真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究EI北大核心CSCD

采用真三轴试验系统对煤岩组合体开展加卸载实验,探究不同煤厚比例组合体的力学行为响应特征,分析煤厚比例对组合体冲击破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着煤厚比例的增加,试样形成较多的X型共轭剪切裂纹,强度呈现出明显的下降趋势,下降梯度逐渐减小,冲击破坏特征逐渐明显;(2)试样变形主要发生在初始应力加载阶段及垂向应力再加载阶段,最大主应变是试样变形的最主要构成部分;(3)不同煤厚比例试样的全应力–应变曲线特征相似,随着煤厚比例的增加,试样的塑性变形逐渐增加。根据实验结果分析,在开采及地质条件相似情况下,底板冲击趋势随底煤厚度的增加而增加,增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到一定程度时,底煤厚度的再增加对底板冲击无明显叠加影响。研究成果可为深入认识底板冲击地压发生机制及建设防控技术中试平台并开展工程仿真研究提供参考。     

真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究

采用真三轴试验系统对煤岩组合体开展加卸载实验,探究不同煤厚比例组合体的力学行为响应特征,分析煤厚比例对组合体冲击破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着煤厚比例的增加,试样形成较多的X型共轭剪切裂纹,强度呈现出明显的下降趋势,下降梯度逐渐减小,冲击破坏特征逐渐明显;(2)试样变形主要发生在初始应力加载阶段及垂向应力再加载阶段,最大主应变是试样变形的最主要构成部分;(3)不同煤厚比例试样的全应力–应变曲线特征相似,随着煤厚比例的增加,试样的塑性变形逐渐增加。根据实验结果分析,在开采及地质条件相似情况下,底板冲击趋势随底煤厚度的增加而增加,增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到一定程度时,底煤厚度的再增加对底板冲击无明显叠加影响。研究成果可为深入认识底板冲击地压发生机制及建设防控技术中试平台并开展工程仿真研究提供参考。     

岩石单轴压缩应力–应变特征的率相关性及能量机制试验研究

 岩石渐进性破坏过程分为5个阶段：裂纹闭合阶段、弹性阶段、裂纹起裂和稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后段。利用变频动态加载岩石力学试验系统,研究不同应变率加载条件下岩石破坏过程中的特征应力,即起裂应力、扩容应力以及峰值强度,结果显示,特征应力随应变率的变化情况基本满足以下规律：应变率 ＜5×10－4 s－1时,随着应变率的变化,特征应力基本不随应变率的增减发生变化,其率敏感性不明显; ＞5×10－4  s－1时,特征应力随着应变率的增长而增长,表现出较强的率敏感性。而3个量纲一的参数,即起裂应力和扩容应力与峰值强度的比值以及起裂应力与扩容应力的百分比分别为50%～60%,70%～80%和80%～90%,与应变率无明显相关性。基于能量守恒法则,对岩石破坏过程中的能量特征及能量机制进行分析,结果表明：岩石单位体积吸收的总应变能和弹性应变能均随应变率的增长而增长,损伤应变能则随着应变率的增长先增大后减小。吸收的总应变能和弹性应变能随应变率的变化规律与应力随应变率的变化规律一致,即 ＜5×10－4 s－1时,吸收应变能和弹性应变储能率敏感性不随应变率的变化发生变化,无明显率敏感性; ＞5×10－4 s－1时,吸收的应变能和弹性应变能则随应变率的增加而增加,具有较强的敏感性。应变率一定的情况下,岩石所吸收的应变能主要以弹性应变能的形式储存,损伤应变能基本保持不变,临近峰值点时岩石中损伤应变能才有所增加;一旦过了峰值点,岩石中储存的弹性能快速释放,体现在应变–应变能曲线上则为弹性应变能曲线的迅速下降和损伤应变能曲线的迅速上升。       

