基于3D扫描的深部砂岩动态破碎块体尺度特征与能量耗散规律试验研究

在不同的冲击荷载下,岩石会破碎成不同尺寸的块体或颗粒。为了对动态荷载下岩石的吸能特性和动态破碎块体的尺度特征进行定量研究,采用分离式霍普金森压杆系统(SHPB)对煤矿深部砂岩进行了动态压缩试验。得到了不同冲击荷载下岩石试件的动态压缩强度规律,分析了入射能对试件吸收能的影响和应变率效应。在此基础上,利用3D扫描技术、数字图像处理技术得到破碎块体的三维扫描模型,探讨了砂岩试件破碎块体尺度特征与吸收能量的关系。研究表明：砂岩试件的动态抗压强度和吸收能都具有明显的应变率效应,动态抗压强度和动态应变率近似呈线性关系,而吸收能则呈指数型关系;在不同的入射能量下,试件吸收的能量有所不同,吸收能随入射能呈线性增长;在应变率为54～221.9s^-1范围内,3D扫描技术能对砂岩破裂块体进行高精度数字重构;随着冲击荷载和输入能量的增大,试件破碎块体的形状逐渐丰富,破碎块体的粒径逐渐减小,比表面积逐渐增大,试件的破碎形态由大块体破断向小块体破碎转变。砂岩材料的破碎成形和能量耗散是材料的率效应机制。     

循环冲击作用下岩石能量耗散特征及损伤研究

为研究玄武岩在循环冲击作用下的能耗特征及损伤，采用带围压装置的霍普金森压杆(SHPB)系统设置5种冲击气压梯度对玄武岩试样开展单轴冲击试验和两种围压状态下的循环冲击试验。研究发现，随着循环次数增加，试样单位体积吸收能呈现前期匀速缓慢增长，临近破碎时增长速率急剧攀升的趋势，玄武岩试样单位体积吸收能与冲击气压值呈正相关；施加围压可大大增加玄武岩抵抗外部冲击的能力，破碎时累计比能量吸收值比无围压状态提升10倍以上；随着循环冲击次数的增加，损伤因子D先匀速上升，而后上升速率加大，临近破碎时，岩石吸能效率下降，损伤因子又趋于平稳；损伤因子D达到0.4左右时，玄武岩试样出现较为明显的剪切裂纹。     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

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...     

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC–2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明：(1)在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力–应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快–慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹–剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。(2)揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律：孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地...     

冲击载荷下煤样动态拉伸劈裂能量耗散特征实验

为研究煤样动态拉伸变形破坏过程中的能量耗散规律,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度、层理倾角及饱和含水对煤样总吸收能密度、总耗散能密度和损伤变量的影响;同时将煤样破碎后产生粒径为0~0.2 mm和0.2~5 mm的碎屑进行收集,并对不同尺寸碎屑的分布特征进行了对比分析。研究表明:同一层理倾角的自然煤样损伤变量随着冲击速度的增加呈近似线性增加,饱水煤样损伤变量整体随冲击速度增大呈指数函数增加;相比于自然煤样,饱水煤样粒径为0~0.2 mm的碎屑量减少了14.1%~31.3%,粒径为0.2~5 mm的碎屑量减少了33.7%~53.0%;但当层理倾角为45°时,饱水煤样碎屑量质量百分比反而比自然煤样要大。     

