爆炸荷载作用下共线不等长双裂纹拓展规律研究

为研究爆破应力波作用下裂隙岩体破坏规律,基于经典Kachanov法,推导共线不等长裂纹尖端静态应力强度因子,结合断裂力学原理得出动载荷作用下耦合应力强度因子与比例系数的关系,并通过模型试验对不同应力波入射角、不同裂纹长度、不同裂纹间距等情况进行验证。试验结果表明,应力波入射角、共线裂纹长度及裂纹间距是影响裂纹拓展的重要因素;裂尖起裂角随应力波入射角的不同而变化;端部比例系数与裂纹拓展长度变化趋势相同;次裂纹长度越大、裂纹间距越小,裂尖拓展长度越长;当间距大于1.2倍次裂纹长度,不再影响裂尖拓展。     

高瓦斯煤层干胀致裂增透技术试验研究

瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理的关键,煤层结构改造是瓦斯抽采的核心问题,干胀致裂是实现煤层结构改造的有效途径。本文提出一种煤层干胀致裂增透技术,利用自制的干胀致裂试验系统,采用低密度泡沫混凝土相似材料来模拟煤岩体,开展了干胀致裂物理试验,得到了有围压、无围压两种条件下煤岩体相似材料的致裂规律和致裂效果。结果表明:无围压条件下,混凝土试件的起裂压力为2.04～3.17MPa,且呈径向拉伸破坏,大致呈现两种裂纹形态,一种是以膨胀管为中心产生两条对称的贯穿裂纹;另一种是以膨胀管为中心产生3条夹角约为120°的裂纹,致裂时间为10～40s。有围压条件下,混凝土试件破坏程度增大。起裂压力为4.50～6.78MPa,产生了3条主裂纹和8～14条次生裂纹,致裂时间30～400s。主裂纹大致沿最大主应力方向扩展,试件开裂形成宏观裂纹后,增大致裂压力,可以进一步促进次生裂纹发育。煤层干胀致裂技术,其致裂能量集中,加载类型多样,裂隙发育充分,煤层结构得到有效改造,可为煤层结构改造提供一种新的技术与理论支撑。     

低渗透岩石水力压力裂纹扩展的CT扫描

针对深部低渗透储集层水力压裂裂缝扩展问题,利用现场采集的深部低渗透岩芯样本开展了水力压裂模型试验,利用CT扫描技术和自行开发的三维重构算法,提取并分析了三轴应力和水压力作用下,低渗透岩石水力压裂裂纹的扩展与空间展布规律,探讨了不同岩性、地层应力对裂纹扩展与空间形态的影响。研究表明：岩性、水平应力比对裂纹起裂压力以及裂纹形态有显著的影响。起裂压力均比围压应力大;在最小水平应力相近的情况下,初始应力比越大,裂纹扩展越明显,起裂压力越小;岩石破裂时出现了一条与最大水平应力平行的主裂纹,伴随着明显的中断、扭曲和分叉现象。     

不同尺寸含裂缝岩样动态破坏特征的实验研究

为研究不同尺寸含预制裂缝岩样遭受动态冲击过程中的变形和破坏特征,采用直径分别为50,100,150,200 mm的中心直裂缝巴西圆盘(CSTBD)试件,在压杆直径100 mm的SHPB系统上对试件进行相同速度下的径向动态冲击实验,结合应变片和数字图像相关监测系统(DIC)对圆盘2个平面的应变和位移的变化进行了监测,分析了加载过程中压杆上的波形、圆盘试件两端的应变、裂纹的起裂时间和圆盘表面的位移场等.研究表明:加载过程中试件两端的变形存在差异,预制裂缝前后裂尖起裂时间不一致,且这些差异随着圆盘直径的增大而增大;尺寸较小的试样更容易实现应力平衡,试件尺寸越大,应力平衡性越差.试件的破坏主要由拉应变引起,且预制裂缝的裂尖先于试件端部起裂,试件起裂之前的孕育时间、主裂纹的扩展时间与试件尺寸正相关.     

