冲击荷载作用下磁铁石英岩破碎能耗分析

应用SHPB试验设备对磁铁石英岩进行不同速度条件下的冲击试验,基于试验结果,分析了岩石类材料在冲击荷载的作用下其能量的耗散规律和块度分布情况,建立了磁铁石英岩破碎块度与能耗关系模型,提出了岩石应变率强度指数和能时密度概念,揭示了岩石破碎有效能耗不仅与能量输入大小有关,而且与能量的时间强度密切相关。通过对冲击试验中不同输入能量条件下的磁铁石英岩的破碎粒度统计分析,对比采集到的反射应力波作用时间和强度,初步建立了岩石动态强度的应变率关系模型和能时密度模型,将炸药能量输出结构这一概念通过具体指标作了定量表述,建立起了炸药能量输出与岩石破碎能耗间的内在联系,为研究炸药与岩石能量耦合提出了新的研究思路。     

循环冲击作用下砂岩动力学特性及能量耗散特征研究

以巷道围岩施工过程中受到多次动荷载扰动而变形失稳为背景,利用分离式霍普金森斯压杆对砂岩开展5种冲击气压下的循环冲击试验,探究循环冲击作用下砂岩动力学特性及能量耗散特征。试验结果表明:在较大冲击气压作用下,峰值应力随着冲击次数的增加呈线性下降趋势,峰值应变和平均应变率则随着冲击次数的增加呈线性增长趋势;而在较小冲击气压作用下,随着冲击次数的增加,峰值应力先缓慢下降然后陡降,峰值应变和平均应变率则先缓慢增加然后陡增;随着冲击次数的增加,试件裂纹不断萌生扩展,试件主要呈劈裂破坏,单位体积吸收能表现为两阶段变化趋势,累计比能量吸收能不断增加。     

循环冲击作用下岩石能量耗散特征及损伤研究

为研究玄武岩在循环冲击作用下的能耗特征及损伤，采用带围压装置的霍普金森压杆(SHPB)系统设置5种冲击气压梯度对玄武岩试样开展单轴冲击试验和两种围压状态下的循环冲击试验。研究发现，随着循环次数增加，试样单位体积吸收能呈现前期匀速缓慢增长，临近破碎时增长速率急剧攀升的趋势，玄武岩试样单位体积吸收能与冲击气压值呈正相关；施加围压可大大增加玄武岩抵抗外部冲击的能力，破碎时累计比能量吸收值比无围压状态提升10倍以上；随着循环冲击次数的增加，损伤因子D先匀速上升，而后上升速率加大，临近破碎时，岩石吸能效率下降，损伤因子又趋于平稳；损伤因子D达到0.4左右时，玄武岩试样出现较为明显的剪切裂纹。     

岩石循环冲击损伤演化围压效应的实验研究

为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应, 对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载, 测试受冲击后试件轴向超声波波速。用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响, 得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系。分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明, 岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应, 围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

多级围压变应力下限循环加卸载煤体冲击倾向性特征研究

围压作用下煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤体冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究不同围压作用对煤体冲击倾向性的影响，对煤体进行了多级围压下不同应力下限循环加卸载。结果表明：在3、6、9 MPa围压环境下变应力下限循环加卸载作用后煤试件抗压强度分别增加了3.1%、4.7%、6.2%，最后一级循环加卸载过程中轴向应变分别增加了0.61%、0.42%、0.28%，体积应变分别增长了0.32%、0.24%、0.17%，表明煤体受到的围压越大对煤体变形约束越强；随着围压的提高，声发射事件累积数量逐渐降低，峰后声发射累积数量不断降低，累积能量同样逐步降低，表明随着围压的升高，煤试件变得更加致密，破坏形式逐渐由脆性破坏过渡到韧性破坏；经过3、6、9 MPa围压作用，输入能U_inⁿ与弹性应变能U _eⁿ不断升高，较之常压条件下煤试件剩余弹性能指数C_EF分别提高了21.76%、42.92%、71.69%，说明围压对煤体冲击倾向性具有增强作用，且剩余弹性能指数C_EF...     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

基于SHPB试验的磁铁矿石破碎特性与能量耗散研究

为掌握磁铁矿石在冲击载荷作用下的破碎特性,基于霍普金斯(SHPB)压杆装置,开展不同气压对磁铁矿石冲击压缩试验,探究磁铁矿石动态应变率和动态抗压强度与冲击气压的变化规律,解析磁铁矿石在高应变率下的破碎形态和能量规律。研究表明:随着冲击气压的增加,磁铁矿石动态抗压强度先增加后减小,冲击气压为0.6 Mpa时,动态抗压强度最大,其对应平均应变率为102.71s^-1;磁铁矿石平均应变率和峰值应变率均随着冲击气压均呈幂指数形式增加(εe=230.57p^1.46,εm=311.33p^1.81);进入入射杆的能量中,反射能所占比例为29.93%~57.95%,透射能所占比例为3.66%~25.11%,吸收能的能量利用率为36.09%~44.96%。冲击气压为0.5MPa时,磁铁矿石试样破碎效率最佳,能量利用率最高为44.96%。     

