脆性岩石细观损伤分析与临界矿坏行为

利用逾渗和重整化群理论初步分析了脆性岩石的临界损伤破坏行为,指示性地得出了岩石的临界破坏概率。     

基于Weibull分布的巷道围岩开挖损伤分析

首先,在假定微元强度服从双参数Weibull分布的基础上,分析了围岩微元破坏概率和临界破坏概率,依据围岩完整程度不同,分析了巷道开挖后的围岩损伤;随后,运用岩石破裂过程分析软件RFPA,分别对不同均质度的巷道围岩开挖损伤进行了数值模拟分析。结果表明,伴随围岩均质度增加即围岩完整程度增加,围岩起始损伤延后,临界破坏概率越来越小;在围岩微元所受载荷达到其统计平均抗压强度前,围岩的均质度越低其巷道开挖后的围岩损伤值越大;在微元所受载荷达到统计平均抗压强度后,围岩均质度越高其巷道开挖后的围岩损伤值越大,其巷道开挖后的危险率越高,且往往具有突发性;巷道开挖后的围岩损伤破坏程度与围岩完整程度和抗压强度关系密切;分析结果与模拟结果是一致的。     

深部开采突水机制的细观分析和临界破坏行为

深部开采中高岩溶水压极易造成围岩突水,而突水通道主要是由一系列的小破裂发展演化而成,因为小破裂的积累形成大的破裂,从而演化到突变.本文分别在二维和三维情况下利用重整化群方法分析已破裂单元对未破裂单元的应力转移,计算原胞的临界破坏概率、关联指数和分形维数.同时对岩层突水的临界特性进行研究,由临界破坏特征和裂缝密度与损伤变量的关系,并考虑加载和岩石初始损伤的影响,得到在静态损伤力学网络下的岩石突水破裂损伤演变方程.     

矿用富水充填材料的蠕变特性及损伤演化

为探讨富水充填材料稳定性与时间的关系及其在荷载作用下的失稳破坏特征与损伤发展规律,文中制备了一定水固比的富水充填材料,通过蠕变试验对不同应力水平下富水充填材料的蠕变性能进行测试,研究蠕变过程中应变速率衰减、稳定及加速3个蠕变阶段应变随时间的变化特征,提出充填体失稳的临界荷载。根据蠕变试验数据,引入损伤变量,建立符合富水充填材料的蠕变损伤模型,推导出应力、应变、时间及损伤因子等力学参量之间的相关关系。结果表明:水固比2.0的富水充填材料失稳破坏的临界荷载为其强度的90%;改进后的Burgers模型,综合考虑了蠕变参数受时间和应力水平的影响,反映了参数随时间弱化的现象,拟合后发现该模型可以描述富水充填材料失稳破坏前的损伤劣化规律。     

煤岩体在动载下的动态损伤数值模拟

基于LS-DYNA有限元分析软件的HJC本构模型,对煤柱单轴动载实验进行数值模拟,再现煤柱动态损伤过程。结果表明:应变率相同时,煤柱受动载荷越大,破坏越严重;煤柱开始破裂时所受应力2 MPa,破裂过程中所受应力0.5 MPa;应变率相同时,煤柱的临界破坏能量相同;煤柱的能量吸收及应力变化不与动载荷成正比。     

圆形巷道围岩扰动区及其临界破坏深度的确定

地下工程开挖的扰动区和围岩的临界破坏深度是与稳定性分析和支护设计紧密相关的问题,应用塑性力学折线理论所得应力场新成果对圆形巷道的扰动区和围岩的临界破坏深度进行了研究。一般认为扰动区的大小是井巷或采场最大直线尺寸的3~5倍,但分析表明扰动区范围与外载的大小与作用形式、泊松比和埋深有关,有时会远远超出这个范围。在围岩临界破坏深度的确定中,导出了各向同性均质地层中圆形巷道的临界破坏深度公式,结果表明临界破坏深度与地层强度峰值的黏聚力、内摩擦角、容重和泊松比相关。研究成果可为圆形巷道的稳定性评价及支护设计提供依据。     

深部开采煤岩体的软化临界深度研究

基于岩石与巷道围岩的破坏特征分析，提出研究围岩的破坏特征必须考虑围岩的弱面（地下水的作用等）特征，而不能将岩石的破坏特征直接取代围岩的破坏特征，采用相似模拟和数值模拟分析了不同力学特性围岩的软化临界荷载，得到了不同围岩在不同开采深度条件下的软化临界埋深值，研究结果表明:基本顶的软化临界深度在陈四楼煤矿的开采深度范围内没有出现，基本顶在这个开采深度范围内处于稳定性状态；直接顶的软化临界深度为800 m；煤层的软化临界深度小于500 m；直接底的软化临界深度大于1 000 m；基本底与基本顶的情况相同，在陈四楼煤矿的开采深度范围内不会出现临界软化状态，基本底围岩在这个开采深度范围内是稳定的。     

