冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。     

冲击载荷下煤样动态拉伸劈裂能量耗散特征实验

为研究煤样动态拉伸变形破坏过程中的能量耗散规律,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度、层理倾角及饱和含水对煤样总吸收能密度、总耗散能密度和损伤变量的影响;同时将煤样破碎后产生粒径为0~0.2 mm和0.2~5 mm的碎屑进行收集,并对不同尺寸碎屑的分布特征进行了对比分析。研究表明:同一层理倾角的自然煤样损伤变量随着冲击速度的增加呈近似线性增加,饱水煤样损伤变量整体随冲击速度增大呈指数函数增加;相比于自然煤样,饱水煤样粒径为0~0.2 mm的碎屑量减少了14.1%~31.3%,粒径为0.2~5 mm的碎屑量减少了33.7%~53.0%;但当层理倾角为45°时,饱水煤样碎屑量质量百分比反而比自然煤样要大。     

煤矿地下水库储水浸泡对煤柱坝体强度影响的试验研究

为了研究煤矿地下水库储水浸泡作用对于煤柱坝体强度参数的影响,取李家壕煤矿现场煤样为试样,浸泡不同的时间,进行单轴压缩以及巴西劈裂实验,试验结果表明:随着浸水时间的增加煤样单向抗压强度、单向抗拉强度均有所下降,但并未出现规律性递减趋势,而弹性模量波动范围较小,基本不受影响;由于煤样有层理面的存在,煤样的力学性质明显地表现为各向异性。煤样层理垂直于其轴向时,其单轴抗压强度约为煤样层理平行于轴向时抗压强度的2~4倍;而对于单轴抗拉强度,煤样层理垂直于轴向时其值最大,其次为煤样层理平行于轴向且加载方向垂直于层理条件,最小为煤样层理平行于轴向且加载方向平行于层理条件。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

岩石劈裂实验声发射的特性研究

对云南南坡铜矿三种砂岩进行了巴西劈裂和单轴压缩条件下的声发射特性试验。结果表明,不同种类岩石的声发射特性差别较大。劈裂条件下,三种岩石试件的抗拉强度之比为1∶0.82∶0.52;累计AE事件数之比为1∶0.61∶0.80;累计能量之比为1∶0.52∶0.87。尤其是层理明显的第一组和第二组岩石,压缩条件下,沿垂直层理方向加载的声发射活动要比沿平行层理方向加载时强的多;劈裂条件下,沿垂直层理方向加载时的累计声发射数比沿平行层理方向加载时多,而累计能量的结果正好相反。同时压缩条件下的累计声发射数和累计能量远大于劈裂条件下的情况。多数劈裂试件在垂直层理加载时,破坏前有一段声发射活动和能量相对较少的平静期;但平行层理加载时并不明显。     

含层理面煤试样的巴西圆盘劈裂实验及数值模拟研究

对含层理的煤岩试样进行巴西圆盘劈裂实验和有限元法-离散元法(FDEM)数值模拟, 结果表明层理角度对劈裂破坏模式和抗拉强度有明显影响。 随着层理角度不断增大,可将劈裂 破坏模式划分为4类:垂直层理面的张拉破坏;折线形张拉-剪切复合型破坏;沿层理面的剪切破 坏;沿层理面的张拉破坏。 对抗拉强度值进行分析可知:当垂直于层理面加载时,层理角度影响 最小,抗拉强度等同于煤试样基质的抗拉强度;随着层理角度增大,抗拉强度逐渐减小;平行于层 理方向加载时,抗拉强度最小。 此外,从能量角度分析可知:随着层理角度增大,试样破坏所耗散 的能量越来越少,破坏越容易。     

