深部围压对岩体爆破损伤范围影响数值分析

深井矿山开采条件下,地应力环境更加复杂,为研究高应力围压对爆破破岩效果的影响,采用ANSYS/LS-DYNA分析软件建立了三维数值计算模型,设定开采深度H分别为1000 m、2000 m和3000 m三种方案,开展三向围压下岩体爆破损伤范围数值分析。研究表明:在相同岩石和爆破参数条件下,随着开采深度的增加,围岩压力随之增大,围压总体上对爆破损伤范围起到抑制作用,使得装药区的爆破损伤体积由H=1000 m时的2.21 m3降低至H=3000 m时的0.52 m3,降低幅度达到76.5%;且对拉伸破坏的抑制效果更明显,岩体爆破损伤类型由拉伸破坏逐渐向剪切破坏转化。高围压条件下,岩体的围岩约束作用增大,一定程度上加大了爆破难度,但超过一定范围易于诱发岩爆事故。     

混凝土类材料SHPB实验若干问题探讨

分离式霍普金森压杆(SHPB)实验是研究混凝土类材料动态力学性能的主要方法。该文简要回顾了当前混凝土类材料SHPB实验中存在的若干问题(如端面摩擦、骨料大小、惯性效应、温度效应等)的研究进展;通过对混凝土SHPB实验的精细化数值模拟,进一步分析了惯性效应产生机理,提出了材料的塑性流动引起的横向加速度是产生围压的关键原因,围压波在试件中心的反射和边缘的卸载形成试件中围压从中心向四周逐渐减小的抛物线型分布;利用该文所提的SHPB实验惯性效应产生机理,较好地解释了SHPB实验的尺寸和主动围压的影响规律;基于自主研制的可进行围压和温度共同加载的SHPB实验装置TSCPT-SHPB,对在5MPa~25MPa围压作用下以及在40℃~80℃温度下盐岩动态力学性能进行实验研究,结果表明,高围压下应变率效应不如低围压下显著,温度越高,强度越低;基于考虑粗骨料大小、形状及空间随机分布的三维混凝土细观模型,对混凝土各细观组分对动态效应影响进行了研究,结果表明:各组分材料静态强度越高,混凝土动态强度也越高;在相同骨料粒径条件下,骨料体积率越高,混凝土动态强度也越高;而相同骨料体积含量条件下,骨料尺寸越大,混凝土动态强度越低。     

含显著沉积弱面砂岩加卸荷破坏试验研究

层状岩体加卸荷条件下的各向异性规律对于指导工程设计、施工具有重要意义。对含显著沉积弱面的水平、垂直层理的宜昌砂岩加载、卸载破坏的试验研究表明:1) 水平、垂直层理砂岩回弹值、纵波波速与强度存在一定的相关性,其基本规律是回弹值或者纵波波速越大,岩体强度越大;2) 无论采用加载还是卸载破坏方式,相同围压下,垂直层理岩体的强度一般大于水平层理岩体;3) 无论是水平还是垂直层理岩体,卸荷破坏峰值强度在低围压下高于加载破坏强度,而高围压下低于加载破坏强度;4) 该文试验条件下,加卸载破坏形式主要是剪切破坏,根据Mohr-Coulomb准则预测的破坏角和实测值非常接近,水平和垂直层理岩体加卸载破坏的破裂面并未受到沉积弱面的影响。     

不同应力路径下辉绿岩能量演化与破坏机制研究EI北大核心CSCD

以灵宝矿区辉绿岩为研究对象,开展了单轴及三轴循环加卸载试验和恒轴压卸围压试验,分析了应力-应变曲线及破坏形态,研究了辉绿岩在不同应力路径下的能量演化过程与破坏机制。研究表明:在三轴循环加卸载变形破坏过程中,随着循环次数的增加,滞回环的面积逐渐增大,岩样耗散能与弹性能均增大,耗散能的增长速率逐渐变大,弹性能的增长速率逐渐变小,且围压越大耗能比越大,岩样内部的裂隙扩展和汇合现象显著增加;在恒轴压卸围压变形破坏过程中,围压对辉绿岩的抗压强度和横向变形影响较大;在相同初始围压下,相比较循环加卸载应力路径,卸围压应力路径下试件破坏时弹性能密度更大。     

