显微工业CT的受载煤样裂隙动态演化特征与分形规律研究

为观测受载煤样裂隙演化过程,利用受载煤岩工业CT扫描系统对煤样单轴压缩破坏过程进行CT实时扫描实验,将CT扫描图片导入VG Studio MAX图像分析软件进行煤样的三维数字化模型重建,得到煤样内部裂隙空间的分布情况。运用MATLAB软件通过分析和计算得到了煤样内部结构的灰度直方图和裂隙分形维数,综合分析煤样裂隙的动态演化特征和分形规律。研究结果表明:利用灰度直方图和VG Studio MAX软件分析结果能有效地定性和定量描述受载煤样内部裂隙动态发展的总体变化规律;全应力应变过程中,受载煤样的断面裂隙面积、断面裂隙谱峰面积和三维裂隙体积总体上呈先减小后增加的变化趋势,真实客观地反映了煤样内部裂隙结构的动态演化规律,充分体现了外部载荷和变形对裂隙发展的控制作用;裂隙分形维数主要经历了缓慢降低、平稳增加、大幅突增和缓慢升高4个发展阶段,有效刻画了受载煤样内部裂隙的演变发展过程,其变化规律与裂隙动态变化规律保持了良好的一致性,可用于受载煤样失稳破坏的预测。     

岩石材料微裂隙演化的CT识别

 采用砂浆来模拟岩石材料以研究其裂隙的演化规律。借助CT扫描获得单轴压缩破坏过程中岩石材料内部的密度分布信息和统计特征,利用同位置点的密度变化来识别微裂隙的活动,通过统计密度变化特征和分形指标Rd描述研究微裂隙的演化行为。研究结果表明：(1) CT图像灰度频数统计变化曲线的幅值和形状变化反映了微裂隙的不同演化效应：荷载水平0%～50%时,曲线波峰顶点上移,而频数变化幅值显著增大,曲线呈规则正弦状;50%～70%时,曲线波峰顶点下移,频数变化幅值降低,曲线形状偏离正弦状;70%～90%时,曲线形状、波峰顶点位置和频数变化幅值基本不变,只有少数灰度区间发生频数变化;90%以后,曲线波峰顶点位置发生非常大的上移,曲线回归正弦状。而波谷顶点的位置移动则相反。这种现象体现了整个压缩损伤过程中微裂隙的主导演化作用由加载前期萌生效应转化为中期压缩闭合效应,再转化为后期的扩展、汇集效应。(2) 通过对CT图像灰度进行变换及分形指标Rd描述后发现,Rd随应力增加呈先增加→减小→再增加的三段式增长。这与压缩过程中微裂隙的产生效应与闭合效应的相互影响、转化行为有关;加载前期微裂隙的萌生效应活跃,Rd增大;中期萌生效应趋缓,扩展、汇集效应缓慢发展,此时由闭合效应主导,Rd缓慢减小;后期微裂隙的扩展、汇集效应显著增强,Rd急剧增长。(3) 提出的微裂隙体积率分形指标Rd描述能较好地刻画压缩破坏过程中微裂隙演化行为。     

显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究

详细介绍太原理工大学与中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统的结构与工作原理,该试验机的最大功率为320 W,放大倍数为1～400倍,可分辨1～2 μm大小的孔隙及裂隙,为金属及非金属材料的细观试验分析提供了更高精度的试验设备.采用该系统进行花岗岩在常温到500℃高温下的三维细观破裂显微观测,揭示出花岗岩晶体颗粒尺寸为100～300 μm的不规则空间结构体.热作用下,随温度升高,花岗岩的热破裂逐渐演化与发展,200℃时,已可见到极少数很小的微裂纹出现.300℃时,部分裂纹搭接形成较大裂纹,裂纹长度增加10倍左右.500℃时,包围花岗岩晶体颗粒的封闭多边形裂纹几乎全部形成,使花岗岩呈现糜棱状的晶体颗粒结构体,90%以上是沿岩石颗粒周边弱的胶结界面上发生的.仅有极少数热破裂裂纹是穿越岩石颗粒的,其概率在10%以下.     