不同劈裂角度下煤岩抗拉强度理论计算与试验研究

煤岩割理系统发育,采用巴西劈裂试验测定煤岩抗拉强度时,由于加载方向和面、端割理所呈夹角不同,试验结果离散性较强,无法准确描述煤岩真实的抗拉强度。假设面、端割理相互垂直,基于平面应力弹性力学,推导了割理倾角与煤岩抗拉强度的关系,依此确定了巴西劈裂试验不同劈裂角度下的煤样破坏方式,通过试验对理论计算结果进行验证,两者趋势吻合较好。研究表明:由于煤岩内部割理的存在,煤样不仅会沿加载轴线发生劈裂破坏,当加载方向与割理呈一定角度时,煤样也可能沿着面割理或端割理发生剪切破坏,煤样沿面割理剪切破坏的强度小于沿端割理剪切破坏的强度,二者均小于沿加载轴线劈裂的煤岩真实抗拉强度。     

三种岩石的动态平台巴西圆盘试验分析

为研究应变率对岩石材料的动态拉伸特性影响,利用直径50 mm SHPB试验装置,以递增的子弹速度冲击花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩3种岩石试样,进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,分析不同应变率下,3种岩石的破坏时间、拉伸敏感系数、动态弹性模量和破坏形态的变化规律。试验结果表明:3种岩石的破坏时间、拉伸敏感系数和动态弹性模量随应变率变化的趋势基本一致;3种岩石均沿加载直径方向由中心起裂且加载端部的三角区出现粉碎区。     

层理角度对硬煤冲击倾向性影响的实验研究

冲击倾向性是煤矿井下发生冲击灾害的内在原因,层理角度对其有重要影响。为探究层理角度对煤样冲击倾向性影响,制备不同层理角度标准煤样,并测试其超声波速,利用GCTS RTR-4600高温高压岩石力学试验系统测定力学参数,计算各项冲击倾向指标,收集碎屑进行断口形态扫描电镜细观分析。研究表明:1)层理面与加载方向夹角对煤样力学参量影响显著,宏观破坏模式及细观断裂特征存在强烈层理效应;2)当层理面与加载方向夹角为90°时煤样冲击倾向性最强,0°时次之,45°时最弱;3)煤样声学特征各向异性明显,轴向垂直层理煤样波速比轴向斜交层理煤样高15.1%;4)同一层理煤样超声波速与弹性模量、单轴强度、冲击能量指数及冲击能量速度指数正相关,且线性拟合优度良好,为煤岩冲击倾向无损检测提供新思路。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

基于间接拉伸试验的煤岩层理效应研究

采用多种先进的宏细观测试手段,探究煤的层理构造和矿物分布。进行加载方向与煤岩层理面平行和垂直的间接拉伸以及实时声发射(AE)试验,分析了煤的破坏机理、拉伸力学特性以及在拉伸过程中声发射时空序列特征和损伤变量演化的层理效应。研究表明:方解石矿物主要沿煤层理面分布,对裂隙的萌生和发展起着关键作用;加载方向平行和垂直于层理面煤岩的抗拉强度分别为0.706和1.039 MPa;平行组试样声发射活动的整体水平弱于垂直组,但平行组试样AE事件在破坏前短期内激增,总能量释放少,破坏突然,主裂纹沿层理面发展,垂直组试样的AE信号在低应力水平出现,AE振铃计数率和能率均强于平行组,空间定位点有明显的成核区域;垂直组和平行组损伤变量D值变化曲线分别呈现出阶梯式和两段式特征,具有明显差异,基于AE能量计算的岩石损伤状态更加符合实际。     

无烟煤在冲击载荷下破坏模式与强度特性

大直径单轴分离式霍普金森压杆试验表明：无烟煤在冲击载荷作用下,存在一个门槛速度4.3 m/s。这个门槛值为提高无烟煤块率,进行生产系统、储运系统改造优化等方面提供了可参考数量依据。根据试验曲线的特征,无烟煤具有显著的应变软化和应变硬化特征,初始弹性模量、屈服强度与极限强度都随着应变率的增加而提高,屈服强度最为显著。无烟煤在冲击载荷作用下破坏分为4种类型：压剪破坏、拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏,并以拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏为主要破坏形式。     