水力冲击内蕴初始裂纹混凝土致裂机理

为研究水力冲击内蕴初始裂纹混凝土破碎机理,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了水力冲击含竖向裂纹混凝土数值模型,并基于图像处理技术,量化表征了混凝土致裂区破碎规律。研究表明:在初始裂纹弱作用区,水锤效应导致液固接触边界出现剪切断裂,贯通后形成近似"碗状"破碎坑;在初始裂纹强作用区,液固接触边界压剪应力和初始裂纹上部应力集中共同作用引发了初始裂纹上尖端裂纹;"水楔+砼楔"效应与初始裂纹下部应力集中导致了初始裂纹下尖端裂纹;水力冲击激发的应力波在自由边界和初始裂纹反射后相互叠加,引发了锥形裂纹;混凝土破碎度沿射流轴向呈非线性阶跃衰减,表明初始裂纹对混凝土破碎演化有明显阻断及强干扰作用。     

局部高温诱导致裂非均质花岗岩机理研究

深部难钻地层钻速慢、钻井成本高的问题是现阶段钻井提速遇到的瓶颈问题，传统机械破岩难以大幅提速，亟需新的高效破岩方法。该文通过室内试验分析了局部高温作用下花岗岩的破碎模式，基于颗粒流离散元PFC2D建立了非均质花岗岩的等效岩体模型及局部高温诱导致裂花岗岩的热-力耦合模型，考虑了地层压力、液柱压力对于局部高温诱导花岗岩致裂的影响，再现了非均质花岗岩的微、宏观破裂过程，总结了温度、压力与岩石微观损伤的关系。实验结果表明：合理调节温度，在不产生熔融花岗岩的前提下，高温破碎花岗岩效果极为显著，破碎的岩屑呈片状，利于携岩。局部高温作用下花岗岩主要产生两个类型裂纹：晶内剪切裂纹和晶间拉伸裂纹；液柱压力对高温诱导裂纹的抑制作用特别明显，侧向压力能促进晶内剪切裂纹扩展；局部高温使花岗岩产生明显损伤的情况仅发生在浅地层，对深部地层作用甚微，建议结合PDC钻头切削或冲击；对花岗岩不同位置进行加热时，晶内剪切裂纹只存在于加热中心位置，而晶间拉伸裂纹扩展的范围更广，裂纹密度和分布与晶粒属性有关。研究结果有助于对高温热致裂岩石机理的深入了解以及为深部钻井提速提供新的思路。     

基于断裂力学的裂隙岩体强度分析初探

基于断裂力学讨论裂隙岩体的强度一直是断裂力学与岩石力学等学科的重要课题。通过分析单个线性裂纹在压缩载荷作用下的剪切断裂条件,明确了压缩状态下张破裂剪切断裂韧性的物理意义及求解办法。使用复变函数和边界配置法求解了裂尖应力强度因子无量纲系数,进而对张破裂压剪准则进行了改进,使之更加便捷地进行有限裂纹体断裂的预测。基于修正的压剪判据推导了裂隙岩体试件的抗压强度求解公式,算例表明该文方法所建立的强度公式是准确、可靠的。最后,详细讨论了摩擦系数、裂隙倾角、裂隙长度、黏聚力以及围压对裂隙岩体试件抗压强度的影响机理。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

含边裂纹试样弯曲断裂声发射特征研究

采用类岩石材料研究了含边裂纹试样在三点弯曲加载条件下的裂纹扩展过程，并利用声发射（AE）测试技术分析了含裂隙试样弯拉应力作用过程中预制裂纹萌生、起裂、扩展和断裂破坏的全过程的声发射特征。试验结果表明，声发射的阶段性突发特征反映了张拉裂纹阶段性扩展的规律，但边裂纹的拉破裂特征不同于压剪应力作用下的声发射特征。预制裂纹在拉破裂过程中的声发射特征表现为AE数的渐进增长、快速增长、突发式增长和逐渐下降4个阶段。声发射源的带状分布规律表明，在弯拉应力作用下，裂隙的张性断裂不是孤立的，而是有若干个小断裂面聚集而成宏观断裂，探讨了预制裂隙受拉破坏的内在机理。     

