低透气性煤层脉动注水增透机理研究及数值分析

为了有效提高低透气性煤层渗透率,提出脉动注水增透技术,从微观机理上对脉动注水原理和疲劳裂纹起裂扩展过程进行了研究。在充分考虑有效应力以及滑动摩擦力的基础上,结合 Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂判据,首次计算得到考虑影响因素较全面的煤体原级裂纹起裂的临界裂隙水压计算公式;通过将分支裂纹力学模型简化为悬臂梁模型,计算得到适合分支裂纹起裂扩展的裂隙水压范围。通过FLAC3D内嵌FISH程序语言编写脉动注水函数,实现了对裂纹尖端裂隙水压变化趋势以及裂纹扩展规律的数值模拟,模拟结果表明原级裂纹起裂扩展临界裂隙水压为13.1 MPa,分支裂纹初次起裂扩展水压为12.91 MPa;裂纹扩展半径在水平方向为3.6 m,竖直方向为2.3 m。现场试验表明脉动注水压裂增透效果明显优于普通注水压裂增透效果。     

含孔试样渐进性破坏的表面变形特征

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙漏气是抽采失效的主要原因之一,孔周裂隙扩展在煤体破坏的过程中表现孕育、稳定扩展及迅速扩展3个阶段。为探究孔周裂纹在松软煤体不同破坏阶段的发展特征,开展含孔试样渐进性破坏过程中的孔周裂纹扩展规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此,提出了利用DSCM系统确定应力门槛值的方法,并将其用于含孔试样渐进性破坏过程的孔周变形精细化分析,利用该方法所确定的应力门槛值可将试样的破坏过程划分为5个阶段,通过提取与计算分析试样表面全场变形数据,得到在不同阶段内试样表面相对位移、以及孔周位移。结果表明:试样表面相对位移发展历经缓慢降低,加速降低以及迅速降低3个阶段,其中加速降低和迅速降低阶段与应力-应变曲线的裂纹稳定扩展和裂纹加速扩展对应;在压缩过程中,由于孔周对称移动造成孔周表面拉伸和压缩错动,最终在表面形成主拉伸裂纹和法向剪切裂纹。     

动压影响下陷落柱破裂机理研究

为研究采场动压对陷落柱裂隙带的扰动破坏机理,采用FLAC3D程序模拟裂隙带内水平应力变化及塑性区分布随工作面推进时的规律。数值模拟结果表明,陷落柱周边裂隙带内的裂隙受开采影响极易发生扩展贯通,进而诱发矿井突水事故。分析结果表明,裂纹因所受水平地应力变小而发生扩展与贯通,从而使裂隙带成为矿井导突水优势通道。     

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.     

A criterion for crack initiation and propagation in intact rocks under creep condition

This paper presents a study on the criterion of crack initiation and propagation under creep conditions, which were investigated using specimens collected from outcropped sandstone rock formations. Beam specimens under three points bending were used in this investigation. The experimental result shows that due to creep deformation, rock crack will inevitably initiate and propagate after a time interval of sustained loading under a load of K1, which is less than fracture toughness KIC but not less than a constant marked as KIC2. KIC2 indicates the ability of rock to resist crack initiation and propagation under creep conditions and it is defined as creep fracture toughness.     

岩体突水通道形成过程中应力-渗流-损伤多场耦合机制

突水通道形成的渐进性破坏过程是煤矿突(透)水机理研究的关键问题,采动扰动和地下水双重作用下岩体的持续渗流-损伤行为导致破裂通道最终形成.采用可考虑地下水作用下岩体拉剪和压剪双重破坏准则的计算程序,真实再现承压含水层与巷道之间隔水岩体的采动裂隙萌生、扩展、贯通直至破裂通道形成的灾变演化过程,通过对岩体应力场、渗流场和损伤场的耦合演化过程进行分析,实现了对突水通道形成轨迹的准确定位,揭示了突水通道形成过程中岩体应力-渗流-损伤的耦合机制.数值实验结果表明:采动影响下持续的应力-渗流-损伤耦合作用诱发岩体强度降低导致突水通道最终形成,隔水岩体历经了群裂纹萌生、扩展和贯通的渐变过程;通道贯通前,岩体破裂损伤能量激增,通道部位岩体剪应力急剧下降,渗透系数和流量则急剧上升,各物理场均孕育了不同程度的突水前兆信息.     

