受载岩石能量演化特征的研究进展

能量作为一种描述“宏观系统”的“宏观变量”，其物理意义明确，信息量丰富。能量演化背后既包含了岩石自身储能状态信息又包含了岩石结构的损伤破裂信息。在深部地层中，开采扰动下的岩石能量演化特征将会更加明显，能量驱动下的岩体失稳或破坏将更加频发。为了进一步研究受载岩石能量演化方面的特征，需要对当前研究进展进行梳理。本文归纳了受载岩石的能量分配方式，分析了各组分能量用途，考虑了岩石自身因素与所处外界条件因素对岩石能量演化特征的影响。岩石自身因素包括岩石的软硬、材料均质与否、结构完整与否；外界条件因素包括围压条件的影响、卸荷条件的影响、加载速率的影响。最后指出，当前岩石受载能量演化的研究仍然处于发展阶段，需要开拓新的试验思路，开创新的试验方法，进一步挖掘能量背后携带的丰富信息量。     

卸荷条件下岩石破坏能量演化试验研究进展

岩石在变形破坏过程中不断与外界交换着物质和能量,是一个能量耗散的损伤演化过程,岩石破坏的实质是能量驱动下的状态失稳现象。综合介绍了在开挖瞬间,迅速增大的轴向应力随着时间增长逐渐趋于稳定和围压瞬间卸载的应力重分布情况,目前主要采用轴压升高、围压降低而轴压不变、围岩降低的室内试验方案。结果表明:岩石卸荷破坏具有明显的围压效应,总应变能、弹性应变能和耗散能与初始围压呈正相关关系;随着卸荷速率的增加,能量转化速率不断减小,岩石容易产生瞬间动态破坏;不同卸荷水平下能量演化存在明显的差异;碎屑岩块分形维数越大,扩容现象越明显,穿晶、沿晶裂纹越发育,消耗能量越多。基于现有的研究成果,提出完善试验系统、采用与工程实际相符合的应力路径、开展微细观裂纹研究、深入能量转化敏感阶段研究的发展趋势。     

岩石裂隙模型超声波传播规律初探

本文通过对岩石中理想裂隙系模型超声穿透信号全波波形的综合研究,给出了穿透信号首波、耦合波和尾波的变化规律与裂隙性状的关系,为岩石或固体材料的变形、破坏、损伤及断裂等力学试验和微结构的研究,提供了依据及可行的监测和检测手段。     

冻融循环作用下岩石能量演化及损伤本构研究

针对冻融循环作用对岩石变形及强度影响等问题,研究冻融循环作用下岩石能量演化机制与本构模型,主要研究内容包括:冻融循环作用下岩石强度损伤特征,随着循环次数的增加,岩石抗压强度及弹性模量呈现指数函数降低,抗压强度、弹性模量的最大降低幅度分别为53.31%、36.33%;冻融循环作用下岩石能量演化机制,随着循环次数的增加,岩石总能量逐渐降低,岩石能量耗散速率整体呈现增大趋势,意味着冻融循环对岩石内部结构产生损伤;基于损伤等效原理与Weibull分布理论,建立岩石损伤本构模型,对比试验曲线得到损伤本构模型能够较好地描述岩石变形特征,为类似本构模型的建立提供了有益思路。     

岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明：组合体强度受中间煤体高度影响,试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体被挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导,两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度,煤体中部受到其约束最小,且随着煤体高度的增加,所受影响迅速衰减。通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程,结果表明,组合体裂隙发育的过程可分为4个阶段：裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度,导致组合体微裂隙最初于煤体内部生成(在煤体高度非常小时,裂隙自砂岩内部产生);随着试件荷载增大,随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏;且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹,在加载至试件单轴抗压强度的80%左右时,试件内部张拉裂隙开...     

重复采动影响下采场底板隔水层裂隙演化规律试验研究

我国华北型矿区均受石炭二叠纪煤系底部的太灰、奥灰强含水层影响。为分析带压开采过程中,受采动应力及水压双重作用下,煤层底板隔水层承载变形特征及其破坏机理,设计了承压水自动加载系统,通过物理模拟试验再现底板隔水层重复采动影响下裂隙萌生、扩展、贯通等破坏失稳过程。明确底板不同层位的裂隙分布及其形成机理,并通过全场位移监测系统得出底板岩层移动变形规律及位移分区特征。     

