高温单向约束下煤系砂岩物理力学及声学特性研究

针对煤炭地下气化通道围岩在气化过程中具有两个自由面的情况,采用自行研制的高温单向膨胀约束试验装置对煤系砂岩试件常温至700 ℃高温过程中的物理力学及声学特性进行了试验研究。试验结果表明,高温后由于水分挥发、有机物分解,砂岩试件的质量逐渐减少;砂岩试件高温加热后尺寸均有变大趋势,但由于约束条件的影响,沿y方向试件膨胀缓慢;整个高温过程中,砂岩试件的纵波波速随温度的升高逐渐减小,整体上,y方向声速随温度呈反S型变化,而x方向声速随温度呈二次曲线下降,y方向声速因施加约束,降幅较小,膨胀约束抑制试件沿约束方向损伤的发展,同时对x方向损伤因子的发展也起限制作用;高温单向约束加热后砂岩单轴压缩全过程应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段,温度越高,曲线右移趋势越明显,高温单向约束条件下砂岩的峰值强度、弹性模型都随温度升高而降低,峰值应变随温度升高而增加。     

高温对弱黏结中砂岩物理力学性质的影响

基于弱黏结中砂岩经历400~1 000℃高温后进行物理力学参数测试,分析了高温后弱黏结中砂岩的物理力学参数与温度、围压的关系。结果表明:经历400℃以内高温对试样体积、质量和波速影响很小,超过400℃以后试样体膨胀率、烧失率随温度升高单调增加,波速随温度升高单调降低,经历400和800℃高温后试样的变形参数明显高于自然状态(25℃)单轴试验值,高温后试样的弹性模量和变形模量大幅度降低,极限应变随温度升高单调增加。试样的弹性模量、变形模量和峰值强度与围压呈正相关,试样峰值强度与围压符合Coulomb强度准则。经历800℃以内高温对试样黏聚力的影响不大,超过800℃以后黏聚力急剧降低。高温后试样的内摩擦角与温度呈正相关;经历1 000℃以内高温对弱黏结中砂岩具有强化作用,但超过800℃对试样材料强度有所弱化。Mohr-Coulomb预测理论破坏角与试验破坏角大致相当,试样的试验破坏角与围压呈负相关。     

冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制

为探究冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制，采用SHPB装置，开展了砂岩的动态力学测试，研究了砂岩的应力-应变曲线、动态抗压强度、动态弹性模量和单位体积吸收能变化；分析了砂岩的破坏机制，阐明了砂岩的破坏模式及破坏块度变化规律。结果表明：冲击荷载作用下砂岩应力-应变曲线整体呈阶段式发展，依次为线弹性上升阶段、非线性振荡起伏阶段和峰后下降阶段；砂岩的动态抗压强度、单位体积吸收能和动态弹性模量与冲击速度分别呈幂函数、二次函数、二次函数的关系，均具有明显的冲击速度效应；随着冲击载荷增大，砂岩的分形维数增大，破碎程度增加，砂岩的破坏模式由拉伸破坏转向拉-剪耦合型破坏。研究结果可为强动压巷道和采场围岩稳定性控制提供理论依据。     

冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积吸收能随冲击次数增加呈先缓慢增加后突然增加的趋势;在循环冲击荷载作用下,砂岩试样吸收能量的能力增强,随着冲击次数的不断增加,试样内部微裂纹分布增多且扩展速度加快,主要发生受拉破坏,沿轴向加载方向产生贯穿于砂岩试样的环状破坏面。     

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。     

高温环境下石灰岩基本力学性质初步研究

对河南焦作地区某矿区的石灰岩试件在高温下的力学性能进行试验研究,揭示石灰岩的强度和变形特性随温度的变化规律。试验结果表明：随温度升高,各力学参数不同程度变化。其抗压强度在常温～500 ℃时呈上升变化,而500 ℃～800 ℃时呈下降变化;弹性模量在常温～500 ℃时呈上升趋势,但变化不明显,500 ℃～800 ℃呈剧烈下降变化。     

高温作用下砂岩力学性能实验

采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下砂岩的力学性能进行了研究,考察了砂岩的全应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等量的变化特征．结果表明：当温度低于600℃时,温度对砂岩的力学特性的影响不明显;当温度高于600℃后,随温度升高砂岩力学性能迅速劣化,峰值应力和弹性模量显著降低,而峰值应变呈增长趋势;与常温下类似,温度低于800℃时砂岩的破坏方式仍以脆断为主．研究结果一定程度上反映了砂岩在温度作用下内部结构变化的特征,可为相关岩体工程设计与研究提供参考．     

高温作用后2种层理砂岩的动态力学试验及细观分析

为研究层理岩石的动态力学和细观结构方面的各向异性特征,利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行高温作用后层理砂岩的动态压缩试验,而后对试件破坏断口进行SEM电镜扫描试验,分析其断口形貌特征与能耗规律,并对提取出的微裂缝网络进行数值分析。试验结果表明:高温作用后各向异性砂岩的动态力学性能受冲击弹速、温度效应、层理各向异性的共同影响,随着冲击弹速的增加,砂岩的峰值强度逐渐增加,峰值应变逐渐增大,变形模量也逐渐增加;随着温度的升高,砂岩的峰值强度逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而变形模量逐渐减小;平行层理砂岩的峰值强度、峰值应变和变形模量普遍高于垂直层理岩样,整体性更好。层理砂岩在高应变率下破坏的断口表面比在低应变率下整体度差,形貌更加粗糙。经历温度不大于400℃时,断面以沿晶破坏和穿晶破坏为主,表现为脆性断裂;经历温度为800℃时,除前2种断裂模式外,断面局部还出现塑性破坏和韧性破坏特征。砂岩在高应变率下破坏时能耗普遍高于低应变率破坏。断口裂隙的数量、裂隙的面积、裂隙的形状三者均存在明显的各向异性差异,水平层理的裂隙数量普遍高于垂直层理;水平层理岩样的微观裂隙率曲线低于垂直层理岩样;垂直层理的裂隙形状普遍比水平层理规则。高温处理后岩样动态破坏断口的裂隙形态趋于规则。     

高温后砂岩冲击破坏前兆的试验研究

对高温后砂岩样品,在SHPB实验装置上进行了冲击试验,获得了高温后砂岩应力应变曲线,试验结果表明,砂岩动载强度基本上随着温度升高而降低。利用预测岩石宏观破坏前兆现象的能量加速释放理论(AER)对试验数据进行拟合,得到表征能量加速释放程度的参数值均小于1,表明在岩石试件最终破坏之前,弹性应变能呈加速释放。参数z随着温度升高而升高,表明岩石临破坏前能量加速释放的程度随温度升高而降低。研究工作进一步完善和发展了能量加速释放理论（AER）,首次运用能量加速释放理论揭示高温后岩样在冲击载荷下临破坏的能量释放特征。     

高温作用下砂岩力学性能实验

采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下砂岩的力学性能进行了研究，考察了砂岩的全应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等量的变化特征．结果表明：当温度低于600℃时，温度对砂岩的力学特性的影响不明显；当温度高于600℃后，随温度升高砂岩力学性能迅速劣化，峰值应力和弹性模量显著降低，而峰值应变呈增长趋势；与常温下类似，温度低于800℃时砂岩的破坏方式仍以脆断为主．研究结果一定程度上反映了砂岩在温度作用下内部结构变化的特征，可为相关岩体工程设计与研究提供参考．