煤岩体储能与冲击矿压机理的探讨

在文献学习与工程试验研究的基础上 ,产生了关于岩体应力场与弹性应变能量的内在联系及能量积聚与传递性的若干认识。应用能量传递原理和能量守恒定律 ,结合岩体性状组织损伤弱化的理论 ,提出了煤岩体冲击效应理论与冲击效应方程 ,并结合冲击效应学说与能量方程分析论述了冲击矿压的形成机理     

微波照射下层理矿石破碎的能耗与粒度研究

在矿山的矿石破碎过程中,存在着能耗巨大的弊端,严重阻碍了企业的绿色发展。利用落锤冲击破碎试验,结合微波加热技术,针对含层理面的矿石试件进行冲击破碎试验,并基于岩石剪切破坏角的Coulomb准则,对未经微波照射与经微波照射下,含不同层理倾角矿石的吸收能及碎屑块度分布情况进行了研究。研究表明,随着层理倾角的增大,矿石吸收能呈先降低后增大的趋势,当倾角为90°时,吸收能存在最小值;经微波加热处理后的矿石吸收能E_(WJL)低于未经微波处理的矿石吸收能E_(JL),且在10°～20°时,E_(JL)-E_(WJL)值最大。随着层理倾角的增大,矿石破碎后的平均块度呈逐渐减小趋势,破碎程度加重;经微波预处理后,矿石的平均块度显著降低,破碎程度最高;因冲击破碎后的碎屑尺寸影响,矿石的平均块度与分形维数相关性较弱。研究成果对于矿石破碎中的能耗控制具有一定参考价值。     

基于能量耗散的上覆遗留煤柱区冲击地压防治技术

为降低上覆煤层遗留煤柱对下方采掘巷道的冲击影响,研究分析了煤柱载荷分布、底板应力传递与采场围岩应力分布的关系,由能量耗散理论对遗留煤柱区围岩系统中弹性应变能的来源进行了判断。研究表明,煤柱形成后,采空区悬顶、底板距离及煤柱尺寸是造成下方煤体的高应力集中的主要原因,也是整个煤柱系统中弹性应变能的主要来源;从减少悬顶、弱化煤柱和衰减底板应力等多途径出发能够有效耗散煤柱系统的弹性应力能;弱化遗留煤柱选择高压水力压裂措施,底板应力传递过程中的衰减则采用顶板预裂措施实现耗能目的;在鹤岗南山矿遗留煤柱区域进行了现场试验,针对遗留煤柱及层间岩层均采取了耗能措施,现场情况表明该处理方法具备一定的效果且可行。     

考虑细观特征的红砂岩动态损伤与破碎的能量耗散

从细观角度深入探讨岩石动态力学特性,是理解岩石爆破破碎机理的方式之一。采用分离式霍普金森压杆对围压作用下的红砂岩试件进行动态加载,以孔隙率变化表征细观特征,基于能量耗散指标研究了红砂岩动态损伤与破碎的能量耗散。结果表明：冲击次数总体趋势是随着气压的增加逐渐减少,试件破碎前能量耗散增加,并没有明显的回弹;在第3次冲击或第4次冲击时,动态特性存在差异;在初始冲击中,孔隙度由中孔、大孔闭合到微孔,随着冲击载荷的增加,微孔孔隙度差值的峰值向后移动。     

基于界面模型的煤岩体冲击破坏特性研究

煤岩两体结构是煤岩体发生冲击破坏时的基本结构,采用RFPA数值软件探讨煤岩体中界面倾角与深部开采条件下围压对煤岩体冲击失稳破坏的影响。模拟结果表明:煤岩体的声发射能量特性与抗压强度呈现相同的变化规律,倾角越大,冲击破坏的危险性越低,界面滑移破坏的危险性越高;煤岩体在高地应力大倾角下抗压强度大小主要由围压来决定。煤岩体的破坏模型以45°倾角为界限,分为压剪破坏和界面滑移破坏2种,当α<45°时,煤岩体呈现压剪破坏特征;当α≥45°时,破坏模式转变为以煤岩交界面的滑移破坏为主。     

矿震动载对围岩的冲击破坏效应

分析了矿震激发震动波能量的传播模式、衰减特征及动态应力降大小,并基于能量和刚度理论,分析了动静载组合作用下巷道煤体的冲击破坏机理。研究表明,矿震震动能量的传播衰减特征主要依赖于能量几何扩散、传播岩体介质的阻尼衰减,以及矿震震源的震动位移场和能量辐射特征的综合影响。矿震动载传播至采场或巷道围岩时,分别与煤岩系统的静态应力（能量）场进行能量标量和应力矢量叠加。矿震动载的能量叠加可使煤岩系统聚集的能量增加,而应力叠加使系统内煤体变形破坏做功所消耗的能量减小,从而使系统聚集和消耗的“差能”增加。系统可释放的“差能”越多,煤体失稳的可能性越大,当动静载组合作用下煤岩系统同时满足冲击矿压发生的能量和刚度条件时,煤层发生动态冲击破坏。     