动静载荷下巷道围岩裂纹扩展规律的试验研究

为了研究动静载荷耦合作用下巷道围岩裂纹的扩展规律,将PMMA材料加工成含有单裂纹的试件,利用爆炸加载动态焦散线测试系统进行了巷道围岩裂纹扩展规律的试验.研究表明,预制裂纹的扩展位移、试件损伤度以及试验围压之间存在密切联系:扩展位移与试件损伤度呈负相关的关系;损伤度随围压的增大呈现先增大后减小的变化规律;不同围压条件下,预制裂纹在等量爆炸载荷作用下均出现扩展和止裂交替变化的现象,但预制裂纹扩展位移随着围压的增大呈先减小后增大的变化规律,在0MPa围压下扩展位移有最大值30.84mm,在0.4MPa时扩展位移有最小值10.98mm.裂纹端部扩展速度与能量释放率关系较为密切:能量释放率增大时,扩展速度会相应增大;预制裂纹扩展速度减小后,受应力波影响,裂纹端部积累能量,能量释放率又会相应增大.     

煤矿岩巷爆破掘进过程中周边眼对裂纹扩展止裂机理

周边眼在岩巷光面爆破中可以使巷道表面相对光滑完整,同时它对岩体内原生裂纹或爆生裂纹的扩展可能起到止裂的作用。为探究周边眼的止裂作用机理,针对爆破开挖过程中不同间距周边眼对原生裂纹扩展的止裂问题进行了实验及数值模拟研究。实验采用带中心装药孔、预制裂纹(原生裂纹)及两个简化周边眼的有机玻璃圆形试件,观测原生裂纹在周边孔止裂作用下的起裂-扩展-止裂效果。采用AUTODYN软件进行了数值模拟研究,岩石采用线性状态方程(EOS),强度模型为Elastic,失效准则为最大拉应力准则(MMTS),并在扩展路径附近设置观测点,以观测这些点的应力随周边眼间距变化的规律。通过实验及数值模拟结果分析得出:(1)在两周边眼间会产生与裂纹扩展方向垂直的压应力,对裂纹扩展的确能够起到止裂作用;(2)不同的周边眼间距,在周边眼间产生的压应力不同,导致不同的止裂效果;(3)周边眼间距越小,产生的压应力越大,对裂纹扩展的止裂效果越好。     

深孔顶板预裂爆破与定向水压致裂防冲适用性对比分析

针对厚硬顶板条件下冲击地压防治技术选择的难题,围绕深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂防冲原理、现场应用类型及主要影响因素进行了系统分析,并对二者在同一工况条件下的防冲效果和工程施工效率进行了对比.研究表明:深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂都是以破坏顶板完整性,使其不具备积聚弹性变形能为目的,实现冲击地压的防控.在相同布孔方式下,爆孔间距越小,爆破应力波产生的mises有效应力作用范围越集中,能量衰减速度越慢,岩石破碎塑性区以及裂隙区扩展范围越大,爆破预裂效果越好.在等围压条件下,随着预制裂缝角度的增加,压裂孔裂纹失稳扩展压力表现为先增大后减小的趋势;随着预制裂缝长度的增加,压裂孔起裂压力和裂纹失稳扩展压力均逐渐减小;随着天然裂隙夹角的增大,爆孔预制裂缝起裂压力变化不大,裂纹失稳扩展压力呈现先降低后升高变化趋势.当工作面在顶板定向水压治理区域推采期间,微震事件明显减弱,回风平巷围岩应力显著降低,巷道变形量也明显减小.同时,深孔顶板定向水压致裂在顶板控制效果、现场施工效率、工程量、限制条件以及施工安全性等方面,均优于深孔顶板预裂爆破技术,但深孔顶板预裂爆破技术具有组织时间短、防冲效果见效快的特点,适用于冲击危险区域的应急解危.     

起裂处缺陷形状对PMMA试件动态断裂影响效应研究

为研究冲击荷载下起裂处不同形状缺陷对脆性材料动态断裂的影响效应,选用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作为实验对象,落锤为加载源,将预制缺陷形状设定为唯一变量,同时保持缺陷在落锤加载方向的长度不变,使用新型数字激光动态焦散线实验系统,对PMMA试件进行冲击三点弯实验,同时对试件的破坏形态、时程特征、动态应力强度因子以及裂纹扩展速度进行分析。实验结果表明:除正方形缺陷(两应力集中点)试件外,其他缺陷形状试件均以I型断裂为主;一应力集中点缺陷试件最早发生破坏,两应力集中点缺陷试件次之,无应力集中点试件最晚发生破坏;一应力集中点对照组中,三角形缺陷试件发生破坏所需能量汇聚时间短于竖线型缺陷试件;试件起裂速度与能量汇聚时间呈正相关,起裂时间越早的试件起裂速度越小。由此得到结论:起裂端缺陷形状对板件的破坏形态及非缺陷周边的动态力学性能无明显影响,但会通过影响板件的起裂时动态强度因子来改变板件的起裂时间和峰值速度。     

