三轴压缩煤样破坏规律及剪切强度参数的反演

在提出了等效破裂角概念的基础上,采用正交分析理论,对煤样剪切破坏规律及其主要影响因素进行了分析.结果表明:煤样共有4种破裂形式,随着内摩擦角及围压的减小,易发生破坏的顺序依次为单剪破坏、共轭破裂、张剪破坏、延性破坏;煤样破坏角随着内摩擦角和围压的增大而减小,随着剪胀角的增大而增大;内摩擦角为45°时,均为单剪破坏,内摩擦角为15°时,均为延性破坏.采用峰值强度、等效破坏角、峰值轴向应变、峰值环向应变来反演煤样黏聚力和内摩擦角的方法可以获得单个煤样的力学参数,与实测相吻合,体现了煤样的离散特征.     

煤样剪切变形及裂纹演化特征离散元模拟研究

通过对煤样常规三轴试验的拟合,得到一组能够反映煤样宏观力学性质的PFC细观参数,并在此基础上制备含不同倾角预制裂隙的剪切试样,利用模拟的方法研究裂隙倾角对煤样宏观剪切力学性质的影响.通过对模拟结果分析,得到如下结论:由于拉应力最大值和拉应力的分布区域随裂隙倾角不断改变,导致裂纹萌生应力在倾角为0°~30°时呈现不断增大的趋势,在30°~75°之间呈现减小的趋势,在75°~90°之间呈现增大趋势.根据裂纹数目随应力应变曲线的变化特点,将试样的破坏过程分为3个阶段,并根据翼裂纹再次扩展到次生裂纹萌生扩展阶段对应的剪切应变大小将不同裂隙倾角试样大体分为脆性破坏试样和延性破坏试样.在对试样破坏过程分类的基础上分析了试样的最终破裂模式和次生裂纹萌生对应的剪切应变,结果表明试样破裂过程的决定因素为试样的破裂模式,并且破裂模式影响次生裂纹萌生对应的剪切应变.通过对模拟试验结果的分析,提出不同工况的支护建议.     

煤体剪切破坏过程电磁辐射与声发射研究

用剪切实验台和电磁辐射、声发射接收系统对煤体剪切破坏的电磁辐射、声发射特征进行了研究 .结果表明 ,煤体剪切破坏过程中电磁辐射和声发射有两种类型 :一种是在加载初期出现较高的强度 ,加载中间阶段有较为平静的区域 ,主破坏发生前又逐渐增强 ,破坏时出现较高的强度 ,破坏后逐渐减弱 ;另一种是随应力增大电磁辐射和声发射持续增强直至破坏 ,破坏后减小 .试验结果与预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等动力灾害的现场测试结果吻合 .     

低透气性原煤力学及渗透特性的试验研究

利用MTS815岩石力学试验系统和气体渗透试验系统,开展了原场应力状态下原煤煤样在不同瓦斯压力条件下的三轴压缩渗透试验,对比了不同瓦斯压力下煤样的变形、强度和渗流特征,分析了瓦斯对原煤煤样力学性质的影响,以及煤样变形破坏过程中其渗透特性的变化.结果表明:随瓦斯压力增加,弹性模量和峰值强度呈指数型衰减,泊松比、峰值轴向应变和峰值横向应变呈指数型增加,煤样变形能力增强,抵抗破坏的能力减弱.瓦斯渗透率随煤样加载变形破坏呈先减小后增大趋势.瓦斯渗透率变化与体积变形机制密切相关,在体积压缩阶段存在不可恢复性衰减,在峰后阶段随体积膨胀逐渐增加,残余阶段的渗透率一般远大于初始静水压力状态的渗透率.对低透气性煤层瓦斯抽采和煤炭安全开采具有现实指导意义.     

某高瓦斯矿煤岩渗透特性的实验研究

从某高瓦斯矿采集煤样.通过扫描电镜对其微结构和孔隙裂隙特征进行了观测.利用电液伺服岩石力学试验系统以数控瞬态渗透法进行了标准煤样全应力应变过程的电液伺服试验.根据实验结果计算出了煤样破坏过程中不同应变下的Darcy流渗透率、非Darcy流渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数,给出了主应力差、煤样渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数与轴向应变关系曲线,研究表明:该矿煤样结构均一,具有壳状断面和放射性细纹,有时可见稀疏裂隙;在煤样破坏过程中,由于围压的作用,全应力应变过程中煤样的渗透率随着应变的增大而发生变化;非Darcy流β因子和加速度系数趋势相同.     