基于复合弱化结构的上覆煤柱区冲击地压防控研究

为实现上覆煤柱影响区冲击地压的整体可控性，提出利用复合弱化结构进行冲击能量耗散，在阐述复合弱化结构定义、分类和弱化度及上覆煤柱导致冲击地压发生机理的基础上，分析了复合弱化结构的防冲力学机制。结果表明：弹性能指数、冲击能指数随复合弱化结构弱化度的增大而降低；复合弱化结构将冲击危险区域的弹性能分段耗散，能有效改变煤岩弹性能释放模式；对既定的残留煤柱采用顶板(煤)预破坏措施实现冲击能量的耗散。在唐山矿煤柱区域进行了现场试验，采取整体耗能措施后，冲击危险区域的钻孔应力值和钻屑量均小于发生冲击地压的临界值，保证了煤柱区的安全生产。     

基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

冲击载荷下煤样能量耗散与破碎分形的长径比效应

为研究不同长径比煤样动态压缩下能量耗散规律和破碎分形特征,采用?50 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bars, SHPB)试验系统,以相同冲击气压0.35 MPa对直径50 mm,长径比分别为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0的煤样进行单轴冲击压缩试验,定义了可判定应力平衡状态的指标——应力平衡系数ξ,发现了能量耗散的长径比效应并讨论了其与应力平衡的关系,分析了长径比和耗能密度对煤样破碎分形特征的影响。研究结果表明：不同长径比煤样应力-应变曲线形态基本一致,均包含弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,随长径比增加,曲线塑性阶段增大;根据应力平衡系数ξ确定煤样的临界长径比为0.6,低于临界长径比的试件易达到应力平衡,超过临界长径比试件将难以在破坏前达成应力平衡;煤样动态压缩破碎耗能与耗能占比的长径比效应表现为：随长径比增加分2个阶段,且其分界点接近临界长径比,各阶段内呈线性增加关系,阶段间呈台阶式下降;试件尺寸增加引起原生缺陷摩擦耗能增加和端部摩擦效应增强,超过临界长径比的试件应力达到峰值前其变形量降低形成了破碎耗能...     

基于地音事件加权平均能量值的冲击矿压预测

为提高利用地音数据预测预报矿井冲击矿压的水平,从能量释放方式角度深入分析了煤岩体破坏过程中的3种演化可能,提出了基于地音事件加权平均能量值的分析方法,并阐明了分析步骤.利用某矿ARES-5/E地音监测系统实测数据进行验证,结果表明该方法能够准确对微震事件和冲击事件进行预警,且微震事件的超前预警事件相对冲击事件的预警事件...     

基于区域划分与主控因素辨识的冲击危险性评价方法

冲击矿压机理复杂,影响因素众多,不同区域内冲击矿压影响因素种类及其权重往往存在差异。为提高冲击危险性评价的准确性与针对性,提出一种基于区域划分与主控因素辨识的冲击危险性评价方法。以砚北煤矿250204工作面为研究对象,该工作面受特厚煤层、褶曲构造、采掘干扰、煤层倾角、开采深度等因素综合影响,存在严重冲击矿压威胁。研究结果表明:(1)煤层厚度、倾角及开采深度仅在局部区域对冲击危险性存在明显影响;向斜构造及采掘干扰与矿震事件分布的相关性最为密切,对冲击危险性影响强烈;(2)依照各因素的影响范围与变化趋势,进行工作面区域划分,构建基于层次分析法(AHP)的冲击矿压影响因素权重评价体系,辨识各影响因素间的权重差异;(3)构建基于因素权重差异的冲击危险指数,定量描述区域内冲击危险程度。经检验,250204工作面整体冲击危险性指数分布与矿震定位拟合程度高达92.6%,证明了评价结果的准确性。     

基于3D扫描的深部砂岩动态破碎块体尺度特征与能量耗散规律试验研究

在不同的冲击荷载下,岩石会破碎成不同尺寸的块体或颗粒。为了对动态荷载下岩石的吸能特性和动态破碎块体的尺度特征进行定量研究,采用分离式霍普金森压杆系统(SHPB)对煤矿深部砂岩进行了动态压缩试验。得到了不同冲击荷载下岩石试件的动态压缩强度规律,分析了入射能对试件吸收能的影响和应变率效应。在此基础上,利用3D扫描技术、数字图像处理技术得到破碎块体的三维扫描模型,探讨了砂岩试件破碎块体尺度特征与吸收能量的关系。研究表明：砂岩试件的动态抗压强度和吸收能都具有明显的应变率效应,动态抗压强度和动态应变率近似呈线性关系,而吸收能则呈指数型关系;在不同的入射能量下,试件吸收的能量有所不同,吸收能随入射能呈线性增长;在应变率为54～221.9s^-1范围内,3D扫描技术能对砂岩破裂块体进行高精度数字重构;随着冲击荷载和输入能量的增大,试件破碎块体的形状逐渐丰富,破碎块体的粒径逐渐减小,比表面积逐渐增大,试件的破碎形态由大块体破断向小块体破碎转变。砂岩材料的破碎成形和能量耗散是材料的率效应机制。