爆炸载荷裂纹扩展的应力强度因子及其断裂行为

为进一步对爆炸作用下裂纹扩展问题进行定量分析,提出采用动焦散实验方法研究爆炸载荷的裂纹扩展机理,为研究岩石爆破机理提供了一种新的有效实验方法。使用切缝药卷的定向断裂形成初始裂纹,采用透明材料进行了爆炸加载的透射动焦散实验。研究了爆炸载荷下的裂纹起裂、发展和止裂的动态扩展行为,分析了其破坏模式、动态应力强度因子及裂纹扩展速度。     

长径比对束状炮孔端部裂纹力学特征影响的研究

采用动态焦散线实验方法和损伤破坏数值模拟,对平面模型中束状炮孔端部爆生裂纹 扩展规律和介质中拉／ 压损伤区进行了研究。实验结果表明,随着长径比的增大,爆生裂纹的 扩展长度增大,扩展角度减小,用于产生端部裂纹的爆炸能量增多,有利于炮孔端部区域岩石 破碎。当长径比为５／ ５时,裂纹扩展最大长度为５５ｍｍ,裂纹扩展角约为９０° ;长径比存在一定 值,即当长径比增加到２０（３０／ １５）时,爆生裂纹扩展长度较大,裂纹扩展角减小到 ４０° ,爆生 裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子整体为最大值;随着长径比的再次增加,扩展角不再变 化。数值模拟结果与实验结果一致,炮孔柱部区域形成小面积的“椭圆状”压缩损伤区,而炮 孔端部形成“Ｘ”形拉伸损伤区,容易形成爆生裂纹,拉伸损伤区半径约为压缩损伤区半径的 ５倍     

切槽孔爆破机理模型试验研究

应用超动态测试系统，通过改变炮孔的形状和结构研究切槽孔的爆破效应。研究结果表明：切槽孔爆炸应力场分布与普通孔爆炸应力场分布不同。由于切槽的作用，使得沿切槽方向应力场加强，从而利于爆破裂缝的定向扩展。切槽孔裂纹的起裂、扩展和止裂行为主要受爆生产体静态应力场作用。     

受压脆性岩石Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂研究

在线弹性断裂力学理论的基础上,运用最大周向拉应变理论,分析了受远场地应力作用及裂纹面受水压力作用下脆性岩石裂纹的起裂方向及起裂条件。论述了泊松比μ对开裂角θ0,θ0-β关系以及断裂包络线的影响,给出了满足最大周向拉应变理论的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂包络线;定义水力压裂裂纹扩展影响因子D并分析其对水力压裂裂纹起裂及扩展的影响,D值逐渐增大时,KⅡ 逐渐减小,KⅠ逐渐发挥主导作用,与数值计算结果一致;最后进行实例分析,并与现场水力压裂结果比较,二者结果比较接近。     

Propagation mechanism of neighboring cracks in rock-like cylindrical specimens under uniaxial compression

The mechanism of cracks propagation and coalescence of neighboring cracks existing in precracked rock like cylindrical specimens has been studied experimentally and numerically by considering multiple cracks in the middle part of each specimen. The pre-cracked cylindrical specimens of rock like materials are experimentally tested under uniaxial compression in a rock mechanics laboratory. Then these experiments are numerically simulated by a modified higher order displacement discontinuity method (HODDM) using cubic displacement discontinuity elements and three special crack tip elements for crack tip behavior to increase the accuracy of the Mode I and Mode II stress intensity factors (SIFs) obtained based on linear elastic fracture mechanics (LEFM) theory. The crack propagation and coalescence paths of the internal inclined crack are estimated by implementing a suitable iteration algorithm of incremental crack length extension in a direction predicted by using the maximum tangential stress criterion. The numerical and experimental results are compared showing the validity, applicability and accuracy of the present work. Finally, a numerical simulation has been accomplished to study the effect of interaction among neighboring cracks on the SIFs.     

