基于DIC技术的煤样裂隙发育特征及应变演化规律分析

为了深入分析煤样单轴压缩下裂隙发育特征及应变演化规律,采用数字图像相关技术(DIC)分别获得试验过程中试件裂隙场、应变场的全程图像和数据,研究结果表明：试件应变演化与裂隙发育具有潜在的联系,裂隙发育处往往存在明显的应变集中现象,在弯曲裂隙中,当其张开程度较大时,受垂直压应力影响,诱导反方向的水平变形,出现裂隙闭合,以及垂直应变剧增、水平应变剧减等现象。当裂隙张开或扩展时,最大主应变增大,同时会出现明显的应变集中现象|当裂隙闭合时,最大主应变减小,应变集中程度也随之减小|最大主应变方向与裂隙张开方向基本一致,与裂隙扩展延伸方向基本垂直。试件加载后期,裂隙快速发育,而此后也表现出多处局部应变快速集中现象。当试件裂隙瞬间产生或破坏时,最大主应变方向也会发生较大变化,该试验结果可作为试件破坏预警的前兆信息之一。     

冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。     

冲击载荷下裂隙岩体破碎能量耗散特征

为研究裂隙岩体在冲击载荷作用下的动态力学特性,探究岩石在冲击载荷作用下破碎的能量耗散特征,利用分离式霍普金森杆对完整红砂岩试件以及预制不同角度单裂隙红砂岩试件进行冲击试验.试验结果表明:含裂隙岩石动态抗压强度均小于完整岩石的强度,预制裂隙降低了岩石的动态力学性能;随裂隙角度的增大,裂隙岩石的动态抗压强度随之增大,反射能...     

等幅循环加载岩石变形局部化带位移演化规律

岩石是一种非均质天然工程材料,在工程中往往处于一种循环往复加载状态之中,研究循环加载过程中岩石的变形局部化演化规律,为岩土工程结构的稳定性提供理论支持。将循环加载简化为等幅循环和分级等幅循环2种加载条件,开展红砂岩试件的2种循环加载方式下的实验研究,采用CCD(Charge-Coupled Device)相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件变形局部化带位移演化规律。分析发现:循环加载全过程中,局部化带位移随加卸载应力呈现波动上升变化;相对于加载应力的变化,位移演化存在时间滞后性,且随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应。循环加卸载过程中,局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间数值于循环前期呈平稳波动、循环后期呈上升波动;局部化带位移底点相对于卸载应力底点的滞后时间数值随循环次数的增加呈现平稳波动。整个循环过程中,当加载或卸载到同一应力水平时,局部化带的位移随着循环次数的增加而增大;每次循环过程中的同一应力水平下,卸载过程的位移数值大于加载过程的位移数值。随着循环次数的增加,局部化带位移存在明显的缓慢演化阶段和加速演化阶段。在试件破坏前,卸载底点处的局部化带位移值明显趋近于加载顶点处的局部化位移值,该局部化带位移演化特征可以作为循环加载过程中岩石试件或结构失稳破坏的一个前兆信息。研究可为循环荷载下的岩土工程材料或结构的失稳破坏提供新的特征力学监测量,即在某一特定应力环境中,当低应力状态的变形量值与相对高应力状态的变形量值都随时间发生增大且低应力对应的变形量值增加速率明显大于高应力对应的变形量值增加速率时,岩土材料或结构将会发生失稳破坏。     

红砂岩变形演化及声发射主频特征实验研究

以声发射系统和数字散斑相关方法作为实验观测手段,开展红砂岩试件变形场演化及声发射主频特征实验研究。通过单轴加载方式,对一种红砂岩试件加载全过程中的变形场演化、声发射主频信息进行分析,研究红砂岩试件变形场演化与声发射主频分布范围、事件率对应关系以及声发射主频的能量特征。研究结果表明:低主频声发射事件在变形局部化启动时刻开始出现且数量不断增加,随着变形局部化带错动速率增大,声发射主频分布范围显著增加;在红砂岩试件变形局部化阶段,低主频声发射事件率与高主频声发射事件率的量值接近,但量值较小;在应力峰值点处,低主频声发射事件率远大于高主频声发射事件率;在界面滑动阶段,高、低主频声发射事件率量值均较大;红砂岩试件变形破坏过程中,高能量声发射事件主要分布在低主频范围内,低能量声发射事件在高、低主频范围内均有分布。     