增幅疲劳荷载作用下含双裂隙花岗岩空心圆柱破裂演化试验研究

为了揭示裂隙型空心圆柱体在中低应变率应力扰动作用下的破裂演化特征及细观力学机制,探究地下工程中常见的孔洞–裂隙组合型岩体的破裂和失稳物理过程,设计4种不同预制裂隙角度的空心圆柱体试样,采用GCTS-RTR 2000岩石力学试验系统,实时声发射监测和试验后CT扫描相结合的手段,研究预制裂隙方位对岩石在多阶段增幅疲劳荷载作用下的结构劣化特征及岩桥断裂模式。试验结果表明：(1)随着裂隙角度的增大,岩石的疲劳强度、体积变形以及疲劳寿命逐渐增大,且体积变形增长速率越来越快,基于不可逆轴向应变,提出一种描述岩石疲劳损伤的两阶段损伤演化模型。(2)岩石破裂过程中声发射振铃数及能量变化受裂隙角度影响,累计振铃计数与累计能量计数随着裂隙角度的增大而增加,岩石在应力幅值突然增加时刻的累积损伤要大于疲劳加载阶段。(3)试样疲劳力学试验后的工业CT扫描揭示了岩桥段破裂形成的不同缝网模式,且受裂隙角度影响较大,裂隙网络的复杂程度随着裂隙角度的增加而增大,表明裂隙角度越大,岩石越不容易发生疲劳破坏。试验结果有利于深入理解裂隙型孔洞岩体的疲劳破坏机制,可为应力扰动作用下裂隙岩体巷道开挖设计、围岩稳定性控制及岩体长期...     

温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究

为研究温度冲击下煤体裂隙结构演化特征,以期从微细观方面揭示煤体对温度的响应机制。采用SLX–80型高低温实验系统对原煤进行4种温差条件下的冷热冲击实验,利用工业显微CT系统对温度冲击前后的煤样进行扫描和裂隙结构的三维立体重建,基于VGStudio MAX图像分析系统建立煤样清晰的裂隙可视模型,并对煤体裂隙结构演化特征进行量化表征,运用非定常热应力理论分析温度冲击下的破煤机制。研究结果表明:温度冲击促使煤体内部裂隙扩展加宽,萌生新裂隙,裂隙体积、壁厚、表面积均与温差呈正相关关系,不同温差产生的热应力决定了煤样的损伤程度;温度冲击过程中产生了大量的声发射信号,声发射信号的产生主要集中在前600 s,且温差越大所产生的声发射能量越高;温度冲击所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。     

单轴受载下岩体破裂演化特征的声发射CT成像

 岩石受载下的内部破裂演化特征对于研究岩石破坏机制具有重要意义。将声发射(AE)与CT成像技术相结合,对3种不同加载速率下的泥岩试样进行声发射CT反演计算,分析各加载阶段波速分布特征,探究波速演化与岩样宏、微观破裂的关系。研究结果表明：(1) 在加载初期,岩样内部波速范围变化较小,波速异常区面积较小且分布较为零散;随着载荷增加,波速范围不断增加,同时波速异常区面积也在不断扩大;临近破坏阶段,波速范围进一步增加,其低波速区也逐渐形成大面积贯通。(2) 岩样实际宏观破裂位置与低波速区及波速异常丰富区位置吻合,说明临近破坏阶段,岩样内部微裂隙的大量萌生发育使低波速区快速扩展贯通,同时微裂隙周围的岩石颗粒因受挤压而呈现出高波速状态。(3) 受载初期,岩样内初始微裂隙发育萌生位置与低波速区大致吻合;随载荷增加,大量微裂隙开始在低波速区与波速异常丰富区聚集、延伸;在临近破坏阶段,微破裂密集区扩展贯通,其所处区域与岩样破裂位置大体一致。(4) 反演计算调整前后的AE事件整体分布特征保持一致,证明了初始AE事件定位的准确性及声发射CT成像的可靠性。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

巨厚薄层状顶板回采巷道围岩裂隙演化规律的相似模拟试验研究

运用相似模拟试验和分形几何理论，研究了受采动影响的回采巷道围岩裂隙产生-扩展-贯通-破坏的演化规律。巷道两帮围岩裂隙呈弧形向巷帮深处扩展，并按幂函数规律衰减；两帮顶板裂隙呈二次曲线演化规律：巷道上方顶板裂隙主要集中在巷帮上方。用裂隙密度分形维数定量描述了巷道围岩裂隙的分布和演化。研究结果有利于了解巷道围岩内部破裂的发生与发展规律，为选择巷道锚固方案和优化锚固设计参数提供了依据。     