不同冲击载荷下层状千枚岩压缩力学特性研究

为研究不同冲击速度下层状岩石动态力学特性,采用分离式霍普金森杆压杆装置对千枚岩进行动态冲击试验。研究冲击速度与层理倾角对层状岩石应力–应变曲线、破坏应变及应变率的影响;并从破碎形态、波传播特性、能量吸收等方面对岩石的破坏模式进行分析。结果表明,层状千枚岩试样破裂面类型分为4类,低冲击速度下,试样大多以单一的破裂面形式破坏,高冲击速度下多种破裂类型混合发生。随着冲击速度的增大,破裂类型增多,岩石平均破碎尺寸减小。岩石的动态破坏强度随倾角增加呈现先减小后增大的趋势,高冲击速度下这一趋势更加显著。同一冲击速度下,随倾角增大,应变率先减小后增大,试样破坏应变随倾角变化先增大后减小,表明低冲击速度下,22.5°倾角试样最易破坏,高冲击速度下,45°～67.5°倾角试样破坏最为容易,0°～22.5°倾角试样最难破坏。在低冲击速度下加载方向与层面处于45°～67.5°夹角时破碎效果较好,能量利用率较高;高冲击速度下加载方向与层面处于90°夹角时破碎效果最佳,能量利用率最高。     

花岗岩动态轴向拉伸力学性能试验研究

在MTS试验机上对花岗岩进行不同应变率(10-6～10-2 s-1)、不同预静载下的冲击加载以及变幅三角波荷载下的动态轴向拉伸系列试验。试验结果表明:在10-6～10-2 s-1应变率范围内,岩石抗拉强度随应变率提高近线性增长;花岗岩的弹性模量随应变率变化无明显变化;峰值应变随应变率增大有增长的趋势,极限应变没有明显的率敏感性;不同应变率的名义应力–应变全曲线的上升段在约40%强度以前呈线性,之后出现明显非线性变形,但随着应变率的增加,非线性程度降低;下降段可简化为两段折线:从峰值卸载至25%强度时,出现拐点,此时应变为300～400με,此后应变增长速度加快,降至残余应力10%强度处时,应变为600～900με;50%以下预静载不会对花岗岩的动载强度产生不利,反而有所增强;更高的预静载则会降低动载强度;在往复加载的低周疲劳引起的损伤累积下,岩石的动强度低于单调加载;随着循环次数的增加,残余应变逐渐增加,且增加的幅度亦有所加大,出现损伤软化的特征。     

动荷载与地应力对岩石响应特性的影响试验研究

地下岩体工程爆破开挖施工过程中,距爆源不同距离处地应力和动荷载大小不同,导致岩石具有不同的响应特性。为研究不同大小动荷载与地应力对岩石动态强度和变形特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置5个冲击速度和轴向静应力等级,分别模拟不同大小的动荷载和地应力,对红砂岩进行三维动态压缩试验。分别分析不同冲击速度和静应力工况下红砂岩平均应变率、动态峰值应力(或动态压缩强度)、极限应变、动态变形模量的变化规律,分别构建红砂岩动态响应参数的演化经验模型,表征岩石动态响应特性。研究结果表明:(1)红砂岩应变率受冲击速度和静应力的影响较大,平均应变率随轴向静应力的增加先减小后增大,随冲击速度的增加呈幂函数增长。(2)相同三维静应力下,随着冲击速度的增加,红砂岩峰值应力和极限应变都呈幂函数增加。(3)相同冲击速度下,随着轴向静应力的增加,红砂岩峰值应力先增大后减小,极限应变先减小后增大。(4)随着轴向静应力的增加,红砂岩临界冲击速度与动态压缩强度均先增大后减小。研究结果有益于岩石动力学理论的完善,也有助于根据工程爆破炸药类型和用量预测围岩体的响应特性及稳定性。     

冲击荷载作用下应变率对花岗岩力学性能影响的颗粒流模拟

通过PFC颗粒流数值分析软件对SHPB试验进行数值模拟,研究了不同应变率对花岗岩力学性能的影响,探讨了不同应变率对花岗岩峰值应力、峰值应变的影响规律,分析了花岗岩在不同应变率作用下的破坏规律。结果表明：随着应变率的增加,峰值应力显著增加,表现出较强的应变率相关性;应变率增大,弹性模量随之增大。冲击荷载下花岗岩试件裂纹以拉伸为主,试样的动态破坏破碎程度随着应变率的增大而增大。     

动载作用下煤矿巷道喷射混凝土破碎破裂特性研究

煤矿巷道掘进爆破产生的振动效应影响着巷道支护结构的稳定性,为了研究动载作用下喷射混凝支护的动态响应。利用直径74 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下喷射混凝土试件的冲击压缩试验,研究在冲击气压作用下喷射混凝土试件的动态力学性能及破碎破裂特性。结果表明:随着冲击气压的增加,试件所受应变率增强,喷射混凝土试件动态抗压强度增大,峰值应变增加表现出明显的应变率效应;同时喷射混凝土试件产生裂纹增多,破坏形态逐渐由轴向劈裂拉伸破坏转为粉碎破坏。     

