高温作用后原煤、型煤力学及声发射特性对比试验研究

利用单轴压缩试验仪器与声发射检测系统对煤样进行单轴压缩声发射试验，分析温度对原煤、型煤力学及声发射特性的影响规律。结果表明：同一温度下，型煤的峰值强度大于原煤,随着试验温度的升高，原煤的峰值强度与损伤强度逐渐降低，峰值应变也随之减小；型煤的峰值强度逐渐增大，但高温处理后型煤的损伤强度较常温相比降低，两者损伤强度数值在应力-应变曲线拐点附近。通过分析煤样不同阶段的声发射特征，相同温度下原煤、型煤的力学与声发射特性相吻合。原煤加载初期声发射计数出现一段“空白期”，随着试验温度的升高，原煤最大振铃计数增大，200℃时达到最大值，型煤最大振铃计数先增大后减小，100℃时达到最大值；应力-时间曲线拐点附近，煤样声发射计数活跃，原煤激增现象明显，且高温处理后的煤样与常温煤样相比，拐点前移；原煤、型煤在加载过程中声发射信号的差异性间接表明了两者结构的差异，对比高温作用后两者力学及声发射特征规律上的不同，更加说明高温作用后原煤内部产生的热应力对结构破坏的剧烈程度。原煤、型煤高温处理后拐点的出现及附近声发射信号激增标志着煤岩内部裂纹大面积产生，据此可对矿井可能发生动力学灾害部位及时采取预防措施。     

高温-水冷作用下花岗岩巴西劈裂试验及启裂模式研究

在深部采矿、超深钻井、增强型地热系统(EGS)等工程中，高温岩体受冷水热冲击产生损伤，热损伤岩体的物理力学性质受到了广泛关注。通过对经200～800℃高温-水冷处理后的花岗岩圆盘进行巴西劈裂试验，发现高温-水冷作用使花岗岩体积膨胀、P波速度降低、抗拉强度减小。通过对圆盘加载过程中的表面应变场监测和声发射监测，发现高温处理会使花岗岩圆盘的启裂模式发生变化。较低温度(400℃以下)处理后圆盘为端部启裂，较高温度(600℃和800℃)处理后圆盘为中心启裂。热冲击导致花岗岩微裂纹增加，使巴西劈裂过程中的b值随处理温度升高而增大。     

加热预处理后煤样单轴压缩声发射特性研究

针对不同温度环境条件下煤岩层的综合开采问题,对不同温度加热预处理后的煤样进行单轴压缩声发射测试,研究不同温度条件对煤样力学特性的影响规律。结果表明,各组煤样通过不同温度的加热处理后,其累积声发射总数随着加压应力的增加而增加,当改变加热温度后,各组煤样所累积的声发射和所受破坏程度都出现较为明显的差异。煤样应力—应变全过程的压缩密集所用时间随着温度的升高而延长,煤样弹性模量和抗压强度在升温条件下的变化趋势为先增后减,当温度为120℃达到最大值;随着温度的升高,单轴压缩声发射频率的离散程度越大,当温度为70℃时,声发射振铃数与能量达到最大值。结果为研究温度对煤样作用机理的影响提供有效的依据。     

高温后花岗岩变形特性试验研究

采用YNS2000微机控制电液伺服试验机压剪试验、单轴压缩试验研究了不同温度高温作用后甘肃北山高放射核废料拟选区花岗岩力学特性变化规律。试验结果表明:(1)当高温温度低于400℃时,花岗岩黏聚力c、内摩擦角φ均随温度升高呈非线性增大趋势;温度超过400℃之后,花岗岩试样黏聚力c、内摩擦角φ均随温度升高呈非线性减小趋势;(2)当温度低于400℃时,声发射振铃主要集中在峰值荷载附近;当温度高于600℃时,峰前振铃数明显增加、峰值附近振铃数明显减小。     

