基于SHPB加载过程的泥质粉砂岩LS-DYNA数值模拟研究

软岩的水稳定性及在冲击荷载作用下的动态损伤力学特征一直是学术界研究的热点问题。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对泥质粉砂岩的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)冲击过程进行了数值模拟,考虑了接触类型、冲击速度等变化对模拟结果的影响。结果表明,面面接触类型比较适用于带破坏准则的HJC材料模型;试样的破坏强度随着冲击速度的增加而逐渐增大,这与相关文献试验所得规律基本一致;试样的破坏是从边界处开始脱落,然后逐渐发展到试样的中间,且试样各单元的应力随着冲击速度的增加逐渐增大。     

煤岩材料SHPB实验被动围压数值模拟研究

煤岩动力灾害严重威胁着煤矿的安全高效生产,研究煤岩材料在复杂应力状态下的动态力学性能对煤岩动力灾害的预测预防有重要意义。利用有限元分析软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩SHPB实验进行数值模拟,在模拟结果与实验结果相似性较好的基础上,对煤岩SHPB被动围压实验进行数值模拟。结果表明:围压套筒的弹性模量、厚度、摩擦因数及套筒与试件的间隙对煤岩材料的动态力学性能有显著影响。根据研究成果,在工程中可为煤柱增加一外加层,通过合理设计外加层的弹性模量、厚度、间隙及摩擦因数等参数,增强煤柱的抗冲击能力。     

不规则砂岩的三维模型数字重构及其破裂过程研究

以烂泥沟金矿为工程背景,基于数字图像处理及破裂过程分析程序对不规则砂岩进行三维模型数字重构,模拟单轴压缩作用下不规则砂岩的真实细观非均质力学模型的失效机理及破裂过程;研究了不同颗粒粒径及不同内部结构砂岩的破裂过程及力学特性。结果表明：不规则试件在单轴压缩条件下破裂模式由单裂纹向多裂纹转变,裂纹方向与主应力方向成一定夹角;随着应力的增加,试件内部拉伸破坏单元的产生、发育、贯通导致试件形成宏观剪切破裂带;岩石试样在破裂过程中释放的大部分能量来自于高应力区的破碎带。此外,在模拟过中发现试件越趋于球形,应力-应变曲线线性行为越长,试件强度越大。研究结果对探讨矿岩破碎机理、寻找高效节能的破岩方式具有重要意义。     

现采空区瓦斯流动耦合模型及抽采参数确定

随着开采深度增加,采用"U"形通风方式的回采工作面经常出现上隅角瓦斯超限现象。根据现采空区岩石垮落的特性以及现采空区气体流动方程、扩散方程等建立了现采空区瓦斯流动耦合模型,数值模拟了抽采前后现采空区瓦斯浓度场分布情况。根据模拟结果现场采用埋管抽采方法并确定了瓦斯抽采参数。既保证了工作面瓦斯不超限,同时确保了矿井产量达标。     

冲击荷载作用下含水泥质粉砂岩的损伤规律研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对泥质粉砂岩进行了不同含水状态下的动态力学性能试验,分析了含水率变化对泥质粉砂岩动力特性的影响,并基于连续损伤理论及统计强度理论建立了泥质粉砂岩的动态损伤力学模型,得到了相应的损伤演化规律。研究结果表明,采用基于Weibull分布建立的动态时效损伤模型,其理论拟合曲线与实测曲线具有较好的一致性,损伤参数F0与弹性模量及冲击速度有一定的相关性,弹性模量越大,损伤参数F0也越大,含水率的变化对岩石动力特性具有较大的影响。     

低渗透砂岩铀矿床水文地质参数确定方法探索

提出将注水试验视为"反抽水"的假设,尝试将抽水试验的配线法运用到注水试验的数据处理中,在渗透性差、抽水量小等开展抽水试验困难的砂岩铀矿床进行注水试验可获取较为准确的水文地质参数。以新疆某铀矿床注水试验为例,将"反抽水"配线法和水位恢复法二者的计算结果进行对比,结果表明,利用"反抽水"假设法计算主含矿含水层的水文地质参数是可行的。     

煤矿典型砂岩的单轴压缩试验研究

利用伴有声发射检测的RMT岩石力学试验系统、数值模拟等手段,研究煤矿采区内不同尺寸砂岩受力变形过程中的应力、应变、抗压强度等参数的变化规律及破坏形式,并在此基础上分析岩样的岩爆倾向性,为采区内巷道的开拓和煤矿岩石的安全采集提供一定的指导意义。     