岩石压缩能量演化规律及非线性演化模型研究

为了研究岩石在不同围压作用下的压缩能量演化规律,采用MTS815.02试验机对阜新恒大煤矿砂岩进行不同围压下三轴压缩试验,通过能量法计算出不同条件下的弹性能变化曲线,分析不同围压作用下岩石压缩能量演化规律,以及在同一围压作用下弹性模量对弹性能变化规律的影响。基于广义虎克定律和能量守恒定律,并考虑弹性能与能量释放率的关系,引入微元强度的概念,建立一种新型的能量非线性演化模型。结果表明:随着围压增大,岩石的弹性能和总能量在峰值处的数值基本呈线性增大趋势,且常规三轴压缩时的能量远大于单轴压缩时的能量,说明围压可以有效提升岩石的储能能力;在峰前阶段,模型曲线与试验数据拟合程度较高,在峰后阶段,模型曲线也可以较好地描述弹性能与轴向应变之间的关系,模型曲线与试验曲线具有良好的拟合度。这表明该模型更加接近围岩实际的变形破坏演化规律,建立的模型可以较好地反映岩石弹性能-应变变化关系,且建立的模型中的参数都可以通过试验进行确定,引入的分布参数也具有明确的物理意义。模型曲线与峰后试验曲线虽然有较大的偏离,但该模型不仅能描述峰前阶段曲线变化规律,也对峰后曲线变化规律有所描述,弥补了原有能量模型不能描述峰后曲...     

基于岩石破裂特征及能量演化的致密砂岩脆性指数优选

脆性参数是致密油"三品质"评价中完井品质评价的重要敏感参数之一。采用岩芯三轴岩石力学参数测试方法,基于岩石破裂特征及岩石破裂过程中的能量演化优选出适用于鄂尔多斯盆地定边油田长7段致密砂岩储层的脆性指数计算方法。首次应用裂缝体积密度计算方法对岩石破裂复杂程度进行了定量表征,表征结果与岩石的弹性模量、抗压强度呈正相关;与泊松比、峰值应变呈负相关。通过对岩石力学参数各向异性系数C₁和C₂的分析,认为弹性模量和泊松比对各向异性更为敏感,两者构建的脆性参数更能体现岩石的脆性特征。基于岩石破裂的能量演化过程,将峰值强度前后能量变化大小与变化速率相结合,构建脆性评价新指标B_EC,其与裂缝体积密度及前人提出的脆性评价指标均具有较好的相关性。以B_EC为衡量标准优选出适合研究区致密砂岩储层的脆性指数E/μ,该指数与研究区直井试油试采的初周日产液呈正比关系。研究结果为研究区水平井水力压裂施工时指示有利压裂层段提供了科学依据。     

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...     

冻融循环下裂隙性泥岩的力学特性与细观损伤规律

冻融循环作用是加速岩石材料性能劣化的重要环境因素之一,也是影响露天矿边坡稳定性与安全性的重要隐患。为研究冻融循环作用下裂隙性泥岩的力学强度衰减特性和损伤效应,分别对经过0、5、10、20、50次冻融循环处理后的泥岩试样进行了单轴压缩试验和计算机层析CT扫描试验。同时,开展了扫描电镜试验对泥岩的微观损伤机理进行探究。试验结果表明:泥岩单轴抗压强度和弹性模量随冻融循环次数的增加逐渐降低,且衰减速度在0～10次冻融循环时最为显著,随后衰减速率逐渐变缓;二维CT图像显示冻融循环使泥岩试样的孔隙结构不断发育,孔隙率与循环次数和弹性模量分别呈指数关系和负线性相关,该现象说明泥岩细观结构损伤的累积与宏观力学特性衰减程度显著相关;在冻融循环作用下,裂隙性泥岩内部微观结构的损伤程度逐渐加深,裂隙的拓展和颗粒接触关系的改变是导致泥岩强度下降的重要因素。上述分析对于裂隙性泥岩分布地区的露天矿山边坡设计与施工有一定的参考意义。     

不同分级循环加卸载模式下岩石能量 演化规律研究

为了深入分析循环加卸载过程中岩样能量演化规律,设计了3种不同的单轴循环加卸载试验,详细分析了不同分级循环加卸载模式下的总吸收能、弹性应变能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及其相互关系,建立了耗散能与循环应力等级、循环加卸载次数变化的演化方程。结果表明:1)随着循环加卸载应力等级的提高,耗散能Use和塑性变形能Ue呈现非线性增加的趋势;2)岩样在第3种循环加卸载模式下,整体上耗散能Use和塑性变形能Ue表现出"U"形变化的规律,在第Ⅰ级和第Ⅱ级循环荷载下强化效应突出,而在第Ⅲ级和第Ⅳ级循环荷载下扰动效应突出;3)循环加卸载上限应力不变,下限应力减小时,循环荷载对岩样的损伤效应比其强化效应明显;4)循环加卸载作用下岩样的耗散能Use与循环荷载应力等级、循环次数相关,可以采用非线性曲面较好的拟合,这为采用耗散能Use来定量分析循环加卸载过程中岩样的损伤奠定了较好的基础。     

岩石裂隙面粗糙度参数关系分析

粗糙度是解释岩石裂隙力学及渗流特性的重要参数.采用自制模具,在轴向中部劈裂岩样,形成垂直于岩样轴向的新鲜裂隙.通过测取7组47个圆柱形岩样裂隙面188条轮廓曲线,分析了粗糙度系数JRC、粗糙轮廓指数Rp、粗糙角i、分维D和截距A等参数的相互关系.结果表明:JRC与岩样组成矿物颗粒大小关系密切,粒径越大,JRC越大.JR...     

