煤样破坏应变局部化与表面电位分布规律研究

为研究煤样表面电位分布与破坏局部化之间的关系,进行了煤样受载应变场及表面电位分布规律的测试,研究分析了表面电位场与煤样应变局部化和煤样破坏的对应关系。结果表明,煤样变形破坏过程中表现出明显的应变局部化特征,应变局部化集中区域是煤样损伤和破坏剧烈区域,应变局部化带往往是煤样出现破坏的位置。煤样变形破坏的表面电位场具有与应变场相似的分布特征,在损伤局部化区域表面电位场也具有集中化特征,煤样表面电位高、低电位点的连线反映了煤样的断裂面位置。     

含孔试样孔周破坏的应变局部化特征

抽采钻孔孔周裂纹漏气是瓦斯抽采浓度低的原因之一,裂纹是由应变局部化带演变形成。为探究应变局部化带特征与宏观裂纹之间的关系,开展含孔试样单轴压缩破坏试验,利用数字散斑相关测量方法获取试样表面破坏图像序列及其破坏过程中的全场应变,分析不同阶段应变局部化带的分布特征,应力变化及能量演化过程。结果表明:根据受力与分布特征,应变局部化带分为主拉伸(T1),法向剪切(NS),第二主拉伸(T2)及倾斜剪切(IS),宏观主裂纹是由T2,NS和IS应变局部化带贯通所形成。形成T1和T2应变局部化带的主导因素是拉应力,NS应变局部化带是由拉应力与压应力共同作用形成,IS应变局部化带的主导因素为压应力。T2,NS和IS应变局部化带的能量积累分别是T1应变局部化带的2.2,1.8和1.6倍,加载至应变的73.6%时,T1应变局部化带率先释放能量,产生微破裂,应力峰值后,T1应变局部化带持续释放能量,T2应变局部化带的能量变化呈下降、上升和下降趋势,NS与IS应变局部化带的能量变化为上升和下降,说明试样破坏过程为局部化带之间的能量调整,能量的调整与局部化带演化相关联。结果表明了含孔试样破坏过程中孔周应变局部化带...     

基于数字体散斑法煤样内部三维应变场的测量

煤岩内部三维应力应变场的测量对冲击地压、气体吸附及煤与瓦斯突出的机理研究具有重要意义,但在实验室中很少有方法能够直接测量煤岩内部三维应力应变场。采用新近发展的数字体散斑法与微焦点工业CT相结合的方法分别测量了单轴压缩和CO2气体吸附过程中煤样内部的变形,由变形获得煤样内部的三维应变场。研究表明,煤样内部天然结构可以作为携带变形信息的散斑结构,用于变形测量。通过单轴压缩煤样内部等效应变及体积应变的可视化,直观地显示出试件内部应变局部化区域孕育发展的过程,煤样的变形破坏具有明显的应变局部化特征,应变局部化区域与煤样最终破坏断裂区域位置一致。利用DVSP法测得了煤样吸附CO2过程中的三维应变场,并与应变片测量结果进行了对比,两者具有较好的一致性。通过体积应变的分布图直观揭示出煤样在吸附气体过程中存在膨胀区与压缩区,由于非均质性造成内部变形不均匀。     

含材料缺陷岩体局部化剪切带的启动及形成过程研究

应变局部化剪切带的研究是国际岩土工程界关注的热点之一。对应变局部化剪切带的启动机制进行理论分析,随着硬(软)化模量从正值变为负值,变形模式由原先的均匀变形转变为不均匀的局部化变形模式,应变局部化开始启动;在平面应变条件下,采用FLAC软件对含有材料缺陷的岩石试件的应变局部化剪切带的启动、传播、形成进行了数值模拟。计算结果表明,在应力—时步峰值之前,岩样在缺陷位置处首先出现剪切带,随后,剪切带发展,直至贯通至边界,不同缺陷位置对剪切带的形态有着至关重要的影响。     

岩石渐进性破坏过程中变形和能量分析

岩石的破坏是一个渐进的损伤演化过程,对于岩石渐进破坏过程的探讨有益于进一步加深对其破坏机理的认识。通过对江持安山岩进行不同围压的三轴压缩试验,分析了岩石整个破坏过程中应变场的演化规律和不同围压条件下的应力、应变及能量变化特征,获得如下结论:岩石在应变软化阶段由应变局部化区域演化为较窄的应变局部化带贯穿试件形成宏观的破裂面,岩石残余强度变形阶段应变主要集中在局部化带内,局部化带外的变形较为均匀,表现为沿宏观破裂面的剪切滑移;各应力阈值对应的轴向应变、径向应变、总应变能、弹性应变能均随围压呈线性递增;峰值强度之前岩石中吸收和存储的能量随围压的增加而增大,总应变能和弹性应变能的增长速率随围压的增加而增大。     