采矿过程数值模拟模型左右边界的确定

基于开采沉陷理论,采用UDEC数值模拟计算,对岩层移动模拟研究中如何确定模型左右边界范围进行了研究。研究结果表明,模型的左右边界应取在岩层移动影响角影响范围之外,若主要研究的是巷道的破坏状况,则模型边界可以近一些;若研究的是位移,那么到边界的距离可能需要远一些。若把模型边界取在岩层移动影响范围之内,将引起煤层顶板内应力集中程度偏大、实体煤下沉位移偏大、基本顶内支承压力值偏大且集中程度逐渐增大和模型内岩层位移的失真。     

基于粒径差异性的粗砂岩强度参数特征分析

为探究粒径差异性对粗砂岩抗压强度、弹性模量、泊松比、裂纹演化的影响规律与关联程度,以室内试验为基础,采用颗粒流数值模拟软件 PFC３D进行参数标定获取岩体合理细观参数,建立不同水平粒径比模型并进行单轴压缩模拟试验,分析基于粒径差异性的粗砂岩各参数的变化规律,并通过灰色关联模型定量分析粒径比与粗砂岩力学参数的相关性.结果表明:粒径比由２．０增至５．０,岩体抗压强度降低了２９．９３％,弹性模量降低了 １７．２０％,泊松 比 增 大 了 ５．６９％.根据裂纹演化规律将其分为第一区间(２．０≤r≤３．０)、第二区间(３．０＜r≤４．０)、第三区间(４．０＜r＜５．０),张拉与剪切裂纹数均与粒径比表现为负相关,剪切裂纹变化趋势为第三区间＜第二区间＜第一区间;张拉裂纹在第一区间内浮动较大,第二、三区间变化趋势相近.破坏模式的影响分析表明,粒径比较小时模型内粒径差异性较弱,颗粒分布较为均匀,颗粒之间形成的黏结接触面积较小,其抵抗黏结作用所产生的变形较弱,颗粒粒径对裂纹在延展方向上的影响作用较弱,此时模型多发生剪切破坏.灰色关联模型数据显示,与粒径比关联度最大的为泊松比,最小的为剪切裂纹数,其值分别为０．５７５和０．５１９,在试验中充分考虑粒径比的差异性,有助于合理调控与获取粗砂岩岩体的相关力学参数.     

靖边地区深部砂岩裂缝扩展规律研究

为了更好地对深井围岩中的微小裂隙进行注浆封堵,利用ABAQUS数值模拟软件,基于水力压裂理论,以靖边地区深为1 500 m左右的砂岩为例,通过建立水力压裂数值模型,对裂隙的扩展情况进行模拟。结论表明:在地应力、水力压力、弹性模量的影响下,裂隙的扩展具有明显规律性,而天然裂缝对裂隙扩展的影响较小。     

红砂岩单轴压缩蠕变试验及模型研究

为了研究红砂岩蠕变特性,对红砂岩进行了单轴压缩蠕变试验。以试验结果为基础,建立了非线性黏弹塑性蠕变模型,并基于BFGS非线性优化算法对该模型参数进行了识别。结果表明,红砂岩具有明显的蠕变特征,建立的模型可以同时表征岩石瞬时加载应变、衰减蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变等蠕变特征。最后,将非线性黏弹塑性蠕变模型进行了大型有限差分法软件FLAC3D的二次开发,并对红砂岩单轴蠕变数值模拟试验,同时将数值模拟蠕变曲线与试验蠕变曲线进行了比较分析,验证了非线性黏弹塑性蠕变模型的实用性。     

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15 ℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。〖JP2〗研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。     

含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。     

深部砂岩力学特性试验与本构模型

为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。以红庆梁深立井工程为背景,对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验,结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征;基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,推导出砂岩损伤软化本构模型,探讨了模型参数F_0和m与围压的函数关系,结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点,采用非线性拟合方法对模型参数进行修正,最后得到修正的损伤软化本构模型;利用FLAC~(3D)对修正后的本构模型数值求解,将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用,并分析了数值计算结果的合理性。结果表明:①砂岩变形参数对围压敏感度较低,强度参数受围压影响较大,不同围压条件下,当应力达到峰值后,砂岩呈现出明显的应变软化特性;②通过FLAC~(3D)数值验证结果可知,损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合,说明模型具有较高的真实性,能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程;③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明,在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏,并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

砂岩石砖开采机的研制

介绍了砂岩石砖开采机的结构、工作原理及控制方法。该机的应用可解决传统砂岩石材开采方法不安全,破坏资源,污染环境,及成本高等问题,有效节约矿山资源和土地资源。