破碎压实岩体节理宏观力学参数研究

为解决随机分布节理面力学参数的科学估算,在实验室内选用不同粒径级配的破碎岩块进行压缩,获得不同压实率下的压实体试件。对压实体进行单轴压缩试验,记录其轴向应力应变曲线的同时分析压实体节理迹长概率分布函数和范围;其次,通过正交试验和数值模拟的方法构造单轴压缩数值模型,选用与试验轴向应力应变曲线最接近的模拟曲线的节理力学参数,作为该压实体的节理力学参数。最后结合实际现场,利用得到的压实体节理力学参数,研究不同压实程度下再生顶板巷道顶板稳定性。得出了在破碎岩块粒径越小,压实率越大的情况下,再生顶板越稳定的结论。     

单轴压缩条件下预制裂纹岩块破碎过程的数值模拟

应用FLAC3D软件对含预制裂纹砂浆块和完整砂浆块试样在单轴压缩点荷载作用下的破碎过程进行了数值模拟.结果表明:完整砂浆块的破碎过程首先出现一个应力集中区,形成密实核,然后形成中间裂纹、径向裂纹、侧向裂纹,这些裂纹迅速扩展,并衍生许多新的次生裂纹,沿着剪切或拉应力迹线贯通整个岩块;而含预制裂纹岩块的破碎则是在出现密实核后,随之在裂纹的两个端部出现应力集中,然后沿主载荷方向扩展,形成翼型裂纹,最后贯通整个试件;含预制裂纹试件和完整岩块的破碎应力-侵深曲线均出现跃进式特征,但裂纹试件裂尖局部的应力集中导致了翼型裂纹的产生并且沿主应力方向扩展,较早导致试件的破碎,其临界失稳荷载明显下降,预制裂纹对试件破碎效果的影响是显著的.     

基于颗粒流的砂岩三轴破裂演化宏-细观机理

以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2d数值砂岩试样的细观参数标定。针对0.5~20 MPa围压下数值砂岩在双轴试验中的宏观力学响应,从试样内部位移、3种类型裂纹(总裂纹、拉裂纹和剪裂纹)的数目演化和角度分布等细观层面进行了解释。研究结果表明：PFC2d数值试样能代表物理砂岩的主要宏观力学特性;试验过程中,试样内3种裂纹数目均呈“S”型累积,其突变点与宏观应力-应变曲线的弹、塑和破坏特征点对应;随着围压增大,由试验过程中剪裂纹始终占主导逐渐变为拉裂纹始终占主导,拉裂纹的占比逐渐增大;对于整个试样和破裂带,破裂带内拉裂纹的占比始终高于整个试样;总裂纹和剪裂纹角度分布的主方向明显,与加载方向相同;拉裂纹的角度分布较为均匀,在加载方向、破裂面及共轭破裂面方向的集中度相对明显。     

压应力作用不同裂纹分布下岩石破坏过程的数值模拟

应用岩石破裂失稳软件RFPA2D对压应力作用下裂纹岩石破坏进行数值模拟研究,针对裂纹的不同分布及裂纹对岩石试件破裂过程的影响,得出了不同裂纹分布的岩石破坏过程不同,裂纹离岩石试件边界越近,岩石越容易破裂且水平裂纹比竖直裂纹对岩石强度影响大;另外裂纹的走向对岩石试件影响也不同,裂纹走向为45°时,岩石强度最低,裂纹走向为90°时,岩石强度最大,裂纹走向为0°时,岩石强度居于中间。     

乌鲁木齐矿区砂岩单轴压缩的分形特征研究

基于分形理论,研究了单轴压缩条件下乌鲁木齐地区白土窑煤矿煤层顶板砂岩破裂的分形特征。研究结果表明:在单轴压缩条件下,随着轴向应力的不断增加,砂岩试件表面的裂隙数目、长度宽度均在逐渐增加;泥质砂岩和细粒砂岩在轴向应力增加时裂隙发育和扩展的特征存在一定的差异性;分形维数可用来定量地表征单轴压缩条件下砂岩变形破坏过程的演化规律,且建立了不同荷载与分形维数之间的映射关系模型。     