热力耦合作用花岗岩细观破坏强度及声发射规律

利用SEM全数字液压高温疲劳实验系统开展花岗岩细观力学实验,采用多阈值分割法区分材料组成并构建细观数值模型,开展单轴拉伸条件下花岗岩热力耦合作用下的强度破坏特征与声发射规律研究。设计3种升温加载路径,路径Ⅰ:先升温到预定温度点后位移加载至破坏;路径Ⅱ:先加载到预定载荷点后升温至破坏;路径Ⅲ:以固定的载荷增量温度增量交替升温加载直至试件破坏。详细探讨了3种不同路径下声发射规律,在不同的温度强度区间,可分为3种类型。3种不同路径均表现为花岗岩的强度随温度的升高呈指数型衰减趋势,强度是温度的单值函数。细观模型中不同温度-载荷路径下的声发射特性主要取决于破坏时的温度和强度。     

干热岩高温力学特性及热冲击效应分析

在地热开发进程中,岩石所处温度的改变会导致其力学性质发生变化.通过开展实时高温下花岗岩试样的压缩实验,研究了温度对花岗岩力学强度的影响规律;分析了实时高温和热冲击条件下花岗岩物理力学性质的差异,并提出了热冲击损伤系数的概念,揭示了热冲击损伤破岩机理.结果表明:高温会弱化岩石抗压强度和弹性模量,在25～200℃之间,岩石抗压强度随温度增加逐渐降低,在200～300℃之间,抗压强度降低幅度较大,超过300℃以后,抗压强度平稳中略有降低,总体而言,随着温度的增加岩石弹性模量逐渐减小.热冲击弱化岩石力学强度比加热更剧烈,在200～400℃之间,由热冲击引起的损伤能使岩石抗压强度降低9.4％～15.0％,在500℃时的降幅可高达21.1％,因此,热冲击破坏力比一般的热应力要剧烈.通过引入热冲击系数,可在传统的统计损伤本构模型基础上建立热冲击损伤本构模型,揭示了岩石热冲击损伤破岩机理,热冲击对岩石裂纹的扩展、贯通和萌生具有明显促进作用,在实际工程中可通过该方法对干热岩储层进行改造,提高储层渗透性和取热效率.     

温度对岩石强度及损伤特性的影响研究

通过单轴压缩试验,对经历不同温度(25~1000℃)后大理岩的纵波波速、抗压强度、破坏形态以及损伤特性随温度的变化规律进行研究。试验结果表明：高温后大理岩破坏时,沿轴向存在多个劈裂面,主要体现为劈裂破坏的模式;单轴抗压强度在100℃和400℃时有2次强化作用,从800℃左右,抗压强度开始急剧下降直至1000℃时,基本失去了承载能力;随着加热温度的升高,大理岩试样的纵波波速近似线性下降,损伤因子近似线性增加,反映了大理岩经历高温作用后内部性质的变化;岩石是由不同矿物组成的多晶体,高温环境下各种矿物性质的变化,在一定程度上影响着岩石高温后的物理力学性质。     

砂岩单轴压缩破裂过程声发射特性颗粒流分析

通过室内砂岩单轴压缩声发射监测试验,结合颗粒流数值模拟分析,研究了单轴压缩条件下砂岩力学特性、声发射特征的演变过程。研究表明:砂岩声发射峰值强度和峰值应力呈现一定的滞后性;砂岩在单轴压缩初始阶段拉伸破坏事件和剪切破坏事件随机发生,继续加载则破坏事件具有一定的贯通方向性;宏观上看,试样表现出剪切破坏,在剪切面上下端发生部分拉伸破坏,试样部分剥落。此外,不同荷载阶段对应不同的声发射释放阶段,峰值强度后,声发射事件密集发生,且声发射累积数高于峰值强度前。离散元模拟试验结果与室内声发射试验结果基本一致,验证了颗粒流模型表征砂岩声发射特性的可靠性。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

高温冷却后花岗岩损伤演化规律研究

为了研究高温冷却后花岗岩损伤规律,通过对不同温度作用冷却后的花岗岩进行了单轴压缩试验,研究了花岗岩的力学特性,得到以下主要结论:(1)高温冷却后岩石的应力-应变曲线表现为脆性断裂特点,分为压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段4个阶段。(2)温度对岩石的力学性质影响存在2个温度阈值:在室温到第1温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而劣化;第1温度阈值范围到第2温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而逐步强化;超出第2温度阈值范围后再升温,岩石的力学性质呈劣化特征。(3)基于Weibull分布提出了损伤演化规律并推导了相应的本构方程,理论模型能部分反映岩石的力学特性。     