π平面上冻结黏土破坏函数适用性试验研究

为了研究冻土在π平面上的强度特征,利用冻土空心圆柱仪对冻结黏土开展了-6.0℃条件下4个平均主应力p(1.0,3.0,4.5和10.0MPa)和5个应力Lode角θσ(-30.0°,-16.1°,0°,16.1°和30.0°)的定向剪切试验.结果表明:定向剪切路径下冻结黏土的应力-应变曲线均呈现应变硬化特征;随着中主应力系数b值的增加,轴向强度逐渐降低;随着平均主应力p值的增大,中主应力系数b值对广义剪应力-剪应变曲线的影响逐渐减弱;在平均主应力p值较小时,中主应力系数b值的变化对破坏应力比的影响较大,而在平均主应力p值较大时,这一影响则较小;在相同中主应力系数b值下,破坏应力比随着平均主应力的增大而减小.随着平均主应力的增加,π平面上冻结黏土的破坏曲线形状从光滑外凸三角形渐变为圆形,非线性广义强度理论能较好描述这种演化规律.     

不同接触位置的红砂岩规则锯齿节理面剪切特性研究

不同接触位置对规则锯齿节理面的剪切特性存在一定影响,为探究其影响规律,制作了具有相同粗糙度但接触位置不同(平直部分集中分布于节理面中部或对称分布于节理面两侧)的规则锯齿节理面,在不同起伏角、不同竖向应力条件下开展直剪试验.试验结果表明,节理面的剪切应力-剪切位移曲线可划分为4个阶段:峰前线弹性阶段、峰前非线性阶段、峰后软化阶段、峰后残余阶段.线弹性阶段节理面的剪切刚度、破坏时峰值剪切强度与锯齿的起伏角、节理面所受竖向应力以及节理面接触位置均有关;但残余剪切强度只与节理面所承受的竖向应力有关,符合摩擦作用的规律.     

充填体失稳破坏前兆识别及破坏形式演化规律研究

为研究充填体失稳破坏过程中声发射信号时频特征及破坏形式,对不同灰砂比充填体试件开展单轴加载声发射试验。通过频谱分析技术,采用时频域结合对试验结果进行深入剖析。结果表明:不同灰砂比充填体失稳过程中低频带信号占比最大,高频带信号次之,中频带信号最少;峰值应力前,低频信号明显减少,中、高频信号明显增加这一特征可作为充填体失稳破坏的前兆信息;声发射参数RA和AF特征值在不同时刻的分布特征,揭示了破坏形式的演变过程,灰砂比1∶6时充填体在压密及弹性阶段以张拉破坏为主,塑性变形及峰后破坏阶段以剪切破坏为主,灰砂比1∶10时充填体破坏全过程以张拉破坏为主、剪切为辅,灰砂比1∶15时充填体破坏全过程以张拉破坏为主。试验结果对细观角度下研究充填体失稳破坏机制以及采场充填体失稳的预测具有重要意义。     

侧限压缩条件下充填体与岩柱相互作用机理

利用伺服实验机对不同配比充填体-岩柱进行侧限压缩实验,研究不同工况下岩柱的峰值强度、残余强度、峰值应变、破坏形式,以及充填体-岩柱的受压特性.结果表明:充填体-岩柱的承压过程主要分为岩柱试件承载阶段、岩柱试件的破坏阶段、充填体和岩柱共同承载直到破坏阶段、充填体和岩柱散体承压阶段.随着充填体强度的增大,岩柱的峰值强度、残余强度以及破坏时的轴向应变逐渐增大,同时岩柱的破坏形式逐渐由单轴压缩时的拉伸破坏向剪切破坏转化,而无充填体包裹的岩柱则主要发生单斜面剪切破坏.相比充填体-岩柱应力-应变曲线峰后的下降斜率,单岩柱破坏时表现出了更强的突变性.     