冲击压缩下钢纤维高强混凝土应变率效应实验研究

利用(O)100SHPB实验装置,对三种混凝土基体强度(C60、C80、C100),四种体积含量(0、2%、4%、6%)的钢纤维混凝土进行了静态、准静态和三种高应变率(10～20/s、35～45/s、75～85/s)的冲击压缩实验.实验结果表明,钢纤维混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变均随应变率的增加而增加,且存在应变率临界阈值,当应变率超过该值时,钢纤维混凝土的强度与应变随应变率的增加而快速增加,同时还讨论了弹性模量与韧度的应变率效应.     

黑色页岩动载破坏的层理效应及损伤本构模型研究

为了探究不同层理方向下页岩动载破坏的各向异性行为,针对龙马溪组黑色页岩制备7组层理倾角试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行3种应变率下的动态压缩试验,研究层理方向对页岩动载破坏模式、强度、能量耗散特征的影响,揭示层理页岩动载破坏的机制,并建立综合考虑初始损伤、受荷损伤的层理页岩动载损伤本构模型。试验及理论分析结果表明:(1)不同层理方向页岩动载破坏模式分为劈裂拉伸破坏、剪切破坏和混合破坏。小层理倾角及大层理倾角情况下容易发生劈裂拉伸破坏,中等倾角情况下容易发生混合破坏和剪切破坏。(2)3种应变率下抗压强度随层理倾角的变化都会呈现先减小后增大的趋势,显示出明显的层理效应,同时抗压强度还具有率相关效应,但其与层理效应呈竞争关系,即应变率增大强度增大,强度各向异性减弱。(3)能量耗散特征与强度特征类似,也随倾角变化有先减小后增大的趋势。但能量耗散值有率相关效应,吸能率却对应变率不敏感。(4)新建立的损伤本构模型综合考虑了岩体结构效应与载荷耦合作用,具有结构简单,物理意义明确的特点,与试验数据吻合较好,尤其对于不出现应力–应变回弹的中高应变率情况,理论预测数据与试验数据相关程度更高,有助于更为准确地描述层理页岩试样在动载下的变形破坏行为。     

复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律研究

 通过含瓦斯煤渗透特性试验研究,系统分析复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性的变化规律,建立含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压、瓦斯压力、围压升降、全应力–应变过程等之间的定性与定量关系,深入探讨各种不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明,应力路径对含瓦斯煤的渗透率有重要影响：(1) 含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增大而减小,随瓦斯压力的增大而增大。(2) 含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。(3) 围压升、降过程中,含瓦斯煤渗透率会受到一定程度的损害,其损害程度可以用最大渗透率损害率和渗透率损害率来表征。同时,三维压缩条件下含瓦斯煤会发生二次密实效应。(4) 三轴压缩下全应力–应变试验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型变化趋势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,并且渗透率的增幅小于其减幅。     

冲击地压预测的电荷感应技术及其应用

利用建立的煤岩电荷感应试验系统,研究煤岩变形破裂过程的电荷感应规律;利用研制的电荷感应仪对矿井进行现场测试。试验研究表明,煤岩在变形破裂过程中有电荷感应信号产生,煤岩体中应力越高,变形破裂过程越强烈,产生的电荷感应信号越强;在临近峰值应力前电荷感应信号最强,在煤岩体破坏后也有较强的电荷感应信号产生;抗压强度越高的煤样,电荷感应信号也越强,信号越丰富,持续时间越长。煤岩体变形破裂过程中产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。现场实践表明,测得的电荷感应值与煤体所处的应力水平是有一定关系的。在工作面平稳时期,测得的电荷感应幅值较小,而在发生冲击现象时测得的电荷感应幅值较大。利用电荷感应方法能够预测冲击危险的发生,但尚处于试验阶段,电荷感应预测技术还需要在现场不断验证和完善,以期最终为矿井冲击地压等煤岩动力灾害的非接触预测预报提供可靠的技术支持。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