单齿回转切削力学模型的研究进展

碎岩机理研究是提升碎岩效率和提高钻头寿命的前提和依据,而回转切削力学模型是碎岩机理的重要研究基础。通过对国内外典型单齿回转切削力学模型调研分析,归纳出力学模型研究动态主要表现在基于岩石不同破碎形式及岩石与切削齿不同接触形式方面。岩石切削力的分解由初期的切向力和轴向力,发展为主切削力、摩擦力以及切削齿磨钝后力的分解,认为切削力的分解及传递过程直接影响切削齿对岩石作用的应力分布状态,从而导致岩石破碎形式的差异。这些差异主要体现在岩石宏观和微观2种不同破碎形式:岩石的宏观破碎形式主要是由拉伸作用或者剪切作用导致破碎;岩石的微观破碎形式表现为拉剪联合作用导致破碎。微观破碎以内部裂隙产生到裂纹扩展,最终导致岩石宏观破碎现象。最后对单齿回转切削力学模型研究的发展方向提出一定建议。     

不同细观组分花岗岩力学特性的颗粒流模拟

为研究岩石刚度异常区域对其力学参数及破坏过程裂纹分布规律的影响,对花岗岩进行了单轴压缩试验。根据试验结果得到的物理力学参数,采用PFC软件构建了含有不同刚度异常区域的岩石模型,并对其进行单轴压缩模拟试验,将模拟结果与室内试验结果对比分析。研究结果表明:岩石中刚度异常区域的占比在较低水平变化时,其单轴抗压强度的波动较小,随着刚度异常区域占比的上升,其对单轴抗压强度的影响也越显著;岩石破坏后主要产生张拉型微裂纹,其在总微裂纹中的比例与刚度异常区占比呈正相关,当模型刚度异常区域占比不断增加时,微裂纹会由最初的较分散分布逐渐集中在主破裂位置,形成较大的宏观破裂面。PFC模拟试验结果与室内试验结果基本一致,可为岩石在单轴压缩下的破坏机理研究提供依据。     

煤-岩-煤组合体冲击荷载作用下力学特性研究

为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。     

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。     

粒径对非完整破碎岩体力学性质影响试验研究

开挖后的地下硐室周边围岩存在一定范围的破碎区,破碎区内部的粒径大小直接影响着破碎区与弹性区交界面附近区域岩体的力学性质。因此,为了探究粒径对非完整破碎岩体的影响规律,制备了4种不同粒径的非完整破碎岩体试件,开展了单轴压缩条件下粒径对非完整破碎岩体力学试验,分析了粒径对非完整破碎岩体强度、声发射以及破坏特征的影响规律。试验结果表明:随着粒径的增大,试件的峰值强度随之减小;当试件粒径较小时,在应力峰值后的残余承载阶段,应力下降较为迅速,粒径较大时,在应力峰值后的残余阶段应力下降较为平缓。粒径越大的试件,破碎区孔隙越大,加载过程中的裂隙发育扩张越快,应力峰值前的声发射响应越强烈,计数频率和能量累计数越大;随着试件粒径的增大,试件的承载力逐渐降低,其表面由一开始出现的细微拉伸裂纹逐渐演化成宏观剪切裂纹。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

铜丝电爆炸载荷下红砂岩破裂行为实验

金属丝电爆炸破碎岩石是一种环保且有前景的爆破技术。为进一步认识岩石在金属丝电爆炸载荷下的破裂行为,基于高压脉冲放电实验平台,开展了直铜丝电爆炸破碎红砂岩的模型实验研究。借助超高速相机观测了试件表面裂纹的起裂和扩展过程,探讨了放电电压和爆源位置等因素对岩石破裂效果的影响,具有一定的创新性。结果表明,随着放电电压增加,岩石破裂程度变得更加严重。30 kV电压下,金属丝发生电爆炸,但并未有效破裂岩石;40 kV电压下,试件出现数条宏观裂纹,红砂岩破裂成碎块状。此外,爆源到试件表面的距离越近,试件表面的裂纹越发育,试件的破碎程度越严重。     

等离子冲击波作用下红砂岩的动态破裂行为试验与数值模拟研究

为了研究等离子冲击波作用下岩石的破裂行为,开展了不同放电间距下的高压脉冲击穿红砂岩试验。利用超高速相机观测了红砂岩试件的裂纹扩展过程,讨论了放电间距对等离子冲击波作用下红砂岩试样表面裂纹密度的影响。随后,利用数值模拟软件LS-DYNA建立与实验条件一致的有限元模型,对比了模拟和实验结果,再现了试验过程。结果表明：等离子冲击波作用下,垂直放电通道方向的两个表面上的破坏主要是径向裂纹;平行放电通道的四个侧面则是横向裂纹占主导。随着放电间距的增大,试件表面的裂纹密度逐渐增大。依据数值模拟结果对试件内部的破裂过程及应力波的衰减进行了分析。结果表明:随着与放电间距的增加,等离子冲击波在红砂岩试样内部形成的有效应力呈现出指数型衰减,在自由面附近有效应力峰值趋于稳定。     