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。     

低渗煤样全应力应变过程渗透特性试验

采用MTS815.02型岩石伺服试验系统对煤样进行了应力应变全过程渗透性试验,得到不同围压下煤样的全应力-应变曲线,探讨了全应力-应变过程中煤样渗透率-应变关系曲线的几何特性,研究了煤样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析围压对煤样渗透率变化的影响。结果表明,轴向应力对Darcy流渗透特性和非Darcy流渗透特性的影响是同步的,煤样渗透率的峰值滞后于应力应变峰值;随着围压增大,煤样的渗透率总体上呈下降趋势。     

分级加载速率对无烟煤蠕变特性的影响规律试验研究

为研究分级加载速率对无烟煤蠕变特性的影响规律,通过进行4种不同分级加载速率下无烟煤三轴蠕变试验,分析了分级加载速率和应力水平对煤样瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的影响规律。结果表明：在同级应力水平下,分级加载速率越大,瞬时应变越小,蠕变应变越大,但蠕变应变的增加趋势逐渐放缓;分级加载速率相同时,随着应力水平的提高,煤样瞬时应变表现为快速减小—缓慢减小—增加的整体减小趋势,而煤样蠕变应变则表现为基本不变—缓慢增加—快速增加的整体增大趋势;蠕变速率的变化过程可分为急速衰减、缓慢衰减和稳定3个阶段,同级应力水平下,分级加载速率越大,最大蠕变速率越大,蠕变速率衰减越快。     

考虑剪切带细观物理几何特征的Mohr-Coulomb强度准则修正

压缩条件下岩石的失稳破坏与剪切局部化带有紧密联系。基于摩擦损伤局部化模型,在应力应变曲线上发现了剪切带与岩石压缩强度的关系,即随剪切带宽度的增加,岩石的峰值强度降低,其峰前与峰后的变形模量也相应减小。总结前人的研究发现,加载速率、温度、吸附气体、矿物颗粒等因素对应力应变曲线的影响趋势,与剪切带对其影响趋势相同。在摩擦损伤局部化模型的基础上,引入黏聚能和剪切带函数对Mohr-Coulomb准则进行修正,将加载速率、温度、吸附气体等复杂因素的影响综合考虑为剪切带的影响,得到含剪切带函数的Mohr-Coulomb强度准则。之后,利用Zhukov公式导出了剪切带函数的细观表达式,指出岩石破坏是剪切带内细观缺陷发生热激活的结果,热激活机制受温度、应变率的直接影响。通过前人实验数据拟合得到剪切带与加载速率、温度的定量关系,与Zhukov公式导出的结果一致。含剪切带的MohrCoulomb强度准则,能够适用于更为复杂的工程地质环境。     

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂...     

岩石剪切带单轴压缩应变软化影响因素研究

岩石属于准脆性材料,在单轴压缩的条件下的应力先是随着应变的增加而增加,当应力达到最大值时,应力开始下降,试件呈现应变软化行为。为研究岩石试件单轴压缩时应力-应变软化段的影响因素,基于位移法得到岩石试件单轴压缩时应力-应变曲线软化段的斜率的解析式,并利用FLAC2D软件针对不同剪切带与主应力的方向的夹角α和不同高宽比的岩石试件进行单轴加载数值模拟结果分析并对解析式进行结果验证。     

Effect of confining pressure on deformation and failure of rock at higher strain rate

Influence of confining pressure from 0 to 28 MPa, which acts on the two lateral edges of rock specimen in plane strain compression, on the shear failure processes and patterns as well as on the macroscopically mechanical responses were numerically modeled by use of FLAC. A material imperfection with lower strength in comparison with the intact rock, which is close to the lower-left corner of the specimen, was prescribed. In elastic stage, the adopted constitutive relation of rock was linear elastic; in strain-softening stage, a composite Mohr-Coulomb criterion with tension cut-off and a post-peak linear constitutive relation were adopted. The numerical results show that with an increase of confining pressure the peak strength of axial stress-axial strain curve and the corresponding axial strain linearly increase; the residual strength and the stress drop from the peak strength to the residual strength increase; the failure modes of rock transform form the multiple shear bands close to the loading end of the specimen （confining pressure=0-0.1 MPa）, to the conjugate shear bands （0.5-2.0 MPa）, and then to the single shear band （4-28 MPa）. Once the tip of the band reaches the loading end of the specimen, the direction of the band changes so that the reflection of the band occurs. At higher confining pressure, the new-formed shear band does not intersect the imperfection, bringing extreme difficulties in prediction of the failure of rock structure, such as rock burst. The present results enhance the understanding of the shear failure processes and patterns of rock specimen in higher confining pressure and higher loading strain rate.     