三点弯曲条件下不同层理面强度对裂纹扩展过程的影响

煤矿、页岩气开采等工程均涉及到层状岩体力学问题,层状岩体的裂纹破裂模式直接决定了工程施工稳定性及能源高效开发利用。为了揭示层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响,利用ABAQUS模拟软件,通过全局嵌入0厚度cohesive单元的方法,创建了与最大主应力方向垂直的层理面,并且基于页岩XRD矿物成份分析结果,利用Python语言对软件进行二次开发,实现了页岩的层理各向异性与矿物颗粒非均质性。通过控制层理面的强度参数,研究了在三点弯曲条件下,层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响。通过MATLAB编程处理模拟结果,实现了加载过程中的声发射(AE)模拟,根据声发射定位图和声发射能量数据,进一步分析了裂纹破裂类型及动态扩展过程。结果表明:层理面抑制了裂纹沿着最大主应力方向扩展,层理面强度越弱抑制效果越强;层理面强度较弱时,裂纹先从层理界面处起裂,产生顺层横向裂纹,阻隔应力波的传递,导致预制裂纹尖端应力场波及范围变小应力集中程度变强;层理面的存在导致裂纹扩展路径复杂,穿层破裂与顺层破裂交替出现,裂纹表现为断续位错式的破裂特征,层理面强度与最大主应力共同决定了裂纹路径;穿层破裂主要沿着最大主应力方向产生,表现为拉张破裂类型,顺层水平迁移裂纹表现为剪切破裂类型;层理面强度越弱,克服顺层破裂所需能量越大,峰值载荷越大;层理面强度与声发射事件数呈负相关性,层理面越弱声发射事件数越多,拉张、剪切破裂越多,顺层裂纹长度越长。     

单向扰动加载触发煤体冲击破坏特性试验研究

运用MTS-C64. 106型压力机开展纯煤试件的单轴动静组合加载试验。结合PIC-2声发射卡和高速摄像机的监测结果,分析了单向扰动加载下煤体的力学、冲击性能、声发射特征、动态破坏特征、碎片分形特征。结果表明,扰动加载应变率增大,煤体强度呈对数增加;冲击性能增强;扰动能量输入速率、声发射振铃计数、撞击数呈现"缓增—急增—突增"的转变,试件破裂形式经历"剪切破裂—竖向劈裂—爆裂"的转变;碎片质量分维与动载应变率呈二次方关系,存在动载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示的应变率极值为2. 8×10~(-3)s~(-1)。     

加载速率对煤岩抗拉强度参数影响程度研究

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。采用室内实验方法,对煤岩进行不同加载速率下抗拉强度的影响程度研究。结果表明,加载速率的变化影响煤岩的抗拉强度及破坏模式,煤岩抗拉强度较低,具有低强度高脆性的特征,且受加载速率影响很大。加载速率较低会造成煤岩破坏过程沿着内部缺陷、天然裂隙破碎,有明显的延性特征。而加载速率较高时,拉伸破坏过程伴随煤粉的产生,呈明显的脆性破坏特征。该结论对分析煤岩受拉破坏条件及煤层气开发工程具有参考意义。     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

一维动静组合加载下多角度耦合充填体力学特性研究

为探讨爆破扰动作用下充填矿柱的失稳破坏模式及动力学特性,以尾砂胶结充填体为研究对象,选取3个轴压水平,开展不同传递路径、应变率下SHPB冲击试验。研究表明：①相同轴压下,充填体动态抗压强度随应变率增大而增大,相近应变率下,充填体动态抗压强度随所施轴压梯度的增大呈现出先增大后减小趋势,当轴压为静载强度40%时达到最大动态抗压强度;②动静组合加载下充填体应力—应变曲线主要分为弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段,弹性模量随轴压的增大呈先增大后减小趋势;③轴压作用下,充填体破坏模式为剪切破坏,冲击波经不同传递路径或不同角度传递至充填体时,破坏模式仍为剪切破坏,无轴压作用时,充填体破坏模式为劈裂拉伸破坏。④利用ANSYS/LS-DYNA模拟动静组合加载下充填体冲击过程,得到冲击波直接或经花岗岩间接作用于充填体时,最大应力峰值出现时刻基本相同,应力大小差异较大,在充填体内应力波衰减量为20%,经花岗岩间接作用于充填体时应力波衰减量为29%。