考虑裂隙的含孔洞软岩体力学特性模拟分析

天然岩体常含有节理裂隙与孔洞等缺陷,为研究含4条均布不同倾角裂隙、中心孔洞软岩体在单、双轴作用下的力学特性与破裂模式,基于自行配制的石膏试样的基本物理力学参数,采用FLAC3D对加载情况进行模拟。结果表明:1)单轴压缩条件下,根据裂纹分布规律的不同,提出了3种破裂形态,分别为"X破裂形态"(α=90°)即裂隙的存在与否对试样破裂模式几乎无影响、"完全破裂形态"(α=0°)即围绕中心圆孔试样出现贯通破碎带、"中间形态"(α=45°)即剪切裂纹呈近似45°扩展至试样边界;2)试样单轴、双轴峰值强度和脆性指标与裂隙倾角密切相关,随倾角增加呈现先减后增的"对勾"形趋势;3)侧压力增加,试样峰值强度呈对数形式增长,45°倾角裂隙试样峰值强度对侧压力敏感度最高;4)双轴压缩对比单轴压缩,新生裂纹数量显著减少,细长裂纹转变成片状破碎区域。     

岩石试件中非平行双裂纹扩展贯通规律的数值模拟研究

含裂纹岩石试件的裂纹扩展贯通规律的研究是岩石力学与岩土工程重要的研究方向之一。本文采用颗粒离散元数值模拟软件PFC2D,对含有两条非平行裂纹的类岩石材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。通过统计裂纹模式,发现了两种不同于两条平行裂纹间结合的模式,这两种结合模式中的水平裂纹多与原点倾斜裂纹在水平方向有重合。由试件的力学响应可知,当水平裂纹位于相同高度时,水平裂纹在原点裂纹正上方或正下方的试件峰值应力最大,且中心两侧峰值应力呈近似对称分布;裂纹的贯通多发生在试件的轴向应力达到其峰值的前后,且伴随试件应力应变曲线从塑性强化阶段到试件的破坏,微裂纹的数目呈现规律性的变化,裂纹的贯通和微裂纹数目变化都能在一定程度上预测或反映试件的破坏。室内试验验证了数值模拟中不同扩展模式的存在,说明数值模拟研究的可行性。     

冻融循环作用下腐蚀黄砂岩失稳破坏预警研究

为研究预制裂隙黄砂岩的力学特性和破坏预警，将含2条贯通性平行裂纹的黄砂岩试样在不同冻融循环次数条件下分别经过化学腐蚀处理后进行双轴压缩试验，并采用数字图像相关技术(DIC)和红外热像技术实时监测岩石试样的变形破坏过程。结果表明：黄砂岩试件的强度随冻融循环次数的增加而降低，碱性溶液对冻融循环造成的劣化起到抑制作用；黄砂岩试件的破坏模式主要由翼型裂纹和剪切裂纹构成，翼型裂纹萌生于预制裂隙端部，剪切裂纹在翼型裂纹沿轴向向两端扩展及贯通过程中出现；结合应变局部化带对应裂纹出现的潜在位置与红外辐射温度的前兆异常，可以对岩石的破坏进行预警。     

硬岩受拉破裂过程及其导水性研究

借助RFPA软件在有限元破裂前应力状态分析和离散元破裂后散体的运动规律研究两方面的特性,对硬岩试件的拉伸过程进行了模拟研究.通过研究试件在拉伸加载条件下的破裂过程及其导水性,探索采动关键层的破裂过程及导水机理.     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

不同加载条件下的煤岩体压缩试验模拟研究

为研究不同加载条件下的煤岩破坏特征,采用离散元数值软件PFC建立了双轴压缩模型。选取颗粒间黏结颗粒模型,设定其接触关系,并利用伺服加载机制实现了不同围压下变速率双轴压缩数值模拟。对部分煤岩模拟试件破坏形态、微裂纹发育过程、应力-应变曲线以及声发射事件数进行研究,分析了围压与加载速率对试件破坏特征的影响。研究结果表明:围压越大,试件的轴向应力峰值越大;加载速率对试件的轴向应力峰值影响较弱;压缩过程中岩石试件内裂纹扩展主要经历平稳发展-急剧增加-平稳发展3个阶段,煤岩体损伤程度越高,声发射事件数越多。