基于SHPB的岩石动静组合加载试验研究进展

随着深部工程不断开发,人类面临的岩石力学问题日益复杂。针对复杂的深部岩石力学问题,基于前人开展的SHPB动静组合加载装置即得的试验研究,从SHPB试验装置改进、力学特性、破坏机理、能量耗散规律和应力波传播规律等方面概述了岩石动静组合加载试验研究现状,总结了相关研究成果,并提出了需要进一步探究的高温、高水压条件下多场耦合作用的相关岩石力学科学问题。     

动静组合加载下岩石动力学特性研究现状及岩爆机理分析

为研究动静组合加载下深部岩石的动力学特性,国内外学者基于改进的霍普金森压杆试验装置,进行了各种试验,得出一些重要的研究成果。本文对岩石的动力学特性进行了基本的概括,同时基于岩石的动力学特性,对岩爆发生的动力学机理进行初步分析,对现实的工程具有一定的指导意义。     

动静组合加载下煤体损伤及力学特性研究

为了揭示动力扰动下煤体的冲击失稳机理,对动静组合加载下煤体损伤机制及力学响应特征进行定性研究。首先进行冲击矿井煤体力学性质测定试验,继而运用RFPA2D-DynamicStatic软件模拟分析了静力水平和动力扰动波形对煤体裂隙发育、损伤单元分布及声发射特征的影响,研究了动力扰动对煤体力学性能和能量演化特征的影响。研究结果表明:(1)动静组合加载下,煤体抗压强度与损伤度呈线性负相关性,弹性能储能极限与损伤度呈负指数关系。(2)在动力扰动作用下,煤体内部损伤不断加剧,煤体弹性能储能极限以[]13.71ln 36.33eU (28)-D (10)的趋势不断降低,冲击破坏损耗能不断减少,原本积聚在煤体内的弹性能会瞬间释放,导致煤体冲击破坏。(3)提出了增加煤柱的抗扰动能力和减少煤体中积聚的弹性能2种防治震动型冲击地压措施。     

单轴动静组合加载对岩石力学特性影响的试验研究

用低周疲劳加载方法，在Instron电液伺服材料试验机上对红砂岩进行了单轴动静组合加载试验，研究了组合加载条件下的岩石动态响应和破坏特性。实验发现：红砂岩在同一方向上动静组合加载条件下的破坏强度比在单独动载作用条件下的强度小，而比在单独静载作用条件下的强度大。在组合加载条件下，岩石的弹性模量随着预静载的增加而减小，并显现出软化的趋势。实验还获得了红砂岩在组合加载情况下预静载应力与最终破坏强度的对应关系。     

磷块岩在动静加载作用下的破坏特性研究

在磷矿掘进开挖过程中,磷块岩在深部围岩开挖的扰动下,处于动静结合的应力状态,呈现不同程度的 开采破坏现象。 通过在室内展开不同预静载作用下的动静组合三轴试验,分析磷块岩在不同加载环境下的应力—应 变曲线与破坏模式,研究磷块岩在不同动静加载作用下的破坏特性。 结果表明:①动力扰动后的,磷块岩三轴抗压强 度比其在常规三轴静荷载试验下测得的强度低;②磷块岩所受围压相同时,随着其所受预静载水平的提高,磷块岩受 动载扰动程度逐渐降低,且变形破坏程度更明显;③磷块岩所受轴向预静载力相同时,随着其所受的围压越大,磷块 岩在动静组合下的抗压强度越大。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度(8、15、16、17 MPa)和围压梯度(1、2、3、5、7 MPa),开展冲击气压梯度(0.5、0.6、0.8、1.0 MPa)的三维组合加载试验。研究表明:在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

动静组合加载下煤体力学响应及能量演化规律试验研究

采掘工作面煤体的力学响应和能量演化特征与煤矿动力灾害的发生息息相关。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展了动静组合加载下煤体冲击试验，分析了不同动静组合条件下煤体力学性质与能量演化规律。试验结果表明：煤体动态强度具有明显的轴压与应变率效应，随着轴压的增加先增加后减小，但与应变率呈正比关系；动静组合加载下煤体宏观破坏模式具有拉剪破坏与“爆炸式”粉碎破坏两类，轴压控制煤体宏观破坏模式的转变，冲击速度控制煤体的破坏程度；煤体耗散能可定量表征动静组合加载下煤体的破碎程度，煤体破碎分形维数与耗散能呈弱幂函数增长关系。研究成果为揭示深部煤岩体动态失稳机理提供了理论支撑。     

一维动静组合加载下多角度耦合充填体力学特性研究

为探讨爆破扰动作用下充填矿柱的失稳破坏模式及动力学特性,以尾砂胶结充填体为研究对象,选取3个轴压水平,开展不同传递路径、应变率下SHPB冲击试验.研究表明:①相同轴压下,充填体动态抗压强度随应变率增大而增大,相近应变率下,充填体动态抗压强度随所施轴压梯度的增大呈现出先增大后减小趋势,当轴压为静载强度40％时达到最大动态...     