干燥和饱水裂隙砂岩破坏电磁辐射特征研究

为研究孔隙水对裂隙岩石破坏过程中电磁辐射(EMR)特征的影响,对含预制平行双裂纹的干燥与饱水砂岩进行了单轴压缩实验,同步采集电磁辐射信号,分析电磁辐射时-频特征,并讨论裂纹扩展与电磁辐射信号之间的关系.结果表明:水岩作用下,裂纹起裂应力水平降低,岩样破坏模式由单一沿岩桥-预制裂纹发生剪切破坏过渡到多裂纹剪切-拉张复合破坏.随着应力的增加,饱水岩样累计电磁辐射脉冲数平稳上升,干燥岩样则呈缓慢-剧烈上升模式且上升幅度明显高于饱水岩样.应力增加过程中,电磁辐射集中分布频段由较低频段逐渐过渡到较高频段,幅值呈现逐渐升高的趋势.相比干燥岩样,饱水岩样在加载前期的主频分布较高,但在加载中后期则较低.裂纹起裂时伴随着电磁辐射脉冲和主频突增现象,可以作为岩样失稳破坏的前兆特征,饱水岩样此特征更为明显.不同加载时期岩样的微观破裂模式和产生电磁辐射的主导机制存在差异,水分对电磁辐射信号的影响由加载前期的增强作用逐渐转变为加载中后期的减弱作用.     

基于颗粒流的矽卡岩静态加载速率效应研究

采用颗粒流离散元软件PFC2D,通过Fish语言编写程序,模拟了矽卡岩岩样3级不同加载速率下的室内单轴压缩试验,并分析了其静态加载速率效应。模拟结果表明:模拟得到的岩样破裂形态、应力-应变曲线、峰值强度变化等与试验结果较为吻合;加载速率增大,峰值强度及其对应的应变增大,且在10-2数量级内增幅明显,峰后变形能力减弱,弹性模量、泊松比基本不变;加载速率增大,临界扩容应力和扩容点对应应变增大,扩容曲线软化段都很平缓,体积膨胀急剧;岩样主要破坏形态为剪切破坏,且随着加载速率增加,由单一剪切破裂过渡到共轭剪切破裂,更易形成锥形破坏。研究结果可为相关岩体的室内试验及岩土工程的稳定性评价提供参考。     

应变速率对天津海积软土力学性能的影响

采用WF应力路径三轴仪,对天津滨海海积软土进行了不同围压、不同应变速率的三轴固结不排水剪切试验（CU）,分析了不同应变速率对海积软土试样的应力一应变关系、有效应力及试样破坏形态的影响．结果表明：CU试验应力一应变关系呈硬化特征,剪应力峰值随着应变速率的增大而增大,而孔压变化值则随着应变速率的增大而逐渐减小;不同应变速率的有效应力路径在相同固结压力下基本一致,因而正常固结黏土的有效应力路径具有唯一性;同时,应变速率对总应力强度有所影响,总应力的内摩擦角随着应变速率的增大而增大．     

不同受力状态下岩石破坏过程次声信号特征

采用室内试验方法,分别开展了岩石在压缩、剪切和拉伸状态下的破坏试验,利用高灵敏度的次声信号采集设备同步采集岩石破坏过程中的次声信号,对不同受力状态下岩石次声信号的特征差异进行了研究。结果表明:在压缩状态下,岩石次声信号发射主要在弹性和塑性变形阶段,次声信号的峰值频率在7 Hz左右,在岩石临近破坏前,次声信号振幅和频率范围均有所增加;在剪切状态下,次声信号主要集中在峰值后应力逐步下降的阶段,信号功率分布集中程度较压缩试件略低,峰值频率在8 Hz左右;在拉伸状态下,试件加载初始阶段便有次声信号发生,次声信号频率通常存在高、低两个中心,其中低频与压缩试件接近,高频则高出3 Hz,拉伸试件内部裂隙的萌生和发展较压缩和剪切状态下更为迅速、有序,随着试件内部裂隙的发展,次声信号频率逐渐升高。以上特征的发现为不同受力状态下次声信号的识别以及岩体灾变预测提供了依据。     

