不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究

为研究瓦斯抽采钻孔的静态加载速率效应,以含预制贯穿孔试样为实验对象,开展不同加载速率的单轴压缩试验并采用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律.结果表明:加载速率的变化对含孔试样力学特性有较大影响:随加载速率增大,抗压强度、起裂应力水平和变形能密度均逐渐增加但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小的趋势.加载过程中拉伸裂纹尖端的几何形状不断改变,拉应力强度因子KΙ减小,拉伸裂纹经历"扩展-闭合-扩展",拉伸裂纹长度与加载速率呈现较强的指数函数关系,加载速率为0.5 mm/min时,拉伸长度达到最大为43.16 mm.含孔试样的破坏模式单一,呈中心对称;加载速率较小时,远场裂纹起裂位置距边缘较近,宏观裂纹以剪切破坏为主;加载速率较大时,宏观裂纹以拉伸破坏占主导地位,远场裂纹起裂位置距边缘较远.研究结果为揭示瓦斯抽采钻孔失稳的力学响应规律并阐述其演化过程提供一定的理论指导.     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究

天然岩石含多种原生缺陷,受工程扰动影响易促使载荷速率发生变化,为确保岩体工程的稳定性,需对加载速率及裂隙影响下的岩石力学特性进行研究。以均质细砂岩试样为研究对象,试样中央预制0°～90°贯通裂隙,通过单轴压缩试验和声发射试验研究加载速率影响下的裂隙砂岩力学性质变化规律。结果表明:相同裂隙倾角下,试样的抗压强度、峰值应变以及弹性模量均与加载速率呈正相关关系;加载速率对岩石力学性质的强化效应具有区间性,低数量级时加载速率的作用程度明显高于高数量级时。砂岩试样的力学性质受控于裂隙倾角α,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减小,并在α=15°时达到最低值。声发射计数特征能够准确反映砂岩试样的破坏过程,岩石加载过程中,声发射计数经历"剧烈-平静-剧烈"的过程,且随着加载速率的增加,加载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声发射事件数降低。     

不同加载速率下煤体强度与破碎特征实验研究

通过AG-Ⅰ250 kN万能实验机对滇东矿区煤体试件进行单轴压缩实验,探讨了突出危险煤体在不同荷载速率环境下的强度特性与破碎特征。结果表明：煤体应力—应变曲线经历线弹性、塑性、峰后破坏3个阶段,弹性特征随加载速率的增加愈发明显;随着加载速率的增加,煤体峰值应变增大,弹性模量与加载速率呈线性关系;煤体在单轴压缩条件下的破坏形式多表现为脆性破坏,随着加载速率的增加,破碎煤样的折算直径减小,新增表面积增大,整体破碎程度随加载速率的增加而增大,与宏观煤体破坏剧烈程度吻合;不同加载速率下煤体强度特征符合Coulomb准则,峰值强度与达到破坏时间与加载速率呈线性关系。     

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。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

砂岩变形率与水理效应的力学特性研究

通过不同变形加载速率下干燥和饱水岩样的单轴压缩试验,研究了砂岩抗压强度、 弹性模量、峰后应变和声发射特性的变形率效应和水理效应,定义力学参数的强化和弱化 因子,建立考虑砂岩变形率和水理效应的一维本构模型并进行验证。 结果表明:① 干燥砂 岩的应力-应变曲线包括弹性、弱塑性和破裂三个阶段,饱水砂岩则出现较长压实阶段,同 时弹性阶段缩短,塑性阶段增长。 ② 加载速率对干燥和饱水砂岩的抗压强度均具有强化作 用,抗压强度的率效应强化因子随加载速率的增大而增大;水对砂岩抗压强度具有弱化作 用,且水理效应弱化因子随加载速率的增大而增大;随着加载速率的增大,干燥和饱水砂岩 抗压强度的差值逐渐减小。 ③ 加载速率对干燥和饱水砂岩的弹性模量均具有强化作用,且 随加载速率呈线性增大趋势;水对砂岩弹性模量具有弱化作用,不同加载速率下砂岩弹模 的弱化因子变化不大。 ④ 加载速率对砂岩峰后应变的影响较小,饱水砂岩的峰后应变远大 于干燥砂岩,峰后应变的水理强化因子对加载速率不敏感。 ⑤ 砂岩的声发射信号随着加载 速率的增大而增多;相对于干燥砂岩,饱水砂岩的声发射能量累积速度明显推迟,但能量累 积的总量增大3~5 倍。     

饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

为探究煤层注水防冲解危后,工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响,开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验,探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA值与AF值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应,揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明：随加载速率增大,干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大,加载速率0.01 mm/s为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏,最大声发射能量值先减小后增大,在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大,在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡,临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大,饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小,大粒径煤屑质量占比增大;干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小,拟合曲线满足幂函数规律,且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大,干燥及饱和煤样的KE均存在先减小后增大的规律,在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用...     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°α90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

狭窄煤柱岩爆的影响因素分析

将顶板视为中点有支承的弹性固结梁,将煤柱视为支座,形成了顶板-煤柱系统。在煤岩体本构关系中考虑应变梯度的影响,得到了煤柱的失稳判据,进而分析了煤柱岩爆的影响因素。分析表明,顶板的跨径、顶板的抗弯刚度、煤柱的尺寸、煤柱的脆性、煤岩材料的均匀性和矿物颗粒的大小是煤柱岩爆的重要影响因素。     

低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较少。锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从0.001～0.100 mm/s等5种低应变率加载速度工况下的单轴压缩试验。试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹。进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传递不能发挥作用。研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广"锚支卸"联合防冲支护措施。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

复合煤岩受载破裂内部红外辐射温度变化规律

对由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩体受载破裂内部的红外辐射温度的变化规律进行研究。分别在试样砂岩、煤样的中部不同方向钻孔,利用红外测温仪测量试样内部温度来研究其受载变形直至孔破裂过程中的红外辐射温度的演化特征。结果表明：复合煤岩在加载试验过程中均存在热弹效应和摩擦热效应。煤体裂隙面之间错动和摩擦产生的热量明显大于热弹效应产生的热量,导致内部温度上升0.17 ℃;而顶、底板砂岩的热弹效应起主导作用,温度升高分别为0.04,0.05 ℃。煤、顶底板砂岩的内部红外辐射温度和应变、应力和温度线性拟合后均呈较强线性正相关关系。     

胶结充填采场顶板承载特性及煤柱稳定性分析

为研究连采连充式胶结充填采场顶板承载特性及煤柱稳定性,基于FLAC3D建立数值模型,分析了顶板交替承载特性,研究了顶板主次承载结构的转换规律,揭示了煤柱应力释放及变形规律。基于煤柱两侧约束条件的差异性,建立了煤柱应力分布的力学模型,得到了应力集中系数、临时支护强度、埋深等因素对煤柱极限承载宽度的影响规律。通过煤柱与充填体协同承载的数值模拟,揭示了充填体宽度对煤柱承载特性的影响规律。结果表明:采场顶板承载结构随工作面推进而变换,且在煤柱与充填体协同承载阶段,煤柱为主要承载结构,随煤柱的逐步采出,充填体逐步过渡为主要承载结构;煤柱应力平衡区宽度与临时支护强度呈反比,且与工作面埋深和应力集中系数呈正比,提高临时支护强度,能显著降低临空面破碎区范围,减小极限平衡宽度;增加充填体宽度可保障煤柱稳定。在昊源煤矿中,通过提高充填体强度与充填率,提高充填体对煤柱的约束效应,有效保障了煤柱稳定性,为类似条件下煤柱变形控制提供参考。     

动静组合加载含水煤样的力学特征及细观力学分析

为分析含水煤样在动静组合加载下的力学性质,利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验。结果表明:静载加载,煤样的应力-应变关系形态与动静组合加载应力-应变关系形态明显不同,煤样的峰值强度、弹性模量随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d煤样抗压强度软化系数分别为0.66和0.52;动静组合加载,煤样动态峰值强度随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d抗压强度软化系数分别为0.65和0.60,动态弹性模量却逐渐升高,提高系数分别为1.15和1.37,与饱水砂岩试验结果相比不同;动静组合加载煤样随饱水时间增加煤样破坏颗粒度逐渐减小,水对煤样动态破坏影响较显著;基于翼形裂纹受压扩展原理,推导出动静组合加载下饱水煤样动态强度计算公式;煤样动态强度比静态强度试验结果提高10%~30%,表明动静组合加载下煤样的变形、强度特征与煤样自身结构、含水状态和加载方式多重因素有关。     