裂隙几何特征对岩石强度影响模拟实验研究

为探究裂隙几何特征(倾角、长度、位置)的综合作用对岩石峰值强度的影响,对含单裂隙岩石进行单轴压缩的数值模拟实验,分析裂隙倾角、长度、位置对岩石强度特性和破裂特征的影响,同时基于多元逐步回归分析,将三者对岩石峰值强度的影响性进行评价。结果表明:倾角对新生裂纹的起裂位置与起裂时间作用明显,长度与岩石的完整性与稳定程度具有相关性,位置影响裂纹扩展规模和岩石破坏形态;裂隙倾角、长度与位置对岩石峰值强度的影响程度在不同区间内有所差异,从整体来看,由于位置影响因子较小被作为无关变量剔除,在小于45°区间内,对岩石峰值强度的影响程度大小为长度倾角位置,长度与倾角的影响因子为0.82、0.36,在大于45°区间内,对岩石峰值强度的影响程度大小为倾角长度位置,长度与倾角的影响因子为0.344、0.866,同时,建立的逐步回归模型可以有效评价岩石强度,对岩石初始损伤判定具有一定参考价值。     

不同岩石破坏全程声发射Welch参数演化规律探究

通过变粒岩、花岗岩和石灰岩单轴压缩声发射试验,采集了岩石力学及声发射相关数据。运用Welch谱估计法对岩石破裂过程声发射信号的功率谱特征进行分析,并研究了峰值频率、能量占比的演化规律与岩石破坏的关联。结果表明,3类岩石受压破裂声发射信号的峰值频率均维持在(100±20)kHz,且在峰值频率正向较大波动点与能量占比高于25%信号点的波形特征多属突发型;能量占比的演化规律分两类,一类是先上升后下降,另一类是一直上升;在试件破坏期间,出现了峰值频率的较大波动与较高能量占比信号群增多的现象。应力、峰值频率以及能量占比值的联立分析,为更准确地预测岩体破坏失稳提供新思路和理论依据。     

不同冲击倾向性煤样力学特性与能量演化规律研究

为了研究不同冲击倾向性煤样在循环载荷下的力学特征及能量演化规律,对强冲击倾向性煤样、弱冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样进行系统分析,并提出了弹性能释放速率及计算方法,得到不同冲击倾向性煤样循环载荷下应力-应变曲线的特征、应变变化规律及耗散能和弹性能转化规律,给出不同冲击倾向性煤样破坏与能量演化关系.研究结论如下:无冲击...     

三软不稳定煤层覆岩裂隙演化规律实验

为了揭示三软不稳定煤层采动影响下上覆岩层裂隙场分布及演化规律,采用实验室相似模拟的方法,研究了新峰矿务局四矿二1煤层采动裂隙场的变化规律.通过监测顶底板中应力变化和岩层的位移变化,研究了煤层开采过程中上覆岩层结构形态和岩层移动规律,得出了上覆岩层在采动影响下裂隙场的横向三区和纵向三带的分布范围以及裂隙的发展演化规律,研究结果对该矿瓦斯治理具有重要的指导意义.     

裂隙煤体压裂机理的分形研究

本文根据现场测试的采面支承压力变化规律,在三轴压力机上模拟采动过程中煤体在支承压力作用下的压裂、破坏全过程,得到了大煤样的全程应力应变曲线,运用分形几何理论、损伤力学对大煤样试件压裂过程中裂隙系统的整体性状做定量描述,探讨了裂隙煤体的压裂机理,实验表明煤体强度与裂隙分维之间存在线性关系;在大煤样压裂验的基础上,用有效应力建立了的裂隙煤体压裂的本构方程。     

岩石循环加卸载作用下能量的演化规律

基于循环加卸载试验,使用数据处理软件计算得出滞回环的面积,对滞回环与循环次数的相关性进行分析,得到了关于循环次数与滞回环的拟合公式。利用拟合公式计算得到了第1次加卸载的耗散能,进而对耗散能、弹性能、塑性能之间的关系进行了分析和研究。结果表明:随着循环次数的增加,滞回环位置逐渐右移,考虑为第1次加卸载产生耗散能后,岩石的弹性能、耗散能随着循环次数的增多逐渐递增;岩石的强度呈随机分布,故塑性能随循环次数增多并无固定变化趋势;随着循环次数的增多,卸载后可恢复的裂隙之间的摩擦力逐渐减小,其弹性应变需要的能量也随之减小。     

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。