含偏置裂纹材料断裂韧性的焦散线实验测试

应用落锤冲击加载系统,对含偏置裂纹的半圆盘试件在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了实验研究.结果表明:随着预制裂纹偏置距离的增大,剪应力在裂纹尖端的作用增强,裂纹逐渐由I型向I-II复合型裂纹转变,裂纹起裂需要的时间也略有增加,裂纹在扩展过程中的曲裂程度显著增大;在动态载荷作用下,裂纹的扩展速度在起裂后迅速增大到某一值后呈现不断波动变化的特点,裂纹扩展的平均速度随偏置距离的增加逐渐减小,当裂纹扩展的归一化裂纹竖向长度λ>0.8时,由于冲击点处局部压应力场的影响,裂纹的扩展速度迅速降低;随着裂纹偏置距离的增大,材料的起裂韧性K_IC减小、K_IIC增大.随着裂纹的扩展,裂纹的扩展韧性有所增大.     

Influence Exerted by Strength Criterion on the Direction of Crack Propagation in the Elastic-Brittle Material

The influence exerted by three types of failure criterion on the shape and direction of crack propagation in the brittle material is considered. The crack development was simulated by the finite-element method. The Huber - Mises, Drucker - Prager, and PJ failure criteria were applied to the materials whose characteristics corresponded to concrete or rocks.     

局部荷载下含中心孔洞煤体裂纹扩展特征量化分析

采用高清数码摄像机和红外热成像仪,对含中心孔洞煤体试件在局部荷载作用下的裂纹扩展规律进行系统的试验研究,研究分析煤体试件在不同加载面积作用下试件表面裂纹的萌生、扩展、贯通,直至形成宏观破坏的整个过程中表现出的特征与规律。试验结果表明:局部荷载作用下含中心孔洞煤体试件裂纹扩展是加载条件和宏观中心孔洞耦合作用结果,裂纹扩展路径受其主导作用,而由孔、裂隙系统引起的非均质性则占据从属地位;均布荷载条件下,孔洞周边形成拉、剪应力区,且裂纹由此起裂,孔洞是引起应力集中的主导因素,但随着加载面积的改变,孔洞的主导地位被颠覆,应力集中强弱顺序发生突转,起裂位置由孔洞周边转向荷载临界处;受载面积对含中心孔洞试件裂纹扩展的影响具有区域性特点,且明显集中出现于有载荷作用的区域;随局部荷载的增加,初始裂纹的尺度(裂纹宽度和长度)不断增加,且裂纹的发展方向出现明显的非平直化趋势。     

中低速冲击下I型裂纹的动态断裂韧度研究

起裂韧度和扩展韧度是分别用来判别裂纹起裂和扩展的两个重要材料参数,为了探索在中低速冲击荷载下岩石的起裂韧度和扩展韧度的测试方法,选择砂岩单裂纹半圆孔板试样以中低速落锤试验机进行了冲击,并利用裂纹扩展计和应变片测试裂纹的起裂时间及裂纹扩展速度。使用AUTODYN有限差分软件,裂纹软化模型及线性状态方程建立了相应的数值计算模型,结合实验-数值法确定预制裂纹的起裂韧度和扩展韧度,结果表明:动态冲击载荷下裂纹扩展速度不是一个常数;对于隆昌青砂岩,其动态扩展韧度与裂纹扩展速度成反比关系,扩展速度越大,扩展韧度越小;材料扩展韧度不是一个独立的材料参数,而是一个与裂纹扩展速度有关的参数。     