基于显微CT技术的不同温度下油页岩孔隙结构三维逾渗规律研究

基于高精度显微CT技术,采用多孔介质三维逾渗理论,计算不同温度下油页岩试件(? 0.82 mm×7 mm)真实三维数字CT岩芯的逾渗概率。逾渗概率的大小实质上反映多孔介质内部最大连通孔隙团的分布程度,可对多孔介质的连通性进行直观、准确地判定,避免因为统计对渗透性无贡献的"小级别死端孔隙"而造成对多孔介质渗透性优劣的误判。当温度达到300℃~400℃,油页岩孔隙率为8%~12%时,逾渗概率开始快速增长,最大孔隙团已完全连通三维数字CT岩芯的上、下两端,证明油页岩内部发生逾渗转变,逾渗阈值应处于8%~12%范围内。研究表明:随着温度的上升,当油页岩孔隙率低于8%时,孔隙连通团的连通性很差,相互隔离,导致流体难于渗透;而当孔隙率高于12%时,孔隙连通团的连通性很好,渗流通道变得十分通畅,更易于油气的产出和高温流体的注入。该较低的逾渗阈值范围大大降低了油页岩开发、利用的难度,为实现大规模油页岩原位注热开发提供有力的技术支撑。     

石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律研究

为探究石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律,应用高分辨X射线三维CT检测系统对经过不同温度热冲击试验处理的标准石灰岩试件进行观测,结合图像处理软件统计并计算石灰岩二维分形参数,对石灰岩热冲击破裂后的二维分形参数演化规律进行研究。结果表明：高温石灰岩在20℃水中热冲击冷却时,随着温度由200℃升至600℃,二维分形维数D单调递增,且D在200℃～400℃上升幅度小于400℃～600℃阶段。对于裂隙强随机分布的石灰岩,引入裂隙发育指数K,并得到在20℃水中热冲击下K关于石灰岩温度T的拟合关系式;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,随着水温由20℃升至100℃,任意方向的二维分形维数逐渐减小,且具有方向差异性;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,裂隙面三维分形容量维数与二维分形维数演变规律一致,且两者具有高度拟合的线性关系。研究结果可以丰富和发展高温岩石力学理论。     

不同温度条件下型煤吸附CH4/CO2混合气的实验研究

为研究不同温度条件下型煤对CH4/CO2混合气的吸附规律,利用自行研制具有温度调控功能的吸附实验装置,对型煤试件(φ50 mm×100 mm)进行不同浓度CH4/CO2混合气的非等温吸附实验。研究结果表明：在同一温度下,混合气中CO2浓度越大吸附量越大,CO2的吸附能力大于CH4,混合气吸附曲线介于煤对纯CH4和CO2两者之间,型煤对于混合气的吸附量明显小于相同条件的煤粉试样。不同温度下,同一实验压力吸附量出现了先升高后降低的趋势,在40℃时出现最大值;吸附平衡时,游离相中CO2的相对浓度普遍降低,在40℃时下降幅度最大。因此注入CO2可以有效置换煤层CH4,在40℃时CO2相对浓度越高,驱替效果越明显。     

不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验研究

 利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,以平煤十矿原煤样为研究对象,进行不同加卸载条件下(即增加轴压的同时卸载围压)含瓦斯煤力学特性的试验研究。研究结果表明,不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学特性表现各异,主要表现为：加卸载煤样的承载强度比常规加载煤样的峰值强度低;加卸载煤样的承载强度随初始轴力的升高呈指数关系降低、随轴力加载速度的增加呈幂函数关系降低、随初始围压的升高呈指数关系降低、随瓦斯压力的升高呈线性关系降低;随着轴向应变的增加,各条件下变形模量呈现先迅速减小然后缓慢减小直至破坏后保持基本稳定的趋势,泊松比表现出先逐渐减小后增加最后基本保持稳定的趋势。该研究对巷道支护和瓦斯抽采具有重要的指导意义。     

