高宽比及应力波扰动对砂岩块体超低摩擦影响试验研究

为揭示层状岩体在应力波扰动作用下岩块尺寸对超低摩擦型冲击地压影响机制,以沈阳红阳三矿顶板砂岩块体为研究对象,将5个块体上下依次叠放置于自主研制块系岩体超低摩擦试验装置加载腔内,始终以中间块体为工作块体,用不同工作块体的高宽比H_s/H_w(0.8～2.0)模拟不同构造层次或同一构造层次不同破碎程度的岩体,通过对块系模型系统施加应力波扰动P_v(频率0～10 Hz、振幅0～1 MPa)模拟爆破、顶板断裂、集中开采等扰动作用,施加轴压F_v和水平冲击F_h分别模拟岩体上覆岩层压力和顶板断裂冲击作用,开展应力波扰动作用下高宽比不同的砂岩块体超低摩擦试验。以高宽比作为反映岩块尺寸的表征指标,以应力波扰动频率和振幅作为反映扰动作用的表征指标,以工作块体水平位移作为超低摩擦效应强度的表征指标,分析得到轴压、应力波扰动及水平冲击组合作用下高宽比及应力波扰动对砂岩工作块体的超低摩擦效应强度影响规律与能量演化特征。研究结果表明：应力波扰动、轴压及水平冲击作用一定时,工作块体水平位移随其高宽比增大而呈递减趋...     

应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。     

冲击扰动对超低摩擦型冲击地压影响分析

高地应力和开采强扰动下,深部煤岩体极易发生超低摩擦效应,继而诱发超低摩擦型冲击地压。通过建立考虑上覆岩层压力的块系岩体超低摩擦效应理论模型,对块体逐一进行受力分析,推导得到块体间新法向力公式和工作块体新水平位移公式,理论分析其受垂直和水平双向扰动后的动力响应,获得法向力最小值在各块体间的分布特征及水平冲击载荷频率和延迟时间对工作块体水平位移影响规律。研究表明:最容易发生超低摩擦效应的接触面位置为离垂直冲击源最近的3个接触面。块体间法向力减小导致块体间摩擦力降低,如遇水平扰动,极易诱发超低摩擦型冲击地压。水平冲击幅值确定时,工作块体水平运动存在特定的延迟时间及水平冲击频率范围,且工作块体的水平位移随延迟时间及水平冲击幅值的变化呈现周期性变化规律。发现工作块体水平运动开始时刻滞后于水平冲击作用时刻,存在滞后时间,其后将依次经历变加速和变减速运动,最终处于静止状态。块体间法向力变化是超低摩擦效应发生的前提条件,水平扰动是引起工作块体水平位移的直接原因。     

深部块系岩体超低摩擦现象的机理分析

不规则超低摩擦现象是深部块系岩体典型动力学特征现象之一,集中反映了深部块系岩体非协调、非连续的动力学特性。基于俄罗斯Kurlenya M V院士的深部岩体超低摩擦实验建立了深部块系岩体一维动力模型,得出了工作块体水平位移的解析表达式。研究结果表明,一维动力模型理论计算结果与实验数据吻合较好,进一步揭示了深部岩体不规则超低摩擦现象产生的力学条件为分别作用于块系和工作块体上的竖向和水平冲击的时间间隔满足倍数为2的规范序列,指出超低摩擦现象产生机理在于强动载作用下块体间法向力重分布和动摩擦系数不断变化的共同作用,同时说明超低摩擦现象出现的离散周期和低频低速变位摆型波频谱具有密切联系。     

开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型冲击地压的影响分析

随开采深度增加,冲击地压发生的频度和强度愈趋严重,而现有深部冲击地压机制的研究尚不明了。基于深部开采实际情况,提出超低摩擦型冲击地压这一新概念,引入岩体超低摩擦效应,以深部块系煤岩体为研究对象,考虑垂直冲击荷载和垂直地应力作用,建立超低摩擦型冲击地压块体模型,推导得到了块系煤岩体接触界面法向动力荷载随时间变化关系表达式。研究结果表明:垂直冲击荷载作用下深部块体接触界面法向荷载随时间呈周期性波动变化,冲击地压的发生存在临界深度区域,即400~600,800~1 000,1 200 m时接触界面法向动力荷载波动周期较小,波动频率较快,与现场观测结果和已有结论基本一致,说明所建模型较合理;开采深度不同,接触界面法向荷载随时间变化而急剧变化,800~1 200 m深度对应接触界面法向荷载随时间变化率的最大值与深度之间满足三次多项式关系;随冲击荷载强度增大,接触界面法向荷载最大降幅先减小后增加,最后趋于恒定,且冲击荷载强度为1 MPa时,接触界面法向荷载最大降幅最小,接触界面的摩擦力由静摩擦变为动摩擦,如遇水平扰动,煤岩体将突然滑出和抛出,产生岩体超低摩擦效应,极易诱发冲击地压。     