煤层底板导升突水机理研究

为了进一步认识底板突水破坏机理,将底板隔水层简化为弹性梁,在考虑承压水作用的情况下,运用材料力学理论计算得出采场隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体最易发生损伤破坏。在此基础上,运用损伤力学理论分析给出了临界损伤变量Dc。运用断裂力学理论建立断裂力学模型,并给出采场隔水层承压水导升裂纹端部应力集中系数的计算公式。最后,从损伤断裂能量角度对裂纹扩展进行了分析,通过简化参数,建立了形成初始宏观裂纹损伤断裂能量释放率计算公式,并分析了初始裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响参数的关系,可为底板突水预测预报研究提供理论依据。     

不同损伤程度花岗岩在冲击荷载作用下的动态力学特性

为研究不同初始损伤下花岗岩的动态特性,通过理论分析定义了岩石损伤程度计算,利用霍普金森杆设备分别对损伤程度为13%、21%、28%、37%、40%、49%岩样进行临界气压冲击试验研究。试验结果表明:变形模量较好反应了岩样的损伤程度,岩样损伤程度随变形模量的减小在增大,其抗冲能力在减弱;不同损伤程度岩样在冲击荷载作用下,随损伤程度增大,峰值应力逐渐减小,而动态峰值应变、破坏应变和应变率有递增趋势;不同损伤程度试样破坏模式有明显的不同,岩样破坏块度随损伤程度的增加更趋于破碎。     

龙口水利枢纽厂房坝段深层抗滑稳定分析

采用二维有限差分程序对龙口水利枢纽混凝土重力坝厂房坝段进行深层抗滑稳定分析,采用强度折减方法,根据特征点位移突变临界破坏判据和止水帷幕部位夹层错动量达到1mm临界破坏判据分别得出了厂房坝段的两个深层抗滑稳定安全系数。分析结果认为采用夹层错动量达到1mm作为强度折减法临界破坏判据更适合该工程。厂房坝段基本组合深层抗滑稳定安全系数偏小,应采取一些加固措施。     

煤层围岩破裂过程中的自然电位响应

煤层开采过程中,围岩破裂伴有电子逃逸现象,引起自然电场的变化。通过建立数值模型与设计岩层开采模拟实验,发现岩层裂隙发育部位自然电位降低,且裂隙发育越完全电位越低;岩层压缩区自然电位升高。煤矿开采过程实际监测发现：在煤层顶板“三带”中,垮落带自然电位低,且变化比较稳定;断裂带自然电位表现较为不稳定,变化频繁;弯曲下沉带表现为高电位,且极为稳定,变化较小。     

Quasi-brittle rock failure model

The article discusses a quasi-brittle rock failure model, analytical expressions constructed for limit stresses using necessary and sufficient criteria of structured rock failure, normal tensile stresses in rock mass with crack, quasi-brittle failure diagram constructed using two-section jogged line approximation of stress-strain curves obtained in coal under tension, and critical stress estimates.     

基于逾渗机理的含瓦斯煤体变形破坏机制及试验研究

针对含瓦斯煤岩在高应力环境下易发生松散破坏的问题,考虑煤体的多孔介质特征,研究了含瓦斯煤岩受应力扰动影响下的变形破坏规律。首先,基于逾渗理论提出了含瓦斯煤体的逾渗破坏概念,它的实质是含瓦斯煤岩发生逾渗行为后导致瓦斯突出使煤体失稳破坏过程中发生的一种动力破坏现象。然后通过理论分析了逾渗破坏分布区域并给出了逾渗破坏概率P_∞的计算公式,推导出了含瓦斯煤体的Biot型本构方程,表明含瓦斯煤体孔隙率与渗透系数和有效应力密切相关。结合含瓦斯煤体本构方程并在逾渗破坏区进行了应用,得到了逾渗破坏区半径R_p的计算公式。最后,对拟制备的含气类岩石试件进行了三轴压缩试验,试验结果表明:随着试件孔隙、裂隙增多,弹性模量和脆-延性破坏临界拐点应力值随之减小;同时,黏聚力和内摩擦角值随试件内部气体孔隙增加均不同程度的降低,导致逾渗破坏区半径增大,并且其影响程度会随内摩擦角和黏聚力的减小而增强。随着应力增加,试件内部孔隙、裂隙逐渐贯通,最终呈松散破坏即逾渗破坏。     

烧变岩石受压破坏全过程声发射特征试验

在对烧变岩石受压破坏全过程进行声发射试验基础上，检测了岩样从加载直至破坏过程中的声发射活动，得到了烧变岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征，探讨了声发射信号在岩石受力变形破坏过程中的变化规律，为正确利用声发射信息监测岩石破坏的前兆现象提供了理论依据。     

双剪双参数统一强度准则改进式及其应用

通过莫尔圆分析发现，现有的双剪双参数统一强度准则在形式上可看成是对具有直线型强度包络线的Mohr Coulomb强度准则的改进.由于直线型强度包络线对岩石的抗拉强度特性解释不好，不如双曲线型强度包络线.为此，通过将现有的双剪双参数统一强度准则做相应的非线性化处理，导出了具有双曲线型强度包络线的双剪双参数统一强度准则改进式，并将其用于对静水压力条件下圆形巷道围岩的弹塑性分析.     