冲击荷载作用下煤矿泥岩能量耗散试验研究

岩石破裂破碎实质是一个能量吸收与耗散的过程,煤矿岩巷钻爆掘进过程中,既要有足够的爆炸能量使待开挖区岩石破裂破碎和抛掷、形成空腔,又要控制爆炸能量对保留岩体造成的损伤,尤其是冲击荷载作用时强度较低的泥岩的动态响应特性更需要重点研究。以淮南矿区典型巷道泥岩为研究对象,利用直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下泥岩动态压缩试验,研究在冲击荷载作用下泥岩的动态力学性能和破裂破碎特征,重点研究动荷载作用下泥岩的能量耗散规律。为了进一步揭示泥岩动态破碎破裂与泥岩构成主要化学成分与细观结构之间的关系,对泥岩的静态物理力学性能进行了测试并进行泥岩的X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)测试,确定其主要组分、化学和颗粒成份;同时采用放大1 000倍的电子数码显微镜对泥岩试件表面、断口进行放大观察,从岩石细观结构出发,通过对细观结构变化、物理与力学过程的分析研究了岩石的损伤及其演化。结果表明:泥岩的主要化学成分主要为Si O2,其次为Al2O3,Fe2O3,其力学强度低,物理性能指标差,在冲击荷载作用下,泥岩内部大量空隙缺陷(如空穴,位错,微裂隙等)动力学过程加剧,形成损伤;在应力波的持续作用下,大量的微损伤和微观不均匀处在试件内部进行复杂的演化,在颗粒内部结构、沿颗粒间裂缝和沿晶粒界会产生大量的微裂纹并发展,在构造边界碎片分层、夹杂物中也产生裂纹,泥岩试件最终产生环向断裂破坏和轴向劈裂拉伸破坏;试件吸收能、透射能和反射能均随入射能增加而增加,分别呈线性、对数和二次函数形式增长;试件吸收能可以用单位体积耗能密度、单位质量耗能和吸收阻抗比能表征,三者均随入射能增加呈线性增长,随应变率呈二次函数增长。     

高径比差异条件下花岗岩动态冲击能量耗散及破碎特征

为研究不同高径比岩石在动态冲击中的能量特性和破碎特征,采用SHPB在冲击速度18.01 m/s条件下对不同高径比花岗岩进行动态压缩试验,结合岩样破坏形态,从破坏过程中的能量角度出发,分析高径比对透射能、反射能及岩样破碎块度的影响。结果表明：高径比为0.5～1的应力-应变曲线出现“双峰”,次峰表现出明显的塑性特征,高径比越小越明显;透射能随高径比增大而减小,反射能随岩样高径比增大而增大;高径比为0.5～0.9的岩样反射能大小基本一致。不同高径比岩样能量耗散率在44.9%～56.1%,能量耗散严重。单位体积岩石破碎耗能随高径比增大而减小,且单位体积岩石破碎耗能大小与分形维数呈正相关,不同高径比花岗岩分形维数在1.94～2.536。在强冲击载荷下花岗岩呈劈裂破坏,岩样破碎块度尺寸随高径比增大而增大。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

冲击载荷下灰岩的动力学特性及能量耗散规律

应用分离式霍普金森压杆实验装置,开展不同冲击速度与冲击次数作用下灰岩动力学特性研究,并结合核磁共振试验结果综合分析能量耗散规律及其原因.结果表明:不同冲击速度下灰岩轴向应力随轴向应变增加呈现出陡增—线性增加—非线性增加—快速跌落的变化趋势,不同冲击次数下的变化规律与之类似,仅缺少陡增阶段;随冲击速度增加,灰岩中峰值应力...     

冻结红砂岩力学特性试验研究

为了研究梅林庙矿区红砂岩在冻结条件下的力学性质,对红砂岩试样分别进行了不同围压以及不同温度条件下的三轴力学特性试验。试验结果表明:围压和温度对于冻结岩石有着很明显的影响。在-15℃条件下红砂岩轴向抗压强度与围压呈线性增长关系,红砂岩仍然遵循莫尔-库伦强度准则,其黏聚力为11.99MPa,内摩擦角为33.7°。在围压为12MPa条件下红砂岩抗压强度与温度呈现二次曲线的关系,弹性模量与温度呈线性关系,而泊松比受温度的影响并不大。利用曲线拟合得出3种不同围压下强度与温度的关系式,从而为井筒科学掘进提供理论支撑。     

水—岩化学腐蚀损伤作用下红砂岩蠕变特性试验研究

为探讨水—岩化学腐蚀损伤作用下红砂岩的蠕变力学行为,设计开展了不同浓度和pH值Na2SO4溶液化学腐蚀作用下的单轴压缩和分级加载蠕变试验.结果表明:红砂岩的水—岩化学腐蚀损伤情况与化学介质浓度和溶液pH值密切相关,酸碱性越强、浓度越高,试件内部的孔隙率越大,纵向超声波速度越小,红砂岩对化学溶液的敏感性具体表现为:酸性溶...     