Analyses of axial,lateral and circumferential deformations of rock specimen in triaxial compression

The axial, lateral and circumferential strains were analyzed for a rock specimen subjected to shear failure in the form of a shear band bisecting the specimen in triaxial compression. Plastic deformation of the specimen stemmed from shear strain localization initiated at the peak shear stress. Beyond the onset of strain localization, the axial, lateral and circumferential strains were decomposed into two parts, respectively. One is the elastic strain described by general Hooke’s law. The other is attributable to the plastic shear slips along shear band with a certain thickness dependent on the internal length of rock. The post-peak circumferential strain-axial strain curve of longer specimen is steeper than that of shorter specimen, as is consistent with the previous experiments. In elastic stage, the circumferential strain-axial strain curve exhibits nonlinear characteristic, as is in agreement with the previous experiment since confining pressure is loaded progressively until a certain value is reached. When the confining pressure is loaded completely, the circumferential strain-axial strain curve is linear in elastic and strain-softening stages. The predicted circumferential strain-axial strain curve in elastic and strain-softening stages agrees with the previous experiment. Supported by National Natural Science Foundation of China(50309004)     

排采降压诱发煤层剪切破坏机理与防控对策

煤层压力衰减会导致煤岩体剪切破坏,诱发井壁失稳、套管损坏和出煤粉等井下复杂事故。为预防煤层破坏,以沁水盆地南部二叠系山西组3号煤层为研究对象,基于单轴应变模型分析了排采降压过程中的煤层应力路径及其破坏行为,明确了煤层破坏影响因素,并提出了控制井底流压和CO_2-ECBM相结合的防控技术对策。结果表明:煤层水平有效应力在排水阶段随孔隙压力的降低而线性增大,但在解吸阶段却随孔隙压力的降低而非线性减小,气体解吸能够加速煤层剪切破坏;煤层初始水平应力越小,垂向应力、初始孔隙压力、临界解吸压力越大,气体吸附效应越强,煤岩体弹性模量、泊松比越大,单轴抗压强度越低,则煤层临界破坏孔隙压力就越大;煤层破坏前转注CO_2既能有效避免煤层破坏,也可提高煤层气采收率,不失为CO_2-ECBM的良好作业时机。     

基于塑性应变梯度理论的材料失稳型冲击地压触发判据

为研究材料失稳型冲击地压失稳的发生判据,开展了摄像实时观测情况下,煤体受端部位移约束的冲击倾向性煤体压缩破坏实验。首先,探索了实验室尺度下冲击煤体的破裂特征,然后采用有限元数值分析的方法对比分析了工程尺度下煤体发生冲击地压前的破裂趋势。最终基于实验和数值分析结果,建立了塑性应变梯度理论下的材料失稳型冲击地压的触发判据。冲击煤体压缩破坏实验结果表明:端部约束煤体发生破坏时,煤体呈现冲击破坏的特点,并分阶段发展,每个阶段都伴随着不同程度的声音信号与相关的特征信息。当应力达到强度的60%时,有少量煤体喷射;达到78%以上时,较多的煤体发生冲击,具有明显的喷射特点;接近峰值强度时,有大量煤体臌出,但无喷射特点。煤体破裂形式整体上表现为拉剪混合破裂,形成的破裂面呈内凹三角形状,与冲击地压现场煤体破裂面类似,表明实验结果具有一定的参考意义。不同高径比的煤体破坏的峰值强度略有不同,小高径比煤样的抗压强度稍大、破裂面内凹深度减小。采用有限元数值分析方法显示,巷道侧壁围岩容易在巷道变形过程中形成内凹三角形状的塑性变形集中带,从而在冲击地压发生中形成三角状的破裂面。基于内凹破裂面形态和塑性应变梯度理论,采用应变软化本构,从静力平衡和能量平衡角度,建立了煤体发生破坏前材料冲击失稳的判定准则。     

考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

煤岩单轴压缩变形破坏机制及与其冲击倾向性的关系

煤岩冲击倾向性是煤岩的固有属性,是决定其产生冲击破坏的能力和发生冲击地压的必要条件。煤岩单轴压缩条件下变形破坏机制和全应力-应变曲线蕴含有冲击倾向的丰富信息,是测定和分析煤岩冲击倾向性的比较简便和实用的方法。通过对不同煤级煤的单轴压缩试验研究表明:煤岩的单轴压缩变形破坏形式主要有4种类型(X状共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏、楔劈型张剪破坏以及拉伸破坏);煤岩的单轴压缩全应力—应变曲线也可以概括为4种类型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ),其中类型Ⅰ的冲击能指数最大,而类型Ⅳ的冲击能指数最小。     

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

正应力对大块金属玻璃剪切带行为的影响

采用可控正应力与剪应力之比(λ)的特殊夹具对块状Vit1大块金属玻璃样品进行了可控剪切实验, 研究了正应力对其剪切带行为的影响。测试结果表明, 随λ值增大, 塑性位移量增加。通过电镜观察样品表面剪切带形貌, 发现正应力的大小对剪切带的数量、倾斜角及传播长度都具有重要的影响; 此外, 正应力还是诱发主要剪切带分叉形成次级剪切带并与之发生交割的主要因素。