不同倾角内蕴裂纹页岩力学特性及破坏过程研究

采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩石非均质性和岩石渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对具有不同倾角预制裂纹的页岩力学特性、破坏模式、损伤特征进行模拟分析与讨论。结果表明,预制裂纹对页岩峰值强度有明显弱化作用,弹性模量降低值与裂纹倾角未呈现明显的线性关系; 预制裂纹倾角15°、30°、60°时,试件主要破坏模式为小变形的拉伸破坏模式; 而倾角45°、75°、90°时,试件以大变形的剪切破坏而失效; 裂纹倾角大于45°时裂纹的扩展类型与效果较好。研究结果对改善页岩的水力压裂效果、失稳破坏具有一定参考意义。     

基于数字图像的微观尺度下方解石脉对页岩各向异性的影响

通过对牛蹄塘组页岩岩芯进行显微薄片观察和岩芯X射线全岩矿物衍射分析, 并进行7组不同方位角下的直接拉伸数值试验。试验结果表明: 方解石脉对页岩抗拉强度各向异性影响显著, 随着方位角α的增大, 抗拉强度逐渐递减, 抗拉强度的方解石脉结构效应系数随方位角α的增大呈曲线型增长趋势, 在α=90°达到最大, 为0.127;不同角度下的页岩试样破坏模式异常复杂, 大致可归纳为以下3类: 树根形(0°、15°)、台阶形(30°、45°、60°)和河流形(75°、90°), 裂缝优先沿方解石脉扩展, 在水力压裂过程中可能会抑制页岩基质内复杂裂缝网的形成; 不同角度的方解石脉下耗散能的释放也有显著的差异, 当α=0°、15°、30°、45°时, 声发射(acoustic emission, AE)能量在前期较小, 接近峰值应力时快速增加直至最大; α=60°、75°、90°时, AE能量在初期较小, 中期开始增加, 接近峰值应力时最大; 累计AE能量随着应变的增大大致呈指数增加, 增长过程由3个阶段构成: 平缓期、加速期和暴增期。研究成果对页岩储层水力裂缝萌生、扩展预测以及提高采收率等具有重要的参考价值。     

沿空掘巷合理窄煤柱确定及相似模拟研究

为提高煤与瓦斯突出煤层的快速掘进及巷道稳定性,以盛远煤矿为例,通过巷道周边围岩应力分析、二维相似物理模拟实验和现场矿压观测,确定了沿空掘巷窄煤柱合理宽度。结果表明:窄煤柱留设宽度为5.0m,具有一定的承载能力,巷道围岩变形量较小,能大大提高巷道的稳定性,同时降低了煤炭资源损失,实现了矿井安全生产。     

基于数字图像处理的混凝土内蕴裂纹扩展变形规律及破裂过程研究

基于数字图像处理技术和RFPA2D-DIP软件建立了含不同裂纹几何分布的混凝土真实细观结构的数值模型,模拟了单轴压缩作用下混凝土内蕴裂纹的扩展变形规律及破裂过程,研究了裂纹几何分布及细观非均匀性对混凝土力学结构效应的影响。结果表明:随着裂纹倾角增大,试样的峰值强度升高,翼裂纹长度变短,裂纹萌生位置不断向预制裂纹尖端靠近;随着裂纹长度增加,试样的峰值强度降低,裂纹倾角对材料强度的影响显著;预制裂纹长度对材料的破坏模式有一定影响,骨料对翼裂纹的萌生及扩展具有一定的阻碍作用;当15°≤α≤45°时裂纹萌生及扩展较易,当裂纹倾角为60°和75°时,翼裂纹很难萌生及扩展,在靠近峰值应力时裂纹突然萌生扩展,最终形成劈裂破坏,研究结果对混凝土失稳破坏机理的研究具有一定参考意义。     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。