红砂岩不同蠕变阶段声发射振幅与能量特征研究

为认识岩石蠕变过程中的声发射特征,对红砂岩进行了分级循环加卸载试验,研究了试件在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段的声发射振幅与能量特征。试验结果表明:在减速蠕变阶段,声发射振幅与能量随时间的增长而减小;而后,在等速蠕变阶段,声发射振幅与能量基本趋于稳定,并且两参数的平均值与方差小于减速蠕变阶段。在加速蠕变阶段,声发射振幅与能量发生跃迁的频率增大。在此阶段,声发射能量平均值与方差和声发射振幅方差,大于减速蠕变与等速蠕变阶段。以上声发射特征说明,相对于等速蠕变阶段,减速蠕变阶段微破裂的尺度相对较大;而在加速蠕变阶段,微破裂在更大尺度的范围内发生。试件损伤主要发生在减速蠕变与加速蠕变阶段。     

预制裂隙红砂岩在冲击荷载作用下的动力特性

红砂岩是南方地区普遍存在的泥状胶结结构土,为研究其在冲击荷载作用下的动力特性,本文采用理论分析和落锤试验相结合的方法,开展了节理砂岩和完整砂岩的冲击动力试验。结果表明:砂岩加载速率和卸载速率近似相等,节理砂岩达到峰值强度后存在短暂的蠕变现象;当冲击能较小且岩石较质密时,加载中后期位移会出现轻微反弹,反弹位移随落锤质量的增加而减小;节理的存在使得加速度时程曲线出现两个峰值,砂岩破坏被分为两次峰值加速度前后明显的两段;根据能量守恒原理,验证了裂隙岩体破坏时吸收的能量小于完整岩体吸收的能量。本试验研究可为红砂岩类围岩硐室的稳定性控制提供理论依据。     

锤式破碎机破碎煤岩时内能消耗功率研究

通过LS-DYNA的SPH法建立动力学仿真模型,根据仿真结果和仿真数据,利用SPPS软件作数值回归分析,推导出锤式破碎机破碎煤岩时内能消耗功率大小的计算公式,为锤式破碎机设计功率的选取提供了理论依据。     

褐煤热损伤过程中的孔裂隙细观特性研究

利用高温气体加热设备,对褐煤进行不同温度的加热处理,通过电镜扫描观察到其表面的破坏形式,利用高精度的CT对试样进行X射线扫描,从宏观方面得到其破坏形式的同时对CT图像进行二值化处理,得到不同温度段褐煤的孔隙率以及裂纹的长度以及宽度。结果表明:温度作用下,褐煤固体颗粒之间产生热应力使得有机质得到热解的现象称为热破裂;热破裂效应在温度高于200℃后作用明显,200℃以下,褐煤孔裂隙演化主要是因为内部自由水及气体散失导致,200℃以后,热破裂占据主导作用,孔裂隙发育增幅变大,孔隙率较常温状态下增加了6.83%;热损伤低温阶段,褐煤破坏以细长裂隙为主,当温度高于200℃后,破坏形式以不规则的椭圆形为主。     

动静载荷作用下红砂岩力学性能试验研究

利用MTS810电液伺服材料试验系统和霍普金森压杆试验系统(SHPB)分别研究红砂岩材料动、静载荷作用下应力-应变全过程曲线、破坏特征,并将2种状态下的试验结果进行了对比。研究表明:动载荷曲线较静载荷曲线在压密阶段之前存在局部变形阶段;动载荷作用下,当应变率大于66 s-1时,红砂岩应力-应变曲线表现出一个与静载作用下相似的软化阶段;而当应变率未达到66 s-1时,红砂岩在裂纹处发生明显的脆性崩裂;红砂岩在静载下为沿断裂面的滑移破坏,在动载下为轴向劈裂破坏。     

砂岩岩爆声发射特征及b值动态特性试验研究

在单轴加载条件下,对砂岩进行全程加载声发射试验,得到砂岩岩爆破坏过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间关系曲线。根据需要选择声发射累计数、震级-频度关系中的b值变化规律,研究了砂岩岩爆的前兆信息。研究表明,在砂岩弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射累计数快速增加,b值持续下降;在砂岩发生岩爆前,b值下降到最低值。对声发射累计数和b值进行联合分析,能更加准确地预知岩爆的发生。     

红砂岩的特性及其施工

通过京九铁路麻武联络线的施工，简要地叙述了线路所处地区的红砂岩的特性与施工，及其施工中所应注意的事项，根据实际施工情况，特别对红砂岩的爆破及真筑压实方面进行了较为详细的叙述。