基于裂纹扩展模型的深部硐室围岩致裂规律

根据岩体的非均匀性和存在初始裂纹的特征,在二维有限差分程序中建立了非均质体二维模型,并在模型中考虑初始裂纹的影响,利用程序中的自带编译语言,实现了服从不同分布的初始裂纹的长度和角度的赋值。在模型中,利用亚临界裂纹扩展理论描述与时间相关的裂纹亚临界扩展过程,计算过程可体现裂纹扩展的时间效应,从而实现对所模拟结构的寿命预测。模型中裂纹的扩展方式假定为形成翼型裂纹的形式,利用翼型裂纹的简化模型对裂纹的扩展尺寸,应力强度因子等参数进行计算。在每一计算步中,每个单元中的裂纹扩展方向与该时刻单元所受应力情况相关,应力强度因子与该单元所受应力大小及翼型裂纹简化长度相关。利用该模型对高地应力条件下孔洞开挖卸荷导致围岩破坏的过程进行模拟,分析了深部岩体开挖导致的围岩破坏规律,对不同的孔洞形状和初始裂纹的分布情况分别进行了分析,计算结果显示了非连续破裂的形成与初始裂纹角度分布的关系:分区破裂的表现形态与初始裂纹和最大压应力的夹角相关,并且不同初始裂纹角度均值也会导致围岩破裂时间不同。通过建立的多种孔洞形状开挖模型,对不同孔洞形状围岩破裂形态及破坏时间的规律进行总结,发现相同计算步数内方形孔洞周边围岩处破坏单元数量最多,圆形孔洞周边围岩破坏单元数量最少。研究结果证实了裂纹的分布对孔洞周边围岩破坏形态的影响,对裂纹扩展的时间效应的分析可实现对围岩破坏程度和范围的预测,可为深部高地应力条件下诱导致裂非爆连续开采的实施时间和方式提供指导。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

基于Steiner最小树相似模拟裂纹扩展与能量传播的机理

采矿工程中上覆岩层裂纹扩展及其分布规律一直是研究的难点,直接影响井下工作高效开展及安全,对于高瓦斯矿井还涉及到瓦斯抽采效率提高问题。基于Steiner最小树模型建立裂纹拓展与能量传播的关系,指出裂纹的贯通拓展是沿着耗能最小而最快释放能量的路径。并建立相似模型试验中的真实裂隙与数学裂隙模型,将问题定义为约束型的Steiner树问题。覆岩破坏形式遵循基于四点以离层裂隙为主导的模型。进一步开展室内三轴加载试验,表明理论和真实破裂角与赋存深度的关系并不明显。从力学机理上分析,局部岩石的破坏面可以由摩尔库仑准则解释,而从能量角度分析,众多不同岩性破裂面组合而成的路径也是最优路径。最后揭示了岩层移动角公式参数的内在涵义,指出修正公式是煤炭地下开采上覆不同部分岩层裂隙拓展的有机统一,是Steiner最小树原理的直接体现。     

Geophysical criterion of pre-outburst crack propagation in coal beds

The process of crack propagation in the coal face area is considered as an informative sign of coal and gas outburst hazard. In the known condition of crack growth at a certain distance from a coal face, it is suggested to replace mechanical parameters by geophysical data through application of different evaluation approaches: actual stresses—by spectral–acoustic method relative to amplitudes of highfrequency and low-frequency components of acoustic signal generated by mining machines in coal face area; pore pressure—by analysis of methane concentration in mine air in coal face area; strength of the most folded coal bed—by measuring strength based on penetration depth of a steel cone. The author analyzes the influence of acoustic, strength and permeability and porosity properties of coal face area on limit value of geophysical pre-outburst crack propagation criterion.     

Estimate of Underground Structure Stability in Solid Rocks with Oriented Fracturing

A strength criterion is proposed for the rock masses with some crack systems, where the calculated effective stresses are compared with the uniaxial compression or tensile strength depending on the type of loading. The estimate of rock stability with crack systems of different orientation around a single working is given.