不同冲击幅值下洞室围岩变形-开裂-垮塌过程——基于连续-非连续方法

在防护和采矿等工程中,洞室围岩常会受到不同形式的冲击载荷作用,从而诱发垮塌和冲击地压等严重灾害。继续完善自主开发的拉格朗日元与变形体离散元耦合的连续-非连续方法,同时引入Ⅰ型和Ⅱ型断裂能,在适于模拟拉裂的基础上,也适于模拟剪裂,从而可对有关灾害的机理分析和预防产生积极意义。利用该方法开展了周期半正弦波冲击下洞室围岩的变形-开裂-垮塌过程的数值模拟研究,着重阐明了应力波反射和叠加导致洞室顶板开裂机理,解释了洞室两帮拉、剪裂相伴现象的原因,探讨了周期冲击载荷幅值的影响规律。研究发现:(1)当由模型的上端面传入的第1个压应力波抵达洞室顶板表面时,压应力波分化成的中间部分发生反射,反射的拉应力波单独自己或与第1和第2个压应力波之间的受拉区叠加导致顶板拉裂;(2)洞室顶板以拉裂为主;洞室两帮以剪裂为主,并形成V形坑。洞室顶板的拉裂区对于后继应力波有吸能作用;(3)在洞室两帮发生剪裂后形成多重V形坑,坑内应力处于低值,而且,压应力波波后会存在一个挤压程度不强烈区甚至受拉区,从而导致坑内发生拉裂,造成拉、剪裂相伴现象;(4)随着冲击载荷幅值的减小,拉、剪裂缝的数目和分布范围减小,V形坑最大深度减小,洞室围岩更易平衡。     

Numerical simulation with experimental verification of the fracture behavior in granite under confining pressures based on the tension-softening model

The use of the tension-softening model for analyzing fracture processes of rock is examined with special reference to the effect of confining pressure on the fracture extension. Tension-softening curves are measured by means of theJ-based technique from unconfined tests performed on compact tension (CT) specimens of granite. On the basis of the determined tension-softening relation, numerical analyses are executed using a boundary element method (BEM) to simulate fracture of the granite under confining pressures. Numerical results are compared to the experimental results of two series of tests for which CT specimens and thick-walled cylindrical specimens were loaded to failure under confining pressures ranging from 0 to 26.5 MPa. It is shown that the BEM analyses can predict the observed fracture behavior. Based on the results, it is demonstrated that the tension-softening relation provides a suitable model to analyze the fracture process in the rock. The source mechanism for the pressure sensitive fracture is discussed by examining the growth of the fracture process zone.     

Numerical simulation with experimental verification of the fracture behavior in granite under confining pressures based on the tension-softening model

The use of the tension-softening model for analyzing fracture processes of rock is examined with special reference to the effect of confining pressure on the fracture extension. Tension-softening curves are measured by means of the J-based technique from unconfined tests performed on compact tension (CT) specimens of granite. On the basis of the determined tension-softening relation, numerical analyses are executed using a boundary element method (BEM) to simulate fracture of the granite under confining pressures. Numerical results are compared to the experimental results of two series of tests for which CT specimens and thick-walled cylindrical specimens were loaded to failure under confining pressures ranging from 0 to 26.5 MPa. It is shown that the BEM analyses can predict the observed fracture behavior. Based on the results, it is demonstrated that the tension-softening relation provides a suitable model to analyze the fracture process in the rock. The source mechanism for the pressure sensitive fracture is discussed by examining the growth of the fracture process zone.     