霍普金森杆冲击加载煤样巴西圆盘劈裂试验研究

为研究煤样动态拉伸变形破坏特征,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度和煤样中层理倾角对煤样动态抗拉强度、破坏应变及应变率的影响;并通过高速相机和数字散斑图像分析方法,对样品的动态劈裂及表面应变场变化过程进行了初步分析。研究表明:冲击速度和层理倾角对煤样动态拉伸破坏特征有明显影响。冲击速度越大,煤样动态抗拉强度则越大,但其随冲击速度增加的幅度逐渐减小;样品破坏应变在冲击速度为3.5 m/s时出现最大值。在冲击速度相近的情况下,层理与加载方向夹角相垂直时,样品的破坏应变相对较大,而应变率则最小。抗拉强度随层理倾角波动变化。在层理倾角与加载方向平行或非垂直时,煤样主要表现为拉伸破坏;在层理与加载方向非平行或非垂直时,样品表现出基质的拉伸和层理的剪切破坏相伴生。     

单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-II声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明：(1)随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。(2)与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。(3)随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。(4)与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载（...     

含倾斜边裂纹岩石冲击断裂模拟试验

为模拟岩石在冲击荷载下,裂纹与加载方向不同角度情况下的断裂行为,利用透射式焦散线测试系统,采用单边切口三点弯曲梁试件,进行三点弯曲梁冲击断裂试验。研究结果表明：含倾斜边裂纹试件受到正应力和剪切力作用,裂纹为复合型裂纹,裂尖产生的焦散斑为复合型焦散斑;预制裂纹与加载方向的夹角变化时,动态应力强度因子、裂纹扩展时间以及裂纹扩展速度都随之变化;预制裂纹与加载方向的夹角增大时,裂纹扩展速度的最大值增大,裂纹扩展速度的振荡性增强;当荷载的加载方向与预制裂纹的方向一致时,裂纹起裂最快,裂纹为I型裂纹。冲击载荷方向与预制裂纹夹角增大时,扩展裂纹表现为复合型特征,动态应力强度因子KdⅡ表现越明显,其最大值随夹角的增大而增大。     

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC–2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明：(1)在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力–应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快–慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹–剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。(2)揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律：孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地...     

岩石动力破裂及其电磁辐射信号特征分析

为提高电磁辐射预测煤岩体动力灾害的准确性,设计霍普金森杆冲击试验,监测收集岩石破裂时产生的电磁辐射信号,并对信号使用小波变换的迭代阈值方法进行去噪,将处理后的电磁辐射信号结合砂岩承受冲击荷载后的应力特征,总结出砂岩冲击破坏时电磁辐射的产生规律.结果表明：根据砂岩遭受冲击后的破坏形态,可将其分为冲击压缩破坏与冲击拉伸破坏;产生破裂时电磁辐射有较大增强,随后随着应力波波谷传递至试件开始降低,而拉伸破坏的试件在此时发生拉伸破坏也会导致较大的电磁辐射波动,在应力波震荡过程中裂隙逐渐扩展,电磁辐射会逐渐增大直至试件完全破坏不再产生电磁辐射;裂隙扩展阶段电磁辐射强度增大,岩石破裂后电磁辐射的强度降低,且具有幅值小、频域窄、主频低等特征.     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。     

基于地应力反演的构造应力区沿空巷道窄煤柱宽度优化研究

基于地应力测量和三维建模技术,对黄岩汇15111工作面褶曲构造应力场进行了反演,研究了构造应力区采空区边缘不同位置处煤层顶板垂直应力的分布特征,不同位置处护巷煤柱上垂直应力、巷道顶板水平应力、以及巷道围岩变形量随煤柱宽度增加而变化的规律,并据此探索了一种确定构造应力区沿空巷道合理窄煤柱宽度方法,确定该构造应力区窄煤柱宽度为6.5 m。研究发现:构造应力区采空区边缘应力集中系数减少量在背斜左翼、向斜右翼中部最为明显;处于背斜左翼、向斜右翼中心对称位置煤柱上垂直应力、巷道顶板水平应力曲线呈“分别相似”特征,且该特征随着煤柱宽度增加而变得明显;构造应力区窄煤柱上垂直应力峰值偏向巷道侧,且垂直应力场随着煤柱宽度增加出现明显的内、外应力场;构造应力对沿空巷道顶板水平应力的分布也有影响,煤柱宽度为4.0~8.0 m时,巷道顶板水平应力自褶曲背向斜交界处向背、向斜轴部呈递减趋势,煤柱宽度为9.0~16.0 m时,呈递增趋势;褶曲对巷道围岩变形量的影响在煤柱宽度较窄时较为明显,在煤柱宽度4.0~10.0 m时,褶曲背、向斜中心对称位置巷道围岩变形量呈“分别相似”特征,煤柱宽度大于10.0 m后褶曲背、向斜中心对称位置巷道围岩变形量变化特征趋于一致。     