一维块系地质块体波动特性的试验和理论研究

深部岩体具有块系等级构造特性,俄罗斯深部矿山原位量测得到的摆型波(μ波)产生于动力冲击作用下(如深部地震、岩爆和封闭核爆等)块系岩体的运动,是一种不同于传统纵波和横波的新型非线性弹性波。为了证明μ波的存在,并对块系块体介质中应力波传播特性及块体材料、尺寸和结构形式的影响进行研究,利用自主研发的深部岩体动态特性试验系统,分别对6种具有不同特征尺寸的花岗岩和水泥砂浆块系块体模型和连续块体模型进行一维低速冲击试验。试验表明:对于两种结构形式的介质,一维冲击作用下,块体(测点)三向加速度幅值均随冲击能量提高近似线性增加。对于块系块体介质,块体三向加速度幅值随块体个数增加呈一阶指数衰减,并且衰减系数与冲击能量无关;冲击能量仅仅改变加速度波谱密度幅值,而对三向振动极值频率没有影响,并且块体越多,能量越大,块体振动波谱趋于低频波的趋势越强;通过对比试验结果和原位量测结论(关于μ波无量纲冲击能量判据,波速和振幅,波谱峰值频率等),证明了块系介质中出现的低频低速波就是μ波;通过对5种块系块体模型三向加速度频谱进行分析,证明其振动极值频率满足定量的规范序列关系(2~(1/2))i f 0,推广了原位测量试验结论。并且上述规律中,块体材料和尺寸效应不明显,而对于连续块体介质上述规律均不成立。最后,分别采用黏弹性夹层和刚性块体、集中质点以及弹性块体三种理论计算模型对冲击作用下块系块体运动参数进行分析,计算结果和试验曲线吻合较好,并讨论了夹层参数的敏感性。     

冲击岩爆试验系统研发及试验

依据岩爆发生时的力学状态,岩爆可以分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型。冲击岩爆是深部岩体受静荷载和冲击动荷载共同作用所致,其试验系统的研发是岩石力学界的难题之一。设计并研发冲击岩爆试验系统,并进行冲击岩爆试验。该试验系统设计16种简谐波,通过其组合叠加,可以实现对开挖爆破、顶板垮落、断层滑动等冲击扰动波的模拟。试验采用加载至三向不同应力状态下的带圆形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ1方向施加扰动波,σ2,σ3保持在恒定应力水平的加载方式,通过伺服控制系统,实时采集砂岩试样冲击岩爆过程中的力和位移数据,获得全过程三向应力–应变曲线。通过图像采集系统,实时拍摄砂岩冲击岩爆全过程,获得该类型岩爆过程剥离、弹射等特征现象。并进行类似的静力加载破坏试验,观察其破坏现象与冲击岩爆过程的差异。通过对巷道单元岩体动应力和能量的分析,建立冲击岩爆的动应力和能量判别方法。     

岩块尺度对摆型波传播影响研究

基于深部非连续自应力岩体介质的等级块系构造理论,研究块系岩体不同等级尺度对摆型波传播的影响。对冲击载荷作用下块系岩体介质动力模型进行求解得到各岩块的加速度响应。计算在相同的冲击能下,不同等级尺度块系岩体中,各岩块加速度及相应的频域特性包括频域曲线中心频率和中心频带宽度。通过比较得出,块系岩体等级越高,在冲击扰动下块体加速度衰减越快且衰减区域主要集中在初始端块体,同时相比于纵波和横波在块系岩体介质中传播的摆型波是一种低速波且块系岩体等级越高波速越低;块系岩体等级越高初始端岩块中心频率越大、中心频带宽度越宽,随着摆型波的传播块体中心频率向低频移动,中心频带宽度逐渐缩小表现出低频波的特性,且等级越高这种变化趋势越明显。借助于时域和频域内的分析结果和相应的测试技术,有助于反演岩体的破碎程度和节理的发育情况。     

动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟

煤矿生产中存在着大量的动力扰动,常导致采矿巷道和采场围岩局部失稳,诱发冲击矿压发生。在一定条件下,动力扰动可简化为平面应力波。针对片帮型冲击矿压,采用数值方法模拟应力波作用下巷道围岩层裂结构的形成过程,探讨巷道围岩层裂结构的形成与巷道埋深、岩体弹性模量及应力波强度、时程特性的关系,进而讨论“小进尺、弱爆破”可减小扰动应力波诱发冲击矿压的机制,得到一定地质条件下动力扰动诱发冲击矿压的条件。     

围压作用下岩石冲击破坏与变形特性试验研究

采用φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了不同应力状态的砂岩在冲击荷载作用下的力学性能,分析了不同围压水平下砂岩破坏的变形过程与破坏形态.结果表明:围压水平对砂岩的破坏形态有较大的影响.单轴作用下砂岩为脆性压碎破坏,在围压作用下砂岩的破坏形态同单轴作用下砂岩的破坏形态有较大不同,体现出明显的塑性屈服,...     