基于两种破裂判据的裂隙岩体单轴压缩起裂分析

该文引入Rankine最大拉应力准则和Mohr-coulomb剪切破坏准则分别作为岩石基质的拉伸和压剪破裂判据,分析了单轴压缩下裂隙岩体的起裂机制。根据含单个椭圆裂隙的无限域岩体在单轴压缩下的应力理论解,编制了Matlab程序,计算分析了不同短轴与长轴比k和倾角α(加载轴与裂隙长轴间的夹角)下的岩石基质应力集中系数、两种不同起裂机制的破裂函数值、开裂位置和开裂临界荷载。对多裂隙岩体,采用ABAQUS有限元软件进行了应力计算和起裂机制分析。计算结果表明:1)与单裂隙岩体相比,多裂隙岩体的岩石基质应力集中系数略大、起裂临界荷载略小,但起裂位置相同;2)随着裂隙倾角α的增大,岩石基质的主拉应力集中区由裂隙端部附近很小的区域逐渐变为裂隙中部的大面积区域,而主压应力集中区则反之;3)存在临界裂隙倾角α0,其值在45°附近。当裂隙倾角0<α≤α0时,在裂隙端部同时有拉应力和压剪应力集中,拉破裂临界荷载小于压剪破裂临界荷载,但随着裂隙轴比的增大二者逐渐相等,表明岩体受拉破裂和压剪破裂共同影响越来越明显;当α0<α≤90°时,尽管拉破裂临界荷载大于压剪破裂临界荷载,但首先发生在裂隙端部的压剪破裂区范围很小,而随后将在裂隙中部或端部发生大量的拉伸破裂。上述分析结果与实验现象较为吻合。     

Mechanical behaviour and fracture evolution of coal specimens containing an over-excavated hole: Experimental study and numerical modelling

Utilising a series of mechanically over-excavated cavities along borehole is a novel technique for enhancing the permeability of soft coal seams and, consequently, gas drainage. The evolution of cracks induced by a wide range of pressure-relief around an over-excavated hole is intrinsically complex. In this study, the mechanical behaviour and crack evolution of the specimens containing an over-excavated hole under uniaxial compression loading were studied by experimental and 3D numerical simulation. The results indicated that the peak strength and elastic modulus of the specimens gradually decrease with increasing cavity diameter and length, which is also verified by the numerical simulation. The inclusion of cylindrical cavities in over-excavated holes results in reduced crack initiation stress and a greater degradation of peak stress and elastic modulus, despite having an equivalent volume to the ellipsoidal cavity. This is likely attributed to the difference in stress concentration between the cylindrical and ellipsoidal cavities. The crack propagation process can be classified into four stages based on the acoustic emission (AE) event counts, initial crack compaction, stable crack propagation, unstable crack propagation and post-peak failure stage. The two AE indices, rise angle and average frequency value, demonstrated that the failure is dominated by tensile crack and gradually transformed to shear crack. Stress redistribution is essential in the initiation and propagation of cracks. Tensile stress concentration leads to cracks forming at the top and bottom of the hole, which propagate in the direction of loading. Compressive stress concentration results in shear cracks forming at the left and right sides of the hole, which propagate diagonally. The failure pattern of the specimen is ultimately determined by a combination of tensile and mixed crack propagation. The experimental and numerical results contribute to a deeper understanding of the crack evolution mechanism of coal seams with over-excavated holes.     

含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制

为探究地应力影响下含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制,运用断裂力学原理建立了爆破扰动下深部岩体含水裂纹扩展的力学模型,通过定义等效爆破扰动荷载推导出了岩体动静耦合强度因子的计算表达式;同时,通过对拉剪型和压剪型裂纹断裂的分析,了解到爆破扰动、水压力、地应力、裂纹倾角等因素对裂纹断裂的影响方式,获得了裂纹断裂的广义断裂准则,并进行实例运算,结果表明:在拉剪型断裂中,地应力对其相同方向裂纹的断裂起促进作用;在压剪型断裂中,不同侧应力系数下裂纹最易发生断裂的角度与岩体的内摩擦系数有关;爆破扰动荷载相当于增大了裂纹水的压力。