不同含水状态下砂岩剪切过程中声发射特性试验研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置和PCI–2型声发射测试分析系统对饱和度分别为0%,50%和100%三种不同含水状态下砂岩剪切破坏过程中的声发射特性进行试验研究,探讨声发射信号随时间的演化规律及其与砂岩裂纹的开裂、扩展之间的关系。研究结果表明：声发射活动伴随着砂岩整个剪切破坏过程,表现为剪应力峰值前,声发射活动不显著,声发射信号均较小,而在剪应力峰值后声发射信号出现剧增;且随着含水量增加,砂岩抗剪强度依次减小,声发射信号的剧增点出现的时间相应提前;在各含水状态下,声发射事件率峰值出现的时间总是滞后于剪应力达到峰值的时间;饱和度为0%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之后,且声发射活动最强烈,破坏时的累计声发射事件数最多,即累计损伤最大;而饱和度为50%和100%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之前,破坏后累计声发射事件数相对较少,累计损伤也相应小一些。     

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

 利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barre granite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态：未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130 s－1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。     

地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。     

高应变率下砂岩动态拉伸性能SHPB试验与分析

为研究高应变率下煤矿砂岩的动态拉伸性能,将岩样加工成厚径比为0.5的圆盘试件,利用直锥变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用6种冲击气压对试件沿径向进行加载,实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验,测试试件的动态拉伸应力和应变率。试验结果表明:砂岩试件的动态劈裂破坏形态满足巴西圆盘试验有效性条件,试件内的径向应力分布达到应力均匀性要求;分析试验实测波形和应变率效应,得出高应变率下煤矿砂岩试件的拉伸应力和应变率特性。在试验采用冲击气压范围内,试件平均应变率由48 s-1增加至137 s-1,平均应变率与冲击气压近似为对数函数关系,动态拉伸强度与平均应变率近似为乘幂函数关系。     

动力冲击对煤岩内部微结构影响的NMR定量表征

 利用自制落锤式煤岩冲击加载试验装置对原煤与型煤试件分别进行冲击加载试验,并借助核磁共振分析仪获得冲击加载后煤样的T2谱分布,以分析冲击荷载作用次数、单次冲击能量大小、冲击能量加载顺序、冲击能量的累计效果等因素对煤样内部微结构数量、尺度的影响。结果表明：型煤与原煤试件T2谱分布存在一定的差异,动力冲击使原煤与型煤试件的微结构数量、尺度均有不同程度的增加,且原煤试件增幅更为明显;煤样内部微结构总数量随着冲击次数、单次冲击能量的增加均呈非线性变化,整体上随着冲击次数的增加呈“高速增加–平缓发展–急速增加”三段式变化,而随着单次冲击能量的增加呈增速越来越快的变化;由于冲击能量阈值与冲击能量吸收率2个相反因素在耦合作用,冲击能量的累计效果可能随单次冲击能量的增加呈先增加后减小变化,冲击能量的累计不能等效为冲击能量的增加;煤样内部微结构总数量对冲击能量由大到小进行加载更为敏感,在工程现场可通过调整施工顺序来达到高效改造储层等目的。     

深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究

 通过对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区的检测和数值计算,比较岩体开挖动态过程(包括爆炸荷载和地应力高速释放)及静态过程(地应力重分布)所分别造成的损伤,探明地应力瞬态释放诱发岩体损伤的机制。检测结果表明,地应力的存在对深埋隧洞爆破开挖损伤区具有较大影响。隧洞轴线垂直于最大主应力时的钻爆开挖损伤明显要大于轴线平行于最大主应力时的情况;可以将开挖损伤区分为内损伤区和外损伤区,其中前者主要由爆炸荷载和地应力高速释放二者耦合作用引起,其主要特征是岩体声波速度显著降低;后者主要由应力重分布引起,特征是岩体声波速度缓慢降低。另外,辅助洞实测的岩体内损伤区深度显著大于外损伤区深度,且内损伤区在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一,声波检测检测和数值模拟计算均也证明了这一点。     

土工格栅加筋黏性土动力性能的试验研究

对土工格栅加筋黏性土进行不固结不排水的动态三轴振动试验。试验结果表明,在黏性土中布置格栅筋材,在一定程度上能提高加筋土体的动抗剪强度;加筋层数越多,加筋土动强度越大;土工格栅加筋黏性土的加筋效果在高围压下能够更好地发挥。加筋土动强度指标提高体现在动黏聚力的增大上,而对动摩擦角几乎没有影响,循环荷载振动次数对动强度指标影...