真三轴卸载–动力扰动下自然与饱水砂岩破坏特性试验研究EI北大核心CSCD

为探讨不同含水状态红砂岩试样在动静组合状态下的失稳破裂特征,采用QKX-YB200真三轴岩爆试验系统、声发射监测系统以及高速摄像仪对自然和饱水状态下的红砂岩立方体试样开展真三轴卸载–动力扰动试验。研究结果表明:在真三轴卸载–动力扰动条件下,自然状态砂岩破坏模式为张拉–剪切混合型破坏,而饱水状态砂岩的破坏模式为张拉型破坏,不同含水状态砂岩的裂纹扩展程度与初始轴向静应力和动力扰动频率密切相关;相比于饱水状态砂岩,自然状态砂岩试样在动力扰动阶段出现了不同程度的块片弹射和飞溅现象,体现为典型的应变型岩爆特征;轴向静应力以及动力扰动频率对于不同含水状态砂岩的力学响应特征具有显著的差异性,其对于自然状态砂岩的力学响应主要体现为岩样的破坏剧烈程度,而对于饱水状态砂岩的力学响应则主要体现为岩样的破碎程度;对含水砂岩试样建立了真三轴卸载–动力扰动下裂纹扩展模型,认为水楔效应、中间主应力效应以及开挖卸荷效应是诱发饱水砂岩产生张拉型破坏的本质原因;基于室内试验结果,从能量转化、力学、物理以及化学的角度初步揭示了真三轴卸载–动力扰动下水弱化岩爆机制。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

冲击性顶板运动及其应力演化特征的3DEC模拟研究

采用三维离散元程序建立煤层综放开采模型,研究综放工作面推进过程中采场、采空区上覆顶板岩层的冲击性运动形式和分段性垮落形态,记录并且分析采场动态推进过程中,采动围岩中岩层块体垂直应力、水平应力的动态演化特征。研究结果表明,采空区基本顶的运动形式、来压周期、来压强度与直接顶的垮落厚度有关;支架后方的直接顶挤压成拱缓冲了基本顶的来压冲击强度,同时也改变了其来压步距。随着工作面向跟踪块体方向的推进,块体垂向应力、水平应力存在高低应力分区,并且不断地波动,岩层应力峰值位置随着岩层高度的增加稍向煤壁前方移动。     

冲击性顶板运动及其应力演化特征的3DEC 模拟研究

 采用三维离散元程序建立煤层综放开采模型，研究综放工作面推进过程中采场、采空区上覆顶板岩层的冲击性运动形式和分段性垮落形态，记录并且分析采场动态推进过程中，采动围岩中岩层块体垂直应力、水平应力的动态演化特征。研究结果表明，采空区基本顶的运动形式、来压周期、来压强度与直接顶的垮落厚度有关；支架后方的直接顶挤压成拱缓冲了基本顶的来压冲击强度，同时也改变了其来压步距。随着工作面向跟踪块体方向的推进，块体垂向应力、水平应力存在高低应力分区，并且不断地波动，岩层应力峰值位置随着岩层高度的增加稍向煤壁前方移动。     

多滑面块体的分块极限平衡分析法

单面滑动块体存在2个及以上非临空面,双面滑动块体存在3个及以上非临空面,且这些非临空面的面上构成块体时,传统的块体理论在计算稳定系数时可能存在问题。基于此,提出分块极限平衡分析法,该方法沿非临空面交棱将块体进行分块,在忽略分块间的垂向剪力(即可考虑分块间的水平法向力和剪切力)前提下,通过满足各分块的垂向力平衡和滑动方向上的总体力平衡,求解特定滑动方向的稳定系数。然而,由于块体往往不对称,人为很难给定真实的滑动方向,与滑动方向垂直的水平方向上存在不平衡力。通过改变滑动方向(0°～360°),当不平衡力为0时,计算达到3个正交方向上的力平衡,并由此确定出块体实际的潜在滑动方向。此时的稳定系数为最小值或接近最小值,其含义类似潘家铮最大最小原理。该法可以很好地解决多滑面块体的稳定分析问题。通过考题验证,与传统块体理论进行对比,解释非对称双面滑动向单面滑动渐变过渡时稳定系数与滑动方向的连续变化。最后,通过实例对该法进行应用。     

