煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制

 利用MTS 815试验机和声发射监测系统对单体岩石、单体煤和煤岩组合体进行单轴试验下的声发射测试,找出三者之间破坏机制的差异,从而为现场微震监测提供指导。试验结果表明,随着荷载的增加,单体岩石、单体煤及煤岩组合体的累积声发射数都增加,并且煤及煤岩组合体单位体积的声发射数要比岩石的声发射数高1个数量级,这主要是煤的强度较低且内部结构松软破碎所致。通过区分不同时段的声发射特征,得出三者破坏存在本质差异：随着荷载的增加,岩石的时段声发射数逐渐增多,煤的时段声发射数逐渐减少,而煤岩组合体的时段声发射先逐渐增加后逐渐减少。岩石的抗拉强度最高,煤的最低,而煤岩组合体的位于单体岩石和煤之间。对于煤岩组合体,岩石内部的声发射数约占声发射总数的10%～30%,煤体占70%～90%;并且声发射的空间分布主要受煤体结构及原生裂隙的影响。     

基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场

 基于X射线工业CT实时获取单轴压缩过程中红砂岩试件的三维数字体图像,采用数字体相关(digital volume correlation,DVC)法测量、分析受载过程中试件内部三维变形场及应变场。通过位移场和应变场的分析,揭示试件内部应变局部化演变及破坏过程。红砂岩内部结构可以作为散斑结构,成为变形信息的载体,DVC法的精度可达0.05体素;红砂岩变形破坏中存在明显的应变局部化特征,在峰值荷载的68.9%时试件内部出现应变局部化区域,并逐渐发展至试件破坏,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。研究结果表明,DVC法测量结果能够直观地反映出试件内部应变局部化特点及其演化的过程,为岩石内部变形可视化提供了方法。     

数字散斑相关法在SEM观测岩石变形时的应用

通过带扫描电镜的伺服实验机对岩石进行了原位拉伸观测实验,实时采集了岩石变形破坏过程中表面细观形貌的扫描电镜(SEM)照片.将亚像素插值和相关系数插值相结合,有效提升了数字散斑相关法的搜索效率和计算精度,并通过自行研发的数字散斑相关方法(DSCM)程序实现了岩石SEM图像中微小变形的分析计算.通过对比实验测定结果和软件计算结果,验证了算法的有效性.结果表明:岩石变形具有明显的非均匀性,在整体受拉的情况下局部出现受压区,其原因在于应力集中或损伤软化现象,且随着载荷的增加,损伤逐渐加剧并导致应变集中,从而诱发断裂.     

二维数字图像分形维数的计算方法

许多情况下分形维数的计算是通过对二维数字图像的分析得到的．针对二维数字图像的特点，探讨了采用盒维数计算其分形维数的方法．数字图像盒维数的计算是基于对像素矩阵的分析进行的，具有数字化的特点，其计算结果的精度与图像大小有较大关系．数字图像盒维数描述了由离散像素点构成的数字图像中关心区域的分布特点，但其物理意义还应结合数字图像所赋存的物理意义加以分析．     

深部开采中的强扰动特性探讨

深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。通过将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰动特性。首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。根据深部开采中的应力变化路径,给出了不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体卸荷速率计算公式。根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。然后基于扰动状态概念(DSC)对扰动影响水平进行了分析。通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析,定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于DSC的深部岩体统一本构模型,并定量描述深部岩体扰动的大小。最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区(EDZ)以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数的意义及影响因素。研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,EDZ的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。利用扰动状态概念(DSC)建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区(EDZ)大小计算公式,可以定量刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。     

开挖卸荷条件下煤岩变形破坏与能量释放的数值分析

煤岩原始存在着大量不规则无序分布的节理/裂隙和软弱夹层等断续结构,这些断续结构的几何形态、尺寸、分布、接触以及填充物性质决定着煤岩的物理力学性能与变形破坏行为。现有的数学或力学方法尚不足以从理论上准确刻画断续结构及其对煤岩变形破坏的控制作用。本文采用高精度CT成像和三维重构方法,构建了体现不连续节理/裂隙的不规则几何形态、接触与切割状态以及网络结构特征的断续煤岩三维数值模型,引入单元生死算法定量分析和直观显示了不同开挖卸载模式下断续煤岩变形破坏的应力场、破坏区域及空间分布、能量耗散与能量释放特征,揭示了卸载模式、断续节理/裂隙对煤岩力学性质及破坏机制的影响,为认识和掌握开挖卸荷对断续煤岩变形破坏的控制作用提供了方法和途径。     