循环荷载条件下原煤力学性质及损伤演化规律

对原煤试样分别进行了常规加载和循环荷载条件下的单轴和三轴力学强度试验,借助声发射技术,系统研究了单轴循环荷载及三轴循环荷载条件下原煤的损伤演化规律并对比分析。常规循环荷载试验结果显示:从循环初始至结束,煤岩内部损伤过程具有明显的3阶段,即初始损伤阶段,微裂纹扩展萌生稳定增长阶段,裂纹贯通破坏阶段;定量分析了应变峰值、卸载刚度及损伤变量在循环荷载过程中的变化规律,单轴循环试验初始损伤阶段的损伤程度较大,第3阶段损伤变量变化显著;三轴循环试验损伤过程中第1阶段最显著,而在损伤第3阶段,煤样临近破坏时损伤变量略微升高,与单轴试验损伤变量显著增加的情况不同;循环应力上限处声发射现象最强烈,说明循环过程中应力上限时的内部损伤程度最大。分级循环荷载试验结果显示:分级荷载增加初期应变回滞环较密集,声发射现象显著,试样破坏时声发射计数最大;各级循环也具有损伤不同阶段特征,达到损伤稳定阶段的损伤变量近似值与均值压力呈指数型变化关系。     

温度对大理岩力学性能的影响

采用RMT-150C岩石力学试验系统开展不同温度作用（20、200和800 ℃）下大理岩的单轴、三轴试验及温度循环作用后大理岩的单轴压缩试验,系统地分析了大理岩在不同温度以及温度循环作用下的物理力学特性。试验结果表明：随着温度的升高,大理岩的变形特性表现为塑性变形明显、弹性模量降低、峰值应变增大。和常温下试件相比,加热到200 ℃后,试件的黏聚力提高,内摩擦角降低;加热到800 ℃后,试件的黏聚力降低,内摩擦角基本相同。在200 ℃循环作用下,随着作用次数的增加,大理岩试件的峰值强度、弹性模量均呈现出降低的趋势。随着温度的升高,大理岩的纵波波速发生不同程度的降低;与单次加温相比,随着循环加温次数增多,纵波波速降低,但是降低幅度很小。常温以及200 ℃温度作用下,试件的破坏基本为宏观单一断面的剪切破坏; 800 ℃高温作用下,部分试件产生了很多条破裂面;温度循环作用对岩石试件破裂形式没有显著影响。     

干热岩储层高温条件下岩石力学特性研究

为了更准确掌握高温条件下干热岩储层的岩石力学性质,进一步指导干热岩钻井施工,通过室内试验进行了实时高温条件下的巴西劈裂试验、剪切试验、单轴压缩试验。单一试验采用同一钻孔同一深度采取的岩样,通过高低温箱控制器设置温度和恒温时间,以恒位移速率0.1 mm/min对试样进行加载,减少岩石宏观力学性质的离散性和试验过程偏差对试验结果的不利影响。试验样品为山东省文登—荣成—威海地区LGZK1井采取的二长花岗岩,通过获得试样破坏时的最大荷载值和变形数据,计算其抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量等力学性质参数,分析实时高温条件下岩石内部破坏机理和岩石强度差异。研究结果表明,在200 ℃以内,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度升高、抗拉强度降低;随着温度的进一步升高,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度降低,而抗拉强度持续降低;储层岩体温度和应力的升高,将使岩石的硬度增加、塑性增强。这些认识可为高热流花岗岩岩石力学性质的进一步研究提供基本参数,为高热流花岗岩型干热岩资源勘探开发过程中碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定的控制等提供参考依据。     

原煤劈裂和单轴压缩破坏声发射特性实验研究

对劈裂和单轴压缩条件下原煤损伤破坏全过程的声发射特征规律进行了对比研究。研究表明,单轴压缩破坏时,加载初期声发射信号较少;在弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射信号呈剧烈增加趋势;声发射能量和声发射脉冲数在破坏阶段达到最大值。劈裂试验时,在裂纹的加速非线性弹性变形阶段开始产生声发射信号;声发射能量和脉冲数在破坏阶段达到最大值;但是与单轴压缩相比,劈裂试验下声发射信号出现较晚,声发射能量较低,脉冲数较大;未观察到与单轴压缩实验类似的"裂隙压密"阶段声发射脉冲数较高的现象。     