长边两侧采空(煤柱)弹性基础边界基本顶薄板初次破断

建立长边两侧采空(煤柱)与短边两侧弹性基础边界基本顶板结构力学模型,根据薄板主弯矩破断准则并结合偏微分方程有限差分算法计算研究了基本顶破断的影响因素及权重关系。得到:① c1与c2煤柱的支撑系数 kc1, kc2及宽度 Lc1, Lc2不仅显著影响基本顶在两侧煤柱区的主弯矩大小及位置且显著影响短边区及中部区主弯矩大小及位置;② 基本顶的弹性模量E与厚度h越大,短边实体区及两侧煤柱区的基本顶断裂线深入煤体距离越大;Lc1,Lc2越大,kc1,kc2越小,煤柱区断裂线深入煤柱距离越大;③ Lc1,kc1,Lc2及kc2较小而E,h较大时,基本顶在c1与c2煤柱区均不断裂,最终断裂形态为非对称“||-X”型;④ Lc2及kc2较大而h,E,Lc1及kc1较小时,基本顶在c1煤柱区(较弱煤柱)不断裂而在c2煤柱区(较强煤柱)会断裂,最终断裂形态为非对称“C-X”型;⑤两侧煤柱支撑系数及宽度均较大而E,h较小时,断裂形态为非对称横“O-X”型;⑥ k,kc1,kc2,E及h均改变而比值k/(Eh3)不变时（其中,比值k/kc1与比值k/kc2也不变）,主弯矩大小不变且初次破断位置不变。     

一侧采空(煤柱)弹性基础边界基本顶薄板初次破断

建立长壁工作面,一侧采空(煤柱)、三边弹性基础边界基本顶薄板结构力学模型,运用有限差分法计算并研究了基本顶主弯矩分布特征及破断规律。得到:基本顶的起始破断位置为长边偏煤柱侧深入煤壁上表面(基本顶的弹性模量E、厚度h较小,弹性基础系数k较大时)或中部偏煤柱侧下表面(E,h较大,k较小时);煤柱的宽度Lm及支撑系数k_m变化时基本顶长边区,实体煤侧短边区以及中部区的主弯矩极值几乎不改变,但是煤柱区基本顶主弯矩极值变化显著、即显著影响煤柱侧基本顶的破断形式及基本顶整体的破断形态;由于考虑煤柱支撑的作用,当h,E较小,L_m,k_m较大时,基本顶深入煤柱区的上表面会发生破断,此种条件下基本顶的破断顺序为:长边深入煤壁上表面→中部下表面或实体煤侧短边深入煤壁上表面→煤柱区上表面,最终破断形态为非对称"O-X"型;h,E较大,L_m,k_m较小时煤柱区基本顶的上表面不破断,此种条件下基本顶的破断顺序为:中部下表面→长边深入煤壁上表面→实体煤侧短边深入煤壁上表面,最终破断形态为"U-X"型。     

煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

我国深部开采过程中,围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究,是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明：砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强,这种依赖性在较高加载速率时更加显著;砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段;随着加载速率的升高,试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存,碎块平均体积逐渐减小,破坏程度逐渐提高;试验过程中,试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加,并且其占输入能量的比例逐渐提高,即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。     

循环载荷下煤样能量转化与碎块分布特征

煤矿开采中煤体常处于反复加卸载过程,研究煤体在不同加载速率重复载荷作用下的能量转化与破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。利用MTS815.03伺服实验系统,通过单轴循环加卸载试验,结合能量和分形理论,获得了不同加载速率下煤样变形破坏各阶段能量积聚、耗散和释放的转化机制及其与煤样碎块块度分布规律的内在关系,为开展重复载荷作用下煤岩破裂响应及破坏机制的研究提供依据。试验结果表明:煤样能量转化具有明显的阶段性特征,可分为能量初始积累阶段、能量加速积累阶段和能量快速耗散阶段。煤样破坏前耗散能所占比例经历了高—低—高的过程,而弹性能则相反,加载后期弹性能比例下降或耗散能比例的升高,预示着煤样进入加速破坏阶段;能量集聚和释放与加载速率密切相关,随着加载速率的增大,峰值前弹性能所占比例逐渐增加,煤样破坏前更多的能量以弹性能形式储存在煤样体内,岩石破坏后,更多的能量被释放出来,煤样破坏越剧烈,其宏观破坏形态由剪切张拉和劈裂破坏向弹射破坏过渡;循环加卸载下煤样碎块分形特征具有明显的分段性,在小于尺寸阈值范围内具有较好的自相似性特征,不同加载速率下碎块分形维数为2～3,且随加载速率的增加成线性增长;加载速率越大碎块分形维数越大,煤样破碎程度越高,大块碎块所占比例越小,煤样碎块越破碎且单块碎块质量越小,煤样发生动力灾害的危险性越大。