真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制

地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏,对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验,研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律,分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:①单面瞬时卸荷时,轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象,轴向应力越大,回弹量越小,压缩量越大;②随着第二主应力的增大,破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程,第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏,第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素,在第二主应力为10 MPa时,试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹,随着第二主应力的增加,试样内部剪切现象逐渐消失,出现的劈裂裂纹增加,在第二主应力为20 MPa时,试样内部基本全部处于劈裂破坏;④动静组合作用下,静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素,同等扰动条件下,当静载为破坏强度的80%时,破坏强度为148. 6 MPa,静载为破坏值的90%时,岩样的整体破坏强度为142. 4MPa,静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低,静载相同时,随着扰动振幅、频率的增加,岩体的破坏强度越低,对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。     

真三轴加卸载条件下巷道周边裂隙岩体变形破坏试验研究

岩体内含有大量的节理裂隙,在巷道开挖卸荷施工过程中,裂隙会暴露出来,并影响岩体工程结构的整体稳定性。为了更清晰地表现裂隙岩体的变形破坏特征,进行了真三轴卸载试验,采用依托于“微机控制电液伺服压力试验机”改进的真三轴试验机,以地下深埋巷道为原型,对含有不同倾角裂隙的混凝土试样进行加卸载试验,并使用有限元理论对单轴压缩试验进行模拟,研究了卸荷条件下试样的变形破坏特征及应力脆性跌落系数规律。结果表明：① 试验加载初期试件呈现出明显的压密现象,且试件裂隙倾角越大,压密现象越明显;② 随试件裂隙倾角增大,卸荷变形呈上升趋势,即扩容现象呈上升趋势;③ 裂隙倾角越小,越容易形成脱落性破坏;随裂隙倾角变大,破坏向远离卸荷面方向转移;并且,主要破坏形式为拉伸破坏,相对于单轴压缩试验,扩容造成的破坏特征更加明显;④ 随裂隙倾角增大,试件应力脆性跌落系数增大,间接显示出试件由脆性向延性转化的倾向,试件脆性破坏特征削弱。     

煤样三轴卸荷破坏的能量演化特征试验分析

煤样变形破坏方式与其能量转化密不可分,为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了不同试验路径的加、卸荷试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;能量耗散使得其内部裂隙扩展,造成煤样损伤劣化,承载能力下降,能量释放使其发生破裂失稳;三轴卸围压试验中,卸荷初始围压越高,煤样存储的弹性能越多,破裂时释放的能量也越多,使得高围压下煤样破坏更为剧烈。因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,极易引起大量的弹性能急剧释放,导致冲击地压、岩爆等灾害发生。此外,在三轴卸围压试验中,由于围压的卸荷效应,煤样临近破裂时损伤曲线的突变程度与常规三轴压缩相比更加明显,也可以看出卸荷破坏相比加荷破坏更具突发性。     

不同应力途径下灰岩卸荷试验研究

考虑不同应力路径下的卸荷对岩石强度、变形模量等参数的影响,以铜坑矿区小扁豆状灰岩为研究对象,结合现场工程地质条件,开展了岩石卸荷力学试验,试验研究发现:卸荷岩石的破坏主要表现为脆性破坏,峰前卸围压的破坏程度大于峰后卸围压的破坏程度,峰后卸围压的破坏程度大于常规三轴的破坏程度,峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;在相同初始应力下,岩石卸载破坏所需应力比常规三轴压缩破坏对应的应力小,卸荷破坏时的变形比连续加载时大;衍生的卸荷裂隙随机发生,方向大体平行于X型共轭剪节理,对洞室开挖临空面定向破坏有判定性,由此现象引发片帮、冒顶等隐患需及时采取工程措施治理。     

水平应力加载下煤岩的声发射特征试验研究

为研究水平应力加载下煤岩声发射规律,在实验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:煤岩声发射信号随着应力水平的增大而增大,且轴向应力σ_v相对于水平应力σ_h对声发射信号影响效果更为显著;为比较复杂应力水平下煤岩声发射特征,定义"等效围压"表述应力水平,根据不同应力水平下真三轴压缩试验声发射能量特点将煤岩试件破坏过程划分3个阶段:弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段;随着等效围压增大试件破坏时的声发射信号显著增强,声发射计数峰值数量增多,峰值强度滞后更加明显,而应力水平对峰前平静期现象没有直接影响。通过理论及试验研究不同应力条件下煤岩试件的声发射特征可预防煤岩动力灾害的发生。     