不同温度条件下煤系砂质泥岩力学特征试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统和GD–65/150高低温环境箱,对煤系砂质泥岩在25 ℃～55 ℃温度下的力学特性开展试验研究,分析不同温度下砂质泥岩的应力–应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量以及变形模量受温度的影响。研究结果表明,不同温度下砂质泥岩的力学特性有差异。随着温度的升高,其峰值应力、峰值应变逐渐降低,但在40 ℃前后峰值应力和峰值应变随温度的升高其减小幅度不同,峰值应力值从25 ℃到40 ℃降幅达22.1%,从40℃到55℃降幅达4.3%,峰值应变从25 ℃到40 ℃减小了12.9%,从40 ℃到55 ℃应变减小了29.9%;弹性模量随着温度的升高呈线性减小;变形模量随着温度的升高呈线性增大。研究结果对实施深部煤炭的安全高效开采以及深部软岩工程灾害的预测和控制具重要的理论意义和实用价值。     

不同瓦斯压力条件下原煤剪切破裂细观特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展不同瓦斯压力条件下原煤在剪切荷载作用时裂纹演化细观特性试验研究,分析裂纹开裂扩展与形态演化模式及其受瓦斯压力的影响规律。研究结果表明：煤岩裂纹的开裂扩展及破坏后形态受其原始裂纹影响;分析放大素描图发现,最终形成的宏观破裂是由一系列倾斜裂纹(主要从左下角至右上角)在剪切荷载作用下贯通形成的,并且随着瓦斯压力的增加,倾斜裂纹的扩展范围增大。不同瓦斯压力下剪切荷载–剪切位移曲线和开裂荷载水平Pk及贯通荷载水平PG对比分析表明,随着瓦斯压力增加,煤岩损伤加大,破裂加剧,完整性降低,开裂后破坏速度加快;对裂纹的开裂角度分析发现,在没有原始损伤的区域开裂时,裂纹开裂方向与剪切荷载作用方向呈一定角度相交但随着瓦斯压力的增加有减小的趋势,最终形成的宏观破坏方向也不完全与剪切荷载作用方向一致,而以一定角度相交。     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。     

不同温度条件下孔隙压力对长石细砂岩渗透率影响试验研究

为探讨温度和孔隙压力对岩石渗透率的影响规律,采用中国矿业大学211工程建设项目"20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",在不同温度和恒定压力条件下,对长石细砂岩进行大试样的实时渗透率研究,试样为圆柱体,外观尺寸为φ200 mm×400 mm.加温试验发现,长石细砂岩渗透率存在门槛值温度,当温度达到门槛值后,其渗透率出现大幅度增加,与室温状态相比,渗透率增加65倍.在长石细砂岩热破裂的门槛值温度区域,长石细砂岩渗透率同时具有孔隙压力门槛值,其渗透率在孔隙压力门槛值发生剧烈变化,大幅度增加;继续增加温度脱离温度门槛值后,孔隙压力对于渗透率的影响随之减弱.     

高温及三轴应力下花岗岩体力学特性的实验研究

高温岩体地热开发及核废料的地下处置等需要对高温高压下花岗岩体的力学行为进行深入细致研究.采用自主研制的"20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",投入大量人力、财力和物力,历时0.5 a,系统深入地研究φ200 mm×400 mm的大尺寸花岗岩试样在高温三轴应力下的热变形和破坏特征及其热学和力学参数随温度的变化特征.研究结果表明:(1)在三维静水应力下,花岗岩的热变形可分为低温缓慢变形段、中高温快速变形段及高温平缓变形段等3个阶段.自由状态测定的热膨胀系数会过分夸大,或失真地估计岩石的热膨胀或热力作用,在应力状态下测定的热膨胀系数更能反映实际岩体状态.(2)在高温三轴应力条件下,花岗岩体受压表现出与常温下不一致的变形特征,即先是体积膨胀,当差应力超过一定值后则体积收缩.(3)花岗岩体在高温下的破坏形式是典型的剪切破坏,与常温下的破坏形式一致,但在高温和高围压条件下出现明显的延性转化.(4)在有围压条件下,花岗岩体的弹性模量随温度升高先是缓慢减小,然后快速减小,超过400℃后基本保持不变,与小试件的情况相似.     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

钙芒硝溶解重结晶过程中孔隙演化规律试验研究

 采用μCT225KVFCB高精度显微CT试验系统,借助X射线衰减系数,从细观角度揭示溶解重结晶过程中钙芒硝的孔隙演化规律。研究结果表明：随着溶解重结晶的进行,钙芒硝孔隙率逐渐增大,总比表面积逐渐减小,而孔隙平均直径、通道比表面积和最大连通团先变大后变小。这些研究结论对钙芒硝原位水溶开采的实施和控制具有非常重要的意义。