非均布高压水对采煤工作面底板隔水岩层破坏特征及其突水条件研究

针对深部煤炭资源开采严重受底板高承压岩溶水害威胁的现实问题,为进一步认识工作面底板岩溶水突出机理,有效评价和防范矿井突水灾害,确保矿井安全开采,从岩溶地质与岩溶发育的根本规律方面研究分析了底板高压水含水介质结构特征及高压水对工作面底板隔水岩层的作用力方式,提出高压水对其上覆隔水岩层具有非均布水压作用力的基本概念,并将非均布水压作用方式概化为4种基本类型。通过数学与力学理论分析和数值模拟计算,分析研究了不同类型非均布水压力对其上覆隔水岩层的破坏特征及其诱发突水的条件,得出非均布水压力对隔水岩层的破坏程度明显小于均布水压的重要认识。在相同的水压力条件下,不同的非均布水压作用方式,对其上覆隔水层的破坏程度有明显差异,在煤层走向上水压作用范围越大则底板破坏范围和深度越大,在煤层倾向上水压作用范围的大小对于底板破坏范围及程度的影响相对较小。     

强力锚杆杆体断裂失效的微细观试验研究

针对屈服强度500 MPa以上矿用锚杆杆体容易出现断裂失效的问题,采用化学成分分析、力学性能测试、扫描电镜及金相显微等综合试验手段对两种破断强力锚杆进行了分析,结合锚杆的实际受力特征及断裂失效分析学理论,从微细观机制初步揭示了杆体破断原因。结果显示材质及加工缺陷等内在属性是断裂的内因,工作环境、应力腐蚀及复杂受力状态是外因,锚杆的韧性则决定了断裂的类型和断口形态。并相应提出了减少杆体破断几率的综合方法,包括改善受力状态、全长锚固、优化外形、防腐蚀处理等。     

基于摩尔-库伦准则的岩石材料加(卸)载分区破坏特征

材料内一点的应力状态可以用摩尔圆来表示,而同一点的不同的应力状态可以用坐标系内应力圆的不断变化来表示,应力圆的变换主要可以分为"平移"、"翻转"、"半径扩大""半径缩小"4种方式,这4种方式几乎包含了岩石材料的所有加(卸)载过程;加(卸)载速率可以用来表征不同应力状态间的转化的快慢程度,加(卸)载速率并不是单纯的单位时间的变化快慢,可以是单位空间尺度的变化,如单位长度、单位深度等;基于摩尔-库伦准则对岩石材料"双向受压"、"双向受拉"和"一拉一压"3种状态下的加卸载过程进行了分析,并获得了与之对应的临界破坏方程,在此基础上,通过引入时间加权平均加(卸)载速率,进一步分析了岩石材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系,并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对岩石材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验,模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验。结果表明,只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时,材料才会发生破坏,加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关,与最大主应力和最小主应力之比负相关。     

岩石工程破坏准则

煤矿生产中大量的地下岩石工程都在围岩破坏和破坏发展中维护，经常的情况是围岩破坏了，工程却仍处于正常使用状态。本文引出了岩石破坏与岩石工程破坏两个不同的概念，岩石破坏是一种与其某种使用功能改变或消失对应的工程状态，岩石工程破坏的直接原因是工程破坏是一种与其某种使用功能或消失对应的工程状态。岩石工程破坏的直接原因是工程周围岩石的破坏，确定标准是其使用功能允许改变的极限。对应于岩石工程破坏，存在相应的周     

基于蝶形破坏理论的地震能量来源

地震发生时释放的巨大能量从何而来,一直以来都是还没有认识清楚的问题。考虑到两组地壳破裂带交叉部位强震频发的基本特点,基于蝶形破坏理论,构建以软弱异性体为中心的能量计算模型,提出了地震能量的计算方法。从软弱异性体围岩发生塑性破坏引发能量改变角度出发,数值模拟分析地震过程中有软弱异性体存在对地壳围岩能量分布的影响,探讨了自然地震触发的一般规律;以中国大陆西南地区含鲁甸ML6. 5级地震震中位置区域为地质背景,进一步对比分析有无软弱异性体条件下,地震震源能量与分布特征的变化规律。研究结果表明:地壳内部软弱异性体使其周围岩体应力重新分布,形成围绕软弱异性体的应力集中;随着挤压与张拉构造应力的加剧,软弱异性体围岩出现蝶形破坏区,蝶形破坏区蝶叶周围岩体集中的大量弹性能,是地震能量主要来源;软弱异性体使其周围岩体能量积聚特征呈指数型变化,且在软弱异性体围岩蝶形塑性破坏演化过程中会形成蝶形能量集中区,标志着系统由稳态向非稳态能量集中的转变;地震发生时软弱异性体周围岩体塑性破坏范围与积聚能量所处的状态决定了地震发生级别的大小,在蝶形塑性破坏的剧烈扩展阶段,微小的应力扰动即可引发整个围岩能量系统的灾变,引发大级别的自然地震。