低水胶比偏高岭土混凝土的强度和细观结构的分形特征

为探明低水胶比偏高岭土混凝土的力学性能,以及定量表征掺入偏高岭土后混凝土内部细观结构的变化规律,测试了不同偏高岭土掺量混凝土的抗压、劈裂和弯折强度;利用扫描电镜拍摄了混凝土水化产物微结构的SEM图像;运用分形理论计算分析了SEM图像的分形维数及其变化规律;并研究探讨了分形维数和强度的关系。研究表明：偏高岭土可以有效提高和改善混凝土的力学性能和细观结构;分形方法能够定量分析偏高岭土混凝土内部细观结构的变化特征,分形维数随着偏高岭土掺量的增加呈现降低趋势;抗压强度和分形维数存在良好的指数负相关性,抗压强度随分形维数的增大而减小。     

大采高综放开采煤岩体冒落规律数值模拟研究

为得到厚煤层大采高综放开采煤岩体冒落规律,采用改进的非连续变形数值模拟分析DDA软件研究不同回采阶段大采高综放开采工作面的应力场及煤岩体运移规律.结果表明:随着工作面的回采,采场周围的圆形应力场逐步转变为椭圆形应力场,且出现3个明显的分区,即应力释放区、应力升高区及两者间的过渡区,同时水平位移随时间变化较为复杂,而垂直位移变化具有一定的规律,通过垂直位移的变化可将上覆岩层划分为“三带”,得到了大采高综放工作面覆岩和顶煤运移规律.     

基于应力降的非连续支承压力强扰动特征研究

深部扰动定义及科学量化是重新理解地下工程灾害发生原因与强弱的前提。针对平顶山矿区千米埋深煤岩,基于三轴压缩试验获得Hoek-Brown与Mohr-Coulomb准则力学参数。基于Airey解,在弹塑性边界引入非连续应力降,突出体现为支承压力的非连续应力降与脆性指数评估,用于研究破坏后引起的连续–非连续过渡现象。引入基于内摩擦角或黏聚力的损伤到塑性区域以考虑非连续性,并应用于无煤柱开采、放顶煤开采与保护层开采下非连续支承压力分布求解。联合峰值应力、应力降、峰前峰后模量改变与残余塑性应变,定义了新的脆性指数,明确了脆性的三重内涵:外部应力扰动、变形特征与力学参量的综合影响。利用新指数定性解构了深部开挖扰动区,包括破碎区、峰后卸荷损伤区、应力跌落塑性区、峰前损伤区与内部原岩弹性升压区。最后提出基于不同开采方式α、脆性指数R、应力降Δσ_(drop)与原位应力场p_o定义的扰动指数Ф,明确Ф≥1时为强扰动。     

岩石破坏的能量分析初探

从能量的角度出发,分析研究了岩石的变形破坏过程,揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性。理论及试验研究表明,在岩石变形破坏过程中,能量起着根本的作用。岩石的失稳破坏就是岩石中能量突然释放的结果,这种释放是能量耗散在一定条件下的突变。从力学角度而言,岩石的变形破坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程;从热力学上看,这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程,包含能量耗散和能量释放。现有的力学理论体系主要是强调能量耗散结构和局部破坏过程,而岩石的灾变是以能量释放为其主要特征,所以有必要综合考虑能量耗散及能量释放对岩石变形破坏的影响。试验研究也揭示了应力–应变强度不能很好地描述岩石的破坏这一特性,在大体相同的应力–应变曲线下,试件的破坏形式不同,能量释放量完全不同,因此,从能量的观点可以更好地描述岩石的变形破坏。