板状页岩单轴压缩实验及断裂力学分析

基于板状页岩的单轴压缩试验,研究了含共线闭合裂隙页岩的裂纹扩展规律,从断裂力学角度,解释了裂纹起裂顺序,推导了板状页岩的脆性断裂准则及抗压强度,给出了断裂韧性的求取方法,得到:含预制裂隙页岩的抗压强度劣化程度较弹性模量大;破坏后宏观裂纹分为两类,一类为表面平整、光滑的拉裂纹,另一类为呈锯齿状、有明显压痕的压剪裂纹;预制裂隙内端比外端更容易起裂,起裂角范围为46°~86°;裂隙间距越小岩桥越容易搭接贯通;裂纹尖端起裂方向只和θ有关,和KⅡ无关;裂隙尖端的内端应力强度因子较大,更易起裂;共线双裂纹模型的优势裂纹角为β_m=0.5arctan f~(-1)。     

砂岩试件加载-卸荷-加载损伤弱化试验分析

为研究深部巷道围岩开挖和回采全过程中岩体强度的弱化规律,通过对砂岩试件进行不同加载速率的单轴加载、不同围压的三轴加载以及不同程度的三轴加载-卸荷-单轴加载试验对砂岩试件在加载、卸荷和再加载过程中的损伤、弱化机理进行研究。结果表明:试件的峰值强度与加载速率之间呈幂函数关系,与围压之间呈线性关系,加载速率和围压越大,砂岩试件强度越高。砂岩在三轴加载-卸荷-单轴加载时试件最终破坏形态与其受载历史无关,与岩石的最终受力状态相关。岩石的最终强度与其受载速率、围压大小和加卸-载扰动等受载历史相关,初始轴压越大加载速率越小试件的初始损伤越大,卸载后再加载的最终强度越小。此外,提出了基于能量密度的岩石损伤度指标和一种基于加载过程状态的强度弱化计算方法,经计算验证该方法是可行的。     

刀具破岩机理的细观数值模拟及刀间距优化研究

通过采用RFPA2D软件对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下岩石破碎机理进行数值模拟研究.分别模拟了单刀头、双刀头、三刀头作用下的岩体破碎过程,并对多刀头作用时进行了刀间距优化.模拟结果表明,岩石在单刀头作用下的破碎过程大体可以分为粉末体出现、粉核体形成、侧向裂纹产生与扩展、破碎块体出现4个阶段,并体现为以张拉为主、伴随挤压或剪切破坏等复杂破坏形式.在围压作用下,平行于围压方向的裂纹更容易产生与扩展,更有利于刀头侧向裂纹的贯通.多刀头之间有明显的协同作用效应,破碎比能随着刀间距的增加有一个逐渐增加然后减小的过程.数值模拟结果与试验结果吻合较好,可以为岩石掘进机设计、盘形滚刀布置提供参考.     

页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。     

切缝药包爆炸作用下裂纹扩展行为的试验研究

为了研究岩石动态破裂机理,采用高速摄像技术,对切缝药包间隔装药爆炸作用下混凝土试件的破坏过程进行了物理模拟试验。试验研究表明,切缝药包爆炸作用下,混凝土试件在切缝方向上产生两条基本对称的裂纹A和裂纹B。裂纹的萌生、快速扩展以及最后的失稳过程非常明显。裂纹萌生后,其扩展速度急剧达到峰值698m/s,接着快速下降,最后阶段裂纹扩展速度变化平稳。研究结果为切缝药包在实际爆破工程中的应用提供了试验依据。     