贯通型锯齿状节理岩体的剪切力学行为

为探究一阶起伏角和法向应力对贯通型锯齿状节理岩体剪切强度及变形的影响规律，在不同法向应力作用下对含不同一阶起伏角的锯齿节理试样进行室内直剪试验，建立一个贯通型锯齿状节理岩体剪切强度估算公式并进行验证。结果表明：相同法向应力作用下，根据其形态特征的不同，剪切应力-位移曲线分为滑动型曲线、滑动-峰值型曲线和峰值型曲线3类，滑动型曲线和滑动-峰值型曲线可分为非线性缓慢上升阶段、线性陡升阶段、“上凸形”缓慢上升阶段、近似平直阶段和平直阶段，峰值型曲线可分为非线性缓慢上升阶段、线性陡升阶段、“微凸型”上升阶段、脆性跌落阶段和波动缓降阶段；根据起伏角的不同，锯齿节理岩体的破坏模式可概化为滑移破坏、爬坡破坏和爬坡啃断破坏，每种破坏模式下节理损伤演化过程均可分为3个阶段，即滑移破坏模式可分为压密阶段、克服摩擦阶段和滑移阶段，爬坡破坏模式可分为压密阶段、爬坡滑移阶段和塑性流动阶段，爬坡啃断破坏模式可分为压密爬坡阶段、爬坡啃断阶段和啃断滑移阶段；含不同一阶起伏角的锯齿节理岩体剪切强度均随法向应力和起伏角的增加而增大，其计算表达式仍然遵循M-C准则。     

岩石材料局部化渐进剪切破坏特性及模型分析

为研究岩石材料局部化渐进剪切破坏过程和机制,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机,对典型岩样进行三轴压缩试验,分析了岩石全应力应变过程,重点探讨应力软化、残余应力稳定2个峰后阶段,研究了岩石的破坏形式及机理.结果表明,应力在峰后阶段呈现渐进式跌落,并逐渐趋于稳定而达到残余强度.同时,基于局部化剪切带的形成过程,依据岩石应变软化机制,构建能模拟岩石渐进剪切破坏的力学模型.最后,对所建立的模型进行试验验证,模型计算与试验结果吻合较好,证明了该模型的合理性.     

水-瓦斯耦合作用下煤岩抗压特性劣化试验研究（英文）

闭坑高瓦斯矿井中煤岩体在水和瓦斯的劣化作用下力学特性劣化,这将直接影响其稳定性和安全性。为研究水-瓦斯耦合作用下煤岩抗压特性,基于水-岩-气耦合试验系统,开展了浸泡环境下的全水浸(EW)、半水浸半气浸(WG)及全气浸(EG)煤样和干燥(CZ)煤样的单轴压缩试验,分析了煤样抗压强度及变形破坏特征,并从煤样浸泡前后的组分、宏观结构及破裂断口细观特征的角度,揭示了水-瓦斯耦合作用下煤岩的宏观、细观劣化机制。结果表明,在三种浸泡条件下,煤样抗压强度较干燥煤样均降低,EG组、WG组和EW组煤样抗压强度分别降低了18.92%、38.31%和53.45%,三种浸泡条件下煤样破坏模式由干燥煤样的剪切破坏转变为剪切-拉伸混合式破坏,破坏程度也随之增大,煤样由脆性破坏转变为塑性破坏,导致浸泡后煤样局部化带范围和错动程度增大;煤样在三种浸泡环境中劣化效果主要表现为：1)水和瓦斯的侵入导致煤样内部黏土矿物分解和析出,与CZ组相比,EG组、WG组和EW组煤样平均黏土矿物含量分别降低了3.8%、28.85%和45.94%,煤样孔隙结构发生改变;2)各组煤样浸泡后表面出现劣化效应,EG组表面孔隙发育程度劣于EW组,...     