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。     

不同应力路径下岩石能量耗散研究现状及分析

深部岩体在受力破坏过程中,能量耗散是引发岩石损伤、破坏的内在动力,可能导致岩爆等动力灾害,因此不同应力路径下岩石能耗问题的研究越来越重要。结合文献,对岩石在不同应力路径下的破坏过程中能耗问题的研究进行总结,表明：仅考虑一维应力条件下岩石破坏过程中的能耗问题是不全面的,需深入分析多维应力条件下岩石的能耗规律;能量耗散反映岩石微裂纹闭合演化程度,通过能耗判断岩石损伤特性是一种有效可行的方法;循环加卸载路径下的能耗演化工作量不足。而层状复合岩石是岩体结构的薄弱环节,对岩体稳定性具有重要影响,有必要进一步对其动力学特性及能耗规律展开研究,以正确综合评价岩石破坏的力学特性。     

加卸荷应力路径下巷帮煤体力学特性与损伤破坏研究

为探究煤巷开挖卸荷帮部破坏机理,开展巷帮煤体常规三轴压缩及峰前卸围压2种应力路径下实验室试验,分析其力学特性与损伤破坏规律。结果表明:常规三轴压缩试验中,破坏特征表现出由低围压下的脆性向高围压下的塑形转变;峰前卸围压应力路径下,破坏更易发生,且全部为脆性破坏;煤体强度对围压变化较敏感,卸荷条件下其峰值更低;变形模量随围压被卸除而降低,开始阶段变化平缓,随后下降趋势不断加剧;泊松比随围压减小而增大,其变化趋势同变形模量基本一致;卸荷应力路径下,煤体破坏是一种以剪切破坏为主,但仍存在部分劈裂破坏的复合状态;破断角以抛物线趋势随初始围压的提高而增加,但卸荷应力路径下其值明显更小;卸荷条件下损伤因子与围压之间的变化关系及趋势同泊松比一致;随初始围压的增加,卸荷条件下围压差比λ逐渐降低。     

真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理，采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统，以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象，进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明，真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则，相比于其他试验路径，真三轴加载路径下试件强度最大，复合加卸载路径下试件强度次之，σ₂、σ₃发生转换时，试件强度显著降低；试件破坏时，真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多，真三轴卸载路径次之，真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少，σ₂、σ₃发生转换时试件渗透率显著增大；此外，复合煤岩体试件破坏特征具有规律性，真三轴加载路径下，σ₁-σ₂平面煤体中出现剪切裂纹，并在煤岩交界面处交汇，真三轴卸载和复合加卸载路径下，σ₁-σ₂平面上裂纹从煤体...     

基于应力增速与应力梯度的水压致裂应力扰动评价研究

水压致裂的应力扰动评价是动力灾害煤岩层水压致裂的关键科学问题.提出了基于应力增速、应力梯度的水压致裂应力扰动评价方法.采用大尺寸真三轴水压致裂应力扰动物理模型实验,分析了水压致裂应力扰动的大小、特征及其影响因素.水压致裂过程中当泵注排量相同时,同一时间内距离水压裂缝越近,平均孔隙压力增速及孔隙压力梯度越大,孔隙压力增速和孔隙压力梯度按指数规律衰减.相同位置处,泵注排量越大,平均孔隙压力增速和孔隙压力梯度越大.开泵瞬间会产生很高的骨架应力增速,同时在致裂过程中,水压力的大幅度波动也会产生较大的骨架应力增速,且波动幅度越大,产生的骨架应力增速也越大.随着泵注排量的增大,开泵瞬间水压裂缝两侧骨架应力增速峰值也相应增加.泵注排量相同时,越靠近水压裂缝,骨架应力梯度越大,随着距离水压裂缝越远,应力梯度逐渐变小.初步给出了不同工程背景下水压致裂应力扰动效应的控制原则,在工程施工中,应根据具体的工程背景,基于应力扰动的评价,采取相应的针对措施,做到趋利避害.     

收缩与温度应力对混凝土结构的影响

分析收缩应力、温度应力对混凝土结构的影响,并提出相应的有效构造措施。     

原孔位多次应力解除地应力测试方法与实践

针对影响深部煤矿巷道围岩稳定的地应力因素,基于深埋巷道围岩体应力分布的力学特征和地应力钻孔解除法原理,探讨了在同一钻孔内间隔一定距离进行反复多次解除的地应力测试方法,建立了判别原始应力的科学依据,根据基准孔和校验孔的测量结果,可以推算出其他测点原岩应力区与巷道半径之间的关系。工程实践表明：在千米埋深的大屯矿区孔庄煤矿井底车场区域,基准孔在3.7R处进入了原岩应力区,实测垂直原岩应力值为23.3 MPa,并在校验孔和推广孔得到了验证。     