初始地应力作用下岩石爆破裂纹扩展研究

为了研究初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,本文分析了不同初始地应力情况下的裂纹扩展机理,并考虑了具有初始损伤的岩体在地应力作用下的裂隙区半径。鉴于初始地应力作用下裂隙区公式计算的复杂性,对于等向围压的岩体,引入了强度折减系数用于计算裂隙区半径,并通过ANSYS/LS-DYNA软件模拟出不同初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,并验证公式的适用性。得出如下结论：初始地应力作用下的岩体产生的爆破压碎区呈现类椭圆状,且随着初始地应力的增大其压碎区半径有着一定的增大趋势。单向初始地应力作用下对于爆破产生的主裂纹扩展起导向作用,裂纹的长度随着初始地应力的增大而逐渐减小,表现为抑制作用;双向等压地应力作用下主裂纹的扩展趋势为沿着最大主应力方向成大致成45°角,强度折减系数的引入有效的考虑了初始地应力作用下的岩体裂隙区半径;不等向初始地应力的裂纹扩展方向为沿着岩体最大主应力方向成一定角度,当一侧围压固定不变时,该角度会随着另一侧围压的改变而逐渐增大或者减小。     

围压卸荷对矿柱破坏模式影响分析

利用东北大学岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),研究了围压卸荷对矿柱破坏模式的影响。通过对不同围压卸荷方式中岩石试件的应力积累、裂隙扩展及整个破坏过程进行分析,得出了围压卸荷条件下矿柱的破坏规律。数值计算结果表明,当轴向载荷超过岩石试样的单轴抗压强度时,对试件围压实施一次卸荷容易引起岩石剧烈的脆性破坏,而对试件实施围压逐步卸荷,岩石试件则呈现出较明显的延性特征,其内部积累的能量随着卸荷步骤逐渐释放出来,能避免岩石发生剧烈脆性破坏。这一结果对指导采场开挖过程中,保护采场以及矿柱的稳定具有重要的理论意义。     

脆性岩体在不同围压下卸载的岩爆特性

岩爆是高地应力环境下开挖扰动的一种地质灾害。通过对类岩体大尺寸试件进行不同围压下的顶部梯度加载-单面卸载的加卸荷试验,采集试件内部测点在岩爆前后的应变过程,结合岩爆岩体的宏观破坏现象,分析脆性岩体在不同围压加卸载条件下的岩爆特性。研究表明：不同围压下进行加卸载试验时,试件卸载时的围压大小会直接影响岩体在岩爆时的破坏形态;试件在2种加载路径下发生岩爆时,卸载面产生的岩爆起裂点均是由卸载面中部的拉伸破坏,进而由卸载面上、下处岩体的压缩破坏引起的;试件在高围压环境下产生岩爆瞬间,内测点的垂直应变变化值大于其在低围压环境下的变化值,试件在高围压加卸载路径下产生的岩体岩爆烈度相对较大。     

直立岩层边坡岩体的静态爆破参数试验研究

为了探索爆破参数对直立岩层边坡岩体的静态爆破影响效果，通过电测法测试了钢管试件中静态破碎剂产生的静态膨胀压，设计了考虑抵抗线、孔距、水平压力、布设方式等参数的静态爆破试验。试验结果得出：在径向约束条件下，静态破碎剂产生的膨胀压力随时间成指数增长趋势；在水平约束条件下，水平约束力越大，岩体开裂所需要的膨胀压越大，直立岩层岩体的残余水平构造应力是静态爆破设计的关键参数；钻孔裂纹贯通时间随孔距非线性增大，建议静态爆破设计孔距为 2~2.5 倍钻孔直径。进一步讨论得出：三角形布设方式的爆破效果明显优于矩形布设方式，直立岩层边坡岩体的静态爆破过程可分为岩体微裂、孔边裂纹扩展、裂纹密集发育和岩体碎裂 4 个阶段。     

深井扇形组合孔短延时爆破裂纹扩展模拟研究

提出了一种扇形组合孔短延时爆破的构想，即在常规的每排扇形崩落孔中间增加一排致裂孔，崩落孔与致裂孔之间短延时间隔起爆。使用ANSYS/LS-DYNA对不同延时时间及不同围压加载条件下的爆破方案进行数值模拟研究，发现高应力环境下常规扇形孔爆破无法形成有效爆破漏斗，扇形组合孔短延时爆破则损伤破裂更加有效、破岩效果更好。此外对不同围压条件下的裂纹扩展进行分析，爆破裂纹扩展趋向于最大主应力方向。数值模拟及现场工程实践证实，当最大主应力方向与扇形崩落排孔成一定小角度，即平行崩落排孔方向加载较大围压、垂直排孔方向加载较小围压时，扇形组合孔短延时爆破不仅可以改善岩石破碎效果，也可以有效保护后排炮孔和保留岩体。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。