在单轴压缩和围压条件下的声发射特性则极为相似,其声发射特征应力值之间也存在一定的规律性关系,对于强度高的岩石和强度低的岩石这一规律都存在,由此总结出不同岩性岩石在不同应力状态下的岩爆发生特征。试验研究表明,采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程,是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

高围压、高水压条件下岩石卸荷力学性质试验研究

 为探悉某深埋长引水隧洞围岩在高地应力、高水压力条件下的稳定性,对隧洞的主要岩体大理岩、砂岩和板岩进行常规三轴压缩试验、峰前峰后卸围压试验以及高水压力下的卸荷试验,对此过程中的强度和变形特征进行较为系统的对比分析研究。研究结果表明：卸围压对岩石的强度影响很大。卸荷后,岩石的黏聚力和内摩擦角均有较大幅度的降低,特别是有水压时,降低更是明显;卸荷对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响大。卸荷后,黏聚力的降低幅度比内摩擦角要大;峰前卸荷对岩石强度的影响比峰后卸荷要大。峰前卸荷,岩石破坏时围压比峰后卸荷高;有水压卸荷对岩石强度的影响比无水压卸荷要大。有水压时卸荷,由于水压的存在,削弱围压对岩石的影响,使岩石在比无水压卸荷时更高的围压下即发生破坏。     

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

 空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明：井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。