基于层间摩擦滑动的煤柱冲击地压实验研究

冲击地压是矿山动力灾害之一,随着煤矿开采深度的增加,导致冲击地压事故频发,造成大量人员和财产损失.为了防治煤矿冲击地压事故的发生,本文基于岩层之间的摩擦滑动过程,开展煤柱冲击地压实验,探究冲击地压发生机理.通过设计弱夹层组合体煤柱模型,利用数字散斑的相关方法对组合煤柱体单轴压缩过程进行观测分析,研究轴向荷载下组合体煤柱...     

深部松软煤层钻孔孔周煤体变形产渣特征研究

针对煤矿井下高瓦斯软煤顺层长钻孔排渣困难、成孔率低、施工困难等问题,通过数值模拟实验研究了井下深部软煤体变形破坏特征,分析了顺层长钻孔孔周松软煤体变形特征及应力变化,以揭示顺层长钻孔孔周松软煤体变形产渣规律。研究表明:深部高瓦斯软煤顺层钻孔孔周煤体的应力平衡临界条件破坏后将发生大体积突然垮落;钻孔水平最大变形位移为1.22mm,垂直方向最大变形位移为10.7mm;径向孔周煤体垂向变形呈现逐渐减小趋势,且垂向变形明显大于钻孔水平变形。在水平方向上,钻孔孔周煤体应力分布呈现先增大再逐渐减小的变化规律,径向距离对水平应力分布的影响逐渐减小;随着径向距离的增加,钻孔孔周煤体应力分布逐渐降低,钻孔孔壁处煤体的应力出现最大值,且垂直方向处应力值最大。     

动载扰动诱发底板冲击矿压演化规律研究

为了研究动载作用下底板冲击矿压的演化规律,采用理论分析和数值模拟的手段研究了动应力波作用下巷道底板煤体的应力和位移等参数的响应特征,揭示了动载扰动诱发底板冲击的原因和显现过程。研究结果表明:动应力和巷道底板的高水平应力叠加使底板煤体达到或超过强度极限发生屈曲失稳和变形,并且应力波入射到底板表面反射形成拉应力导致底板发生层裂破坏,在这过程中破坏范围逐渐扩大,导致底板冲击。动载作用过程中底板煤体的水平应力、垂直应力、应力差先上升后瞬间大幅度降低,同时底板煤体拉伸破坏的层裂破坏范围和垂直位移瞬间增加,在此过程中,底板水平应力集中现象逐渐消失。     

无烟煤在冲击载荷下破坏模式与强度特性

大直径单轴分离式霍普金森压杆试验表明：无烟煤在冲击载荷作用下,存在一个门槛速度4.3 m/s。这个门槛值为提高无烟煤块率,进行生产系统、储运系统改造优化等方面提供了可参考数量依据。根据试验曲线的特征,无烟煤具有显著的应变软化和应变硬化特征,初始弹性模量、屈服强度与极限强度都随着应变率的增加而提高,屈服强度最为显著。无烟煤在冲击载荷作用下破坏分为4种类型：压剪破坏、拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏,并以拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏为主要破坏形式。     

构造煤受载破坏过程电阻率响应的方向性差异特征

开展了配比软煤正方体试样的单轴压缩试验,分析了构造煤受载破坏过程的应力应变特征,得到不同方向上煤体的电阻率响应特征。结果表明:试样从加载到破坏分为4个阶段,依次为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;煤体受载过程中,煤体呈现劈裂破坏形态,裂纹从试样底部向上方扩展,部分裂纹贯穿试样的上下表面;试样在竖直方向和水平方向上的电阻率响应特征呈现明显的差异性,竖直方向上试块的电阻率呈现先减小后增大的趋势,而水平方向上试块的电阻率呈现缓慢增大、快速增大和急剧增大3个阶段;试块发生破坏后,竖直方向的电阻率变化远不如水平方向电阻率的变化幅度大,而且水平方向电阻率呈现持续增大的特征。