初始损伤下砂岩的破坏与声发射特性研究

为研究隧道爆破开挖过程中,围岩在循环冲击荷载作用下产生的损伤对隧道稳定性的影响,利用受损伤后的砂岩进行单轴压缩试验,并辅以声发射设备进行全程监控,研究不同损伤因子下砂岩的强度特征、声发射特性以及破坏模式。研究结果表明:岩石损伤因子大小与抗压强度呈现负相关特征,在已知未受损伤岩石的抗压强度下,通过损伤因子能预测损伤岩石的抗压强度的大小;损伤因子在0～0.3时,声发射事件数在应力峰值附近产生;损伤因子在0.3～0.7时,声发射事件数峰值提前于应力峰值产生;无初始损伤的砂岩在受压时内部新形成的损伤分布较均匀,而带有初始损伤的砂岩则主要沿已有的裂纹继续发育;随着损伤的加大,岩石破坏由劈裂破坏向剪切破坏转变。     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

应力速率对岩石声发射特征影响的试验研究

在刚性试验机上对花岗岩岩样进行单轴加载试验,在应力速率分别为20,30,40kN/min条件下对花岗岩受力变形过程中的力学特性和声发射特性进行了测试和分析。随应力速率的增大,花岗岩的抗压强度依次提高,应力速率越大,岩石的破坏越趋于剧烈;声发射活动伴随花岗岩单轴压缩破坏全过程,在压密阶段及弹性变形阶段,声发射活动不显著,声发射信号较少,而在应力水平达到岩样抗压强度的95%左右时,声发射参数出现剧增;应力速率为30kN/min时,声发射活动最剧烈,且破坏时的累积声发射数也最多。试验结果表明,应力速率对花岗岩的力学特性和声发射信号特性具有显著的影响。     

煤炭地下气化覆岩相似材料热损伤特性研究

为了开展煤炭地下气化三维相似模拟模型试验,对覆 岩相似材料热损伤特性开展试验研究。对覆岩相似材料在 不同温度下处理,并进行单轴压缩试验,研究分析其力学性 能及热损伤特性随温度的变化规律。得出结论:加热后各试 件的直径稍微增大,高度有增有减,质量和密度降低;高温处 理后的试件其应力 应变曲线通常经历孔 隙 压 实、弹 性 变 形、断裂和破坏4个阶段;试件的抗压强度随温度的升高而 降低,试件经过600℃处理后,粗砂岩相似试件的抗压强度 从1.61MPa降低到0.622 MPa,降低61.38%,弹性模量从 0.29GPa降至0.12GPa,降低59.4%;细砂岩相似试件的抗 压强度从1.34MPa降低到0.65 MPa,降低51.57%,弹性模 量从0.28GPa降至0.12GPa,降低56.7%;选择弹性模量来 定义损伤变 量,试 件 的 热 损 伤 演 化 在 100℃ 处 存 在 一 个 阈 值,在这个阈值之前,试件颗粒的热膨胀作用只是用来填充 试件本身存在的孔隙裂隙,只有当试件在温度作用下将其内 部的孔隙裂隙完全闭合后,损伤才显露出来。     

花岗岩循环加热水冷却后力学特征试验研究

为研究花岗岩在循环加热和水冷却条件下的力学特性,将试样加热至预设温度后进行快速水冷却,采用单轴压缩试验和巴西劈裂试验研究了温度及加热水冷却循环次数对花岗岩试样的力学特性影响规律,并对试样破坏机制进行了探讨。研究结果表明:试样的基本力学参数均随温度的升高和循环次数的增加呈劣化趋势,其中温度对试样的劣化程度起控制作用;随温度和循环次数的增加,试样由脆性特征向塑性特征转化,其破坏形式由劈裂破坏向片状和颗粒剥落转化,试样颜色由灰白色向淡黄色转变。