近直立特厚煤层应力演化规律研究

为了及时准确的识别工作面走向和倾向应力集中区,进行设计合理的卸压参数和防护措施,降低近直立煤层冲击地压动力灾害的破坏性,采用应力在线监测系统对工作面超前区域的应力演化过程进行连续监测,研究近直立特厚煤层应力演化规律。研究表明：近直立特厚煤层走向方向超前支承压力影响范围为超前综采工作面5～20m,倾向方向应力集中峰值区距巷道壁6～13m|依据获得的应力演化规律,针对影响范围和峰值区采用了煤体卸压爆破和煤层注水方法开展了现场防冲工程实践,卸压工程实施后经检验,煤体应力集中程度明显减小,巷道变形量也得到了有效控制,研究结果起到了较好的指导意义。     

非等压应力场巷道围岩主应力差分布规律与稳定性分析

采用理论分析、数值模拟方法对非等压应力场巷道围岩主应力差分布规律与稳定性进行研究,重点分析不同侧压系数下巷道顶底板与两帮的主应力差分布演化规律、塑性区形态和变形演化规律.研究结果表明:侧压系数λ<1时,巷道两帮破坏范围大于顶底板;λ>1时,顶底板破坏范围大于两帮.基于数学拟合得到巷道围岩最大主应力差轨迹线方程,该式可计算出围岩破坏最严重区域.巷道在围岩四周会形成主应力差承载壳,λ 增大过程中,承载壳形态演化过程为:水平的类"8"字形→扁平椭圆形→圆形→瘦高椭圆形→类"8"字形.顶底板主应力差峰值随着 λ的增大而增大,并向围岩深部转移,两帮峰值随着λ的增大而减小,向围岩浅部转移.巷道围岩塑性区总是分布在主应力差承载壳内,其形态演化过程与主应力差承载壳保持一致.λ 增大过程中,巷道顶底板位移曲线离散程度不断增大,两帮位移曲线离散程度先减小后增大.λ<1时,两帮表面位移>顶底板表面位移;λ>1时,顶底板表面位移>两帮表面位移.λ越接近1,巷道围岩稳定性越好.以回坡底煤矿11-1021巷为工程背景,研究发现巷道围岩主应力差呈倾斜的类"8"字形分布,理论分析结果与巷道实际破坏情况吻合,验证了理论的正确性.     

综采面过陷落柱采动应力与柱体应力相互影响模拟研究

为了确保综采工作面安全通过陷落柱,采用数值模拟方法研究工作面推进过程中采动应力及陷落柱体应力随工作面推进的变化情况及相互影响。研究表明:陷落柱体应力和工作面采动应力的相互影响作用可分为弱、中、强3个影响阶段,3个阶段的范围分别为工作面距离陷落柱150~100 m,100~50 m和小于50 m。不同阶段关注重点不同:在弱影响阶段,采动应力开始对陷落柱体应力产生影响,在此之前需完成陷落柱加固;在中影响阶段,陷落柱对采动应力的影响开始显现;在强影响阶段,互相影响强烈,需加强顶板管理。根据研究结果,确定了K8403工作面顶板加强支护范围、陷落柱预加固时间及强度,实践表明加固效果良好,现已安全通过陷落柱。     

原岩应力的三维数值模拟研究

本文从《弹性力学》、《地质力学》、《有限元素法》的理论出发,针对具体矿区建立了含有向斜构造的原岩应力的计算模型并给出数值模拟结果。     

煤矿地质应力测量及应力分布特征研究

应用煤矿小孔径水下裂缝压裂应力测量装置,对产煤大省的多个小煤矿进行了测量,根据地应力测量数据,分析了煤矿地面荷载分布的特点和趋势。通过实例介绍了浅埋煤矿作业中地质应力的测量结果。测量结果表明浅层煤矿井下震荡受多种因素影响,测量数据方差较大,从埋藏深度看,变化规律不明显;地质测量电压电平相对于井下具有绝对优势。最大主应力水平与垂直主应力的关系比在1.0～3.0;最小主应力水平与垂直主应力之比主要为0.5~2.0;平均主应力水平与垂直主应力的关系比主要在1.0~2.5。同时根据地面应力测量数据,设计锚杆固定参数,提高煤炭资源生产率,降低巷道维护成本,同时保证巷道的安全和保护。     

砚北煤矿地应力测量及其分布规律研究

本文介绍了砚北煤矿地应力测量的方法、过程和结果。通过现场实测 ,获得了矿区 2个水平 4个测点的地应力大小和方向 ,并通过回归分析得出了矿区的地应力场分布规律。测量结果对矿井的生产和建设具有重要的指导意义     

矿井地应力场的回归分析

基于地应力主要由自重应力和构造应力组成的观点 ,利用弹性理论建立了地应力场计算模型。根据平煤集团一矿现场实测的地应力数据 ,得出了地应力回归公式 ,为合理运用地应力的大小和方向奠定了基础