侧限约束冲击载荷下煤样能量耗散与损伤特征

冲击载荷作用下煤岩能量转化与损伤控制是煤岩冲击动力学领域关注的重点问题.利用分离式霍普金森压杆和自制侧限约束装置，对煤样进行不同速度等级、不同约束状态冲击压缩试验，研究其能量耗散规律和破坏失效模式，并结合超声波测试、CT扫描分析侧限约束条件下煤样损伤特征.结果表明：冲击压缩过程中煤样能量转化分布具有同步异幅特征，受煤低波阻抗特性影响显著.单轴冲击条件煤样呈脆性失稳破坏，从低速冲击的劈裂破坏向高速冲击下压碎破坏模式转变，耗散能与冲击速度呈二次函数正相关关系.受能量相同的入射波作用，侧限约束下煤样微裂隙扩展贯通困难，耗散能明显低于单轴冲击，煤样外观保持整体性较好，发生塑性变形破坏.随着冲击速度的提高，冲击载荷对煤样损伤程度的影响占主导因素，三维重构模型显示煤样内部损伤裂隙体积增幅明显，超声波高频信号降低、低频信号上升、频谱由单主峰向多峰转变.依据纵波波速变化特征，建立了侧限约束煤样损伤程度与冲击速度的关系表达式，可为相关工程设计施工提供参考.     

液氮循环冷冲击作用下煤体受拉破坏特征

为了研究液氮循环冷冲击作用后煤体受拉破坏特征，分别针对0,2,4,6,8,10次液氮冷冲击煤样开展超声测试与巴西劈裂试验，对煤样的纵波波速、抗拉强度、破坏形态、裂隙密度、分形维数等相关物理参数进行分析，同时研究了液氮冷冲击次数对煤样受拉破坏应力场和声发射时域参数特征的影响.研究结果表明：随着冷冲击次数的增加，煤样的纵波波速及抗拉强度逐渐降低，经10次冷冲击后分别降为初始值的37%和30.72%;冷冲击后煤样出现分次破坏且呈现出较明显的屈服阶段.随着冷冲击次数的增加，煤样表面最大应变值逐渐增大，破坏形态从“直线型”逐渐向“网络型”演化，裂隙密度从32.11 m^-1逐渐增大至经10次冷冲击后的113.75 m^-1,同时分形维数从1.15增大至1.49.液氮冷冲击后煤样缓增期内振铃计数出现突变点，且突变点数量随冷冲击次数的增加先升高后降低，第6次冷冲击时达到最大值，之后振铃计数峰值逐渐降低.冷冲击后煤样累计能量曲线呈现阶跃式增长，累计能量峰值随冷冲击次数的增加先升高后降低.弱结构区的存在可能是煤样产生分次破坏、破坏形态向网络型演化以及振铃计数出现突...     

不同围压下松软煤体力学特性与能量演化规律

为揭示滇东矿区松软煤体在加载破坏过程中的力学特性和能量演化规律，基于MTS815.03岩石力学实验系统对原煤试样进行不同围压条件下的三轴压缩实验。结果表明：煤样的峰值应力、弹性模量与围压存在指数函数关系；峰值应变、泊松比随围压呈线性增加；围压效应使煤样的破坏从延塑性向脆性转变，破坏模式由局部剪切形态向整体劈裂形态发展；围压对煤样变形破坏过程中能量演化影响显著。随着围压的增大，极限弹性能与峰值总能量均呈近似线性增加，积聚的极限弹性能对煤样的破坏起重要作用，宏观表现为高围压条件下煤样破坏较低围压剧烈。     

具有初始随机材料缺陷的矿柱渐进破坏模拟

利用FLAC模拟了非均质粗糙端面矿柱的破坏过程及力学行为．利用Matlab编写了预置随机材料缺陷的FISH函数．结果表明：均质矿柱的应力一应变曲线在非均质矿柱曲线的上方．非均质矿柱两侧剪切楔的持续产生使弹性核芯尺寸降低．矿柱两侧面附近的剪切带较弯曲,而其中心的剪切带较平直．弯曲的剪切带起源于矿柱的4个角,然后向其内部传播．由于相对弱的约束,拉破坏单元在矿柱的中部最多且位于硬化阶段形成的剪切楔内部．和均质矿柱相比,非均质矿柱遭到了更严重的拉破坏,在软化阶段后期将形如砂漏,这与现场观察相符．