砂型3D打印类煤试样动静组合加载力学特性

深部煤矿巷道围岩软弱、裂隙发育,动载影响下易引发动力灾害,其中软岩及节理岩体动力学试验研究是解决上述问题的关键。3D打印技术因其能突破浇筑法在制作复杂节理试样上的局限,被广泛应用于岩石力学试验研究,而应用该技术的关键是所制类煤试样的静态和动态力学特性与天然岩石相似。基于砂型3D打印试样,通过开展单轴压缩、巴西劈裂等力学试验,揭示了砂型3D打印试样与煤样弹塑性力学特性的相似性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置开展不同动静组合加载试验,采用宏观破碎块度和细观电镜扫描综合分析等手段,对不同动静组合荷载下砂型3D打印试样的动力响应与破坏特征进行研究。结果表明：砂型3D打印试样的动态强度和组合强度与冲击气压的增大呈正相关关系,动态强度与轴压的增大呈负相关关系,组合强度随轴压的增大呈先增大后减小的变化,这说明岩石抵抗动载的能力随轴压的增大呈先增强后减弱的变化;随着静、动荷载水平的提高,试样的破碎块度逐渐细粒化,其中动载对试样破碎程度的影响最显著。揭示了砂型3D打印试样的动力学特性并验证了其应用于煤岩动力学试验的可行性,为采用砂型3D打印技术开展岩石动力学试验提供了重要基础,研究结果有助于进一...     

动静组合加载下急倾斜特厚煤层开采煤岩冲击破坏特征研究

针对急倾斜特厚煤层开采冲击地压灾害,基于动静组合加载相似模拟试验研究了急倾斜特厚煤层开采煤岩动力响应及其冲击破坏特征.结果表明:急倾斜煤层工作面顶底板两侧煤体受力状态和冲击破坏均呈现非对称性,同一分段顶板侧煤体采动应力峰值、动力损伤程度和动态变形均大于底板侧煤体,该冲击显现属于整体失稳型冲击地压类型,以顶板侧煤体动力破...     

用低周疲劳加载实现中等应变速率下岩石动态破坏的新方法

采用低周疲劳加载方法在Instron电液伺服控制材料试验机上实现了岩石中等应变速率下的动态加载破坏试验。为研究岩石在中等应变速率下的动态加载或动静组合加载的破坏特性及本构关系提供了一种可行的试验方法。试验结果表明：随着加荷频率的增加，岩石试件的平均应变速率也增加，当加荷频率大于0．5Hz时，平均应变速率就可以稳定地达到10^-2s^-1；在保持加荷频率不变的情况下，在岩石材料的弹性变形范围内改变预静载的大小，对岩石试件的平均应变率的影响不大，可以近似地认为加荷频率相同，应变速率也相同。     

白云岩三维动静组合加载力学特性试验研究

为研究白云岩的力学特性和破坏模式,利用改进的三维SHPB动静组合加载试验装置,对白云岩进行三维加载、轴向冲击试验,分析轴压、围压和应变率对白云岩强度、变形模量、能量吸收等的影响,探讨岩石动静组合加载的应变率效应。试验结果表明：当围压一定时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大呈现出先增大后减小的趋势,变形模量随着轴压的增大而减小;白云岩单位体积吸收能会随着轴压的增大而先增加后降低。轴压固定时,白云岩的抗压强度和变形模量随着围压的增加而增大,白云岩强度增长因子有显著的应变率效应;白云岩单位体积吸收能会随着围压的增大先升高而后降低,随平均应变率的增大而增大。在三维动静组合加载下,岩石的破坏模式为压剪破坏。     

动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制

为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式。并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段。由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键。最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好。     