岩石热冲击研究初探

在激光辐照砂岩和大理岩的试验中,在不超过5 mm深度可以测试到应力波作用,而超过8 mm的深度则基本为一种声波扰动。由于岩石试样加工困难,没有测试到岩样中的冲击波波形。基于此分析,初步形成分析岩石热冲击效应的分析方法,得到相应的温度场和压力场,初步分析结果与实验现象基本符合。须注意的是,岩石中热力耦合效应比应力波和冲击波慢得多,是一个较长时间的效应。     

轴向静载对红砂岩中应力波传播特性的影响试验研究

由于开挖卸荷效应以及原岩应力的复杂性,围岩体承受的静应力大小具有动态变化特点。为了研究静应力大小对岩石应力波传播的影响,利用动静组合加载试验装置,对红砂岩长试件进行小扰动的应力波传播试验,试件轴向静应力分别设置为13个等级。通过应力波传播速度和幅值随传播距离、传播时间以及静应力的衰减规律,研究不同静应力条件下应力波的传播衰减特性。结果表明,相同轴压下,不同测点处应力波形状基本相同;不同轴压下,相同测点处应力形状变化较大,轴压越大,应力波尾部出现的拉伸波越大。随着轴向静应力的增加,岩石纵波波速呈"快速增加–平缓发展–急剧减小"的趋势,轴向静应力与单轴抗压强度之比?s/?c=30%和?s/?c=55%是其2个应力分界点。相同轴压下,应力波幅值随传播距离及传播时间都具有良好的指数关系;随着轴压的增加,空间和时间响应强度逐渐减小,幅值空间衰减系数和时间衰减系数呈"快速减小–平稳发展–急剧增大"的趋势。随轴压增加,相同测点处幅值随轴压衰减系数??s先减小后增大,离冲击端越近测点处的??s变化越敏感。     

孔隙岩石的SHPB试验研究

利用分离式Hopkinson压杆装置测量砂岩的动态力学特性，分析冲击过程和砂岩能量耗散过程，进一步讨论孔隙率对人造岩能量耗散的影响。试验结果表明：利用。维应力波理论得到动载下砂岩的应力-应变关系曲线，有助于在数值模拟计算中选择合适的模型和参数；山于砂岩中存在大量的缺陷（微裂隙、空洞和孔隙等），故在冲击载荷作用下具有明显的压剪破坏形式：孔隙率对冲击载荷作用下岩石能量耗散起着重要作用；在冲击载荷作用下，随着岩石孔隙率的增加，岩石耗散的能量也增加。     

围压对砂岩动态冲击力学性能的影响

 利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析砂岩单轴动态抗压强度和比能量吸收值的应变率效应,围压状态下砂岩在冲击荷载循环作用下的力学特性以及累积比能量吸收值与入射能量、围压等参量之间的关系。研究结果表明,砂岩的动态杨氏模量与静态杨氏模量相比明显增加,两者比值达3.21～3.81;而当应变率为50～100 s－1时,动态杨氏模量随应变率有所增加,但变化不大。砂岩单轴动态压缩试验的比能量吸收值与应变率 呈线性关系,而单轴动态抗压强度增长因子 (即动态抗压强度)与 成线性关系。在围压状态下,砂岩具有明显的脆性–延性转化特征,其应力–应变曲线出现明显的屈服平台,呈近似的弹塑性特征。围压的加载作用对阻止试件产生剪切失稳的作用相当明显。随着冲击荷载循环作用次数的增加,试件的杨氏模量变小,屈服应力降低,屈服应变增加。砂岩的破坏形态随围压大小不同而发生变化,砂岩从轴向拉伸破坏形态向压剪破坏形态转变的临界围压值为10 MPa。在能量相同的入射波作用下,砂岩试件在低围压时比在高围压时的比能量吸收值大,且砂岩的比能量吸收值、入射波能量和围压三者具有良好的规律性,并得到比能量吸收值随入射波能量和围压变化的关系式。     

不同应力路径下砂岩能耗特征的研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围3种应力路径下的三轴试验,对比分析砂岩在这3种应力路径下的能量耗散规律,以及能量与围压、岩样变形之间的关系,从而提出不同应力路径下砂岩破坏点的确定方法。试验结果表明:在不同应力路径下岩石的变形破坏过程中都存在能量耗散与释放,能量的释放使得岩石发生破坏;卸围升轴和定轴卸围下砂岩的耗散能相对于定围升轴较小;耗散能和可释放弹性应变能主要受初始轴压和初始围压的影响,并且在不同变形阶段都有明显的围压效应。