动静复合加载下红砂岩破碎规律研究

振动碎岩具有能量消耗量低、所需轴向压力小等特点。为提高碎岩效率同时降低成本,进行了振动-加压相结合的碎岩模式研究。本文以红砂岩为研究对象,围绕动静复合加载条件下球齿侵入导致的红砂岩内部裂纹扩展规律开展研究。结果表明,球齿下岩石的破碎程度随着动、静载荷的增大而变大,并且只有当组合载荷峰值达到100 kN时,岩石才会发生明显的体积破碎。在破岩初期,当载荷较小时,岩石倾向于发展为侧向裂纹,岩石损伤成“宽而浅”特点。随着载荷的增大,岩石更倾向于发展中间的深部裂纹,而后才倾向于发展侧向裂纹,即呈“窄而深”的特点。岩石破碎的各项指标受各载荷参数的影响程度存在差异：即在相同的幅值增量条件下,增加动载幅度导致的破碎程度要大于增加相同静载荷时的破碎程度。以上结论可为提高动静载复合破碎硬岩效率、攻克硬岩钻进技术难题提供重要支撑。     

动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究北大核心

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。     

基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望

深部围岩开采前处于高静应力状态,开采(开挖)过程中不可避免承受机械或爆破开挖带来的开采扰动、卸载扰动以及应力调整扰动作用,属于典型的动静组合受力状态。用动静组合加载力学研究深部开采岩石力学问题更加符合深部围岩开采的实际情况。从深部围岩开采受力全过程出发,介绍了"岩石动静组合力学"概念和试验研究的提出过程,阐述了岩石动静组合力学试验研究从一维状态到二维状态再到三维状态的发展历程,并重点介绍了真三轴动静组合加载岩石力学试验系统的研制情况和取得的研究进展。根据对深部开采岩石力学科学认识的不断深入,结合动静组合加载岩石力学试验相关研究结果,揭示了深部岩石在各种动静组合受力状态下的力学响应、破坏特征以及能量规律,科学再现并解释了岩爆、板裂及冲击地压等非常规岩石破坏现象和机理。在此基础上,系统总结了真三轴动静组合加载岩石力学试验机的共同特点,并提出了未来研究的4个重点发展方向:(1)发展能实现"三维高静应力+卸载+冲击扰动"功能的真三轴SHPB动静组合加载试验机;(2)发展大尺寸岩石内部卸荷真三轴试验机;(3)基于三维动静组合加载岩石力学试验聚焦深部围岩发生岩爆灾害的能量机理;(4)开展深部原位保...     

大理岩单轴循环加卸载碎屑分形研究

为了研究单轴不同循环加卸载路径对岩石破坏模式和程度的影响,对大理岩单轴循环加卸载的峰值强度、弹性模量进行研究;收集大理岩单轴循环加卸载破坏后的碎屑,对不同粒径范围内的碎屑进行分析和分形计算。研究结果表明,受循环加卸载后的碎屑条状、条块状特征明显,并且条状、块状、板状特征依次减弱;碎屑在长、宽、厚3个方向上分形维数越小,岩石越易破碎,破坏程度越大;岩石受循环加卸载的破坏模式以纵向劈裂为主,少有剪切破坏;循环荷载在一定程度上对大理岩的强度起到一定的强化作用,施加小的循环荷载对大理岩的强度强化作用显著使其破坏程度减小;施加大的循环荷载对大理岩的强度强化作用大大减弱,造成的损伤作用更为显著使其破坏程度更大。     

动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散

运用改进的霍普金森压杆,在波动力学理论的基础上,研究动静载下煤岩结构的应力波传播机制与能量耗散,分析应力波幅值和静载对煤岩组合体中应力波的波形、透射系数、反射系数和能量耗散的影响规律。研究结果表明:应力波幅值和静载明显的影响组合煤岩中应力波的传播性质;并且煤岩组合结构初始处于弹性与塑性状态的透射、反射系数随动载的变化规律是不同的。动载能量耗散随应力波幅值的增大而增大,随着静载的增大呈现先增大后减小的趋势。同时注意到组合煤岩在静载在0.50~0.75动载耗散能量迅速降低,并且组合加载下煤岩结构的破坏失稳可分为两种形式,包括动载主导和动载诱发,分别以动载和静载为主要能量源。由静载对应力波传播机制和能量耗散的影响可知,埋深不同或距离采掘空间的远近不同,应力波传播机制和能量耗散是不同的。     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力-应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

动静组合载荷作用下岩石破碎试验研究

在动静态多功能岩石破碎试验台上,以花岗岩为试验对象分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,结果表明:静载 动载组合模式能大幅度提高破岩效果,在破碎深度与破碎体积等方面比单一冲击或压入具有明显的优势,不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果最优。