盐岩损伤测试中卸载模量研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对盐岩和大理岩进行了单轴压缩下的7级加卸载试验和低周循环加卸载试验测试,对盐岩和大理岩的卸载模量进行了探讨。低周循环试验加载波形采用正弦波,频率1Hz,循环应力幅值小于其平均抗压强度,单级应力幅值为30个振动循环。通过试验,得到了盐岩应力应变滞回环均为条带状,大理岩则均为尖叶状;盐岩在加卸载部位具有较大不可逆变形,对应弹性响应较慢,大理岩则反之;盐岩卸载模量变化趋势受加载测试方法影响较大,而大理岩在2种试验条件下得到的卸载模量变化趋势相似;加载应力幅值比加卸载循环数对盐岩不可逆变形增量影响更加显著。损伤变量研究结果表明,利用低周循环加卸载方法测试具有显著时间效应变形岩石的损伤弹性模量,能更真实反映其损伤特征。     

承压颗粒煤逐级加载下渗透特性实验研究

为了识别覆岩应力及颗粒粒径对破碎煤体渗透的影响效应,通过承压破碎遗煤的渗流实验,得到了应力逐级加载过程中渗透率与加载应力、粒径、渗流梯度间的关系.结果表明:1)承压破碎颗粒煤的应力-应变曲线具有明显的阶段特征,在0~6 MPa区间快速压实,在6~12 MPa区间缓慢压实,12 MPa后压实效应微弱.2)测试过程中煤样的空隙率、渗透率随应力增大逐渐降低;而偏达西因子始终为负值,其绝对值随应力增加而增加.3)在相同轴向应力加载下,空隙率、渗透率随颗粒粒径的增加而降低,而其衰减系数随颗粒粒径的增加而增加.4)在应力加载过程中煤样内部物理结构发生变化,造成煤样的粒级构成变化,致使破碎分形维数增加,颗粒煤出现再次破碎,进而影响其渗透行为.5)通过承压破碎煤体渗流实验,说明采空区应力的逐渐恢复,将造成遗煤堆积区的空隙率、渗透率不断下降;通过降低煤体的破碎度、减少小颗粒比重有助于降低空隙率及渗透率,进而有利于煤自燃防治.     

循环加卸载下花岗岩破裂过程及能量演化研究

使用MTS815实验机对北山花岗岩进行了循环加卸载实验.基于实验结果,探讨了循环加卸载条件下北山花岗岩声发射特征,研究了北山花岗岩破裂过程中能量演化特征.结果表明:1)峰值应力前循环,卸载阶段弹性模量略大于加载阶段弹性模量.2)根据声发射变化特征可以很好地判定岩石所处的应力状态和损伤程度,并在一定程度上证明了岩石材料的Kaiser效应.3)峰值应力前,能量演化主要表现为以弹性能为主的聚集和释放;在峰值应力时耗散能迅速增多导致岩石内部结构发生根本性的变化,耗散能在峰后阶段所占比重持续增加导致岩石进入加速破坏阶段.4)峰值应力前,围压对弹性能和耗散能的影响很小;但弹性储能极限和岩石破坏所需的耗散能随围压的升高线性增大.     

基于地表点下沉阶段特征的覆岩裂隙带高度演化

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程,因地表下沉滞后于煤炭开采,采空区封闭后,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低.基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化全程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程,针对不同阶段裂隙带高度演化开展了试验研究和理论推导,揭示了不同阶段裂隙带高度的演化特征及影响机制,并结合同忻煤矿和太平煤矿实测结果进行了验证.研究结果表明,关键层的控制作用使得裂隙带高度阶段性增长,关键层最终破断层位及其上方部分岩层的岩性特征决定了第1阶段裂隙带发育高度,第2阶段裂隙带高度由第1阶段结束时裂隙带高度及垮落带高度、不同状态下的垮落带碎胀系数及地表动态下沉结束后的下沉量决定.研究可为废弃采空区卸压瓦斯地面抽采钻井结构设计及煤矿地下水库极限库容计算提供参考.     

节理砂岩在循环加卸载下力学特性及损伤规律实验研究

为研究不同方向频繁扰动对节理岩体力学特性及损伤规律的影响,利用伺服试验机对南坡铜矿砂岩平行层理方向、垂直层理方向进行单轴循环加卸载,每次应力水平依次递增的实验,直至岩石破坏,通过实验数据分析得到:1平行层理方向加载的泊松比和弹性模量比垂直层理方向大,破坏强度相反;2卸载阶段的弹性模量和泊松比总比对应的加载阶段的要大;3随着循环次数的增加,两种加载方向均体现出形成的封闭塑性滞回环的面积逐渐增大,但垂直层理方向增加幅度要明显大于平行层理方向;且对应的各循环阶段的滞回环面积比平行层理方向要大;4每次循环残余变形量总比上一次的要大,但增长速度降低,降低幅度为5%~10%;5对于两种不同的加载方向,损伤规律、纵向应变的发展及应力大小有很好的一一对应关系,且岩石的损伤记忆性不受各向异性影响.     

基于高速摄影的单预制裂纹大理岩加卸载试验

为了研究裂纹缺陷对岩石材料强度、变形特性以及断口走向的影响,以大理岩中预制45°单裂纹试件的单轴、双轴加载以及卸载试验为基础,通过高速摄影设备记录试件破坏主要过程及破裂面的走向,分析加、卸载下裂隙岩体的裂纹起裂、扩展及破坏模式.结果表明:3种加载条件下与裂纹面夹角为-100°~-130°区域容易产生主要裂纹,在理论上与剪应力极值方向-115°基本吻合;新产生的裂纹多数为裂纹带形式,这是由于加卸载过程中裂纹尖端的最大环向拉应力和剪应力极值的大小及角度渐变造成.卸载试验最终的破坏形态比单轴和双轴加载更为复杂,破坏形式由卸载初剪切破坏发展为拉剪破坏,破坏程度和速度均高于加载.     

弯曲加卸载下杂质盐岩断裂力学行为特征研究

为研究弯曲荷载下杂质盐岩断裂力学行为及损伤演化规律,利用四川大学MTS815岩石力学测试设备及三维声发射监测系统,展开了纯盐岩、含杂卤石盐岩及杂质盐岩三点弯曲加卸载试验。试验结果表明：(1)杂卤石及泥质胶结提升了盐岩的韧性,纯盐岩的断裂韧度均值KIC=6.36MPa.mm^-0.5,杂卤石盐岩的断裂韧度较纯盐岩高43.08%,杂质盐岩的断裂韧度为纯盐岩的3.18倍;(2)杂质导致盐岩脆性提高,纯盐岩声发射事件覆盖区域大于杂卤石盐岩及杂质盐岩;三点弯曲加卸载下岩石内部声发射事件由切槽尖端逐渐向荷载点扩散,直至岩石完全断裂;(3)盐岩损伤程度随循环次数增长逐渐提高,但增长速度逐渐降低,损伤变量与切槽张开度符合指数函数关系,损伤变量-张开度曲线拐点对于研究岩石失稳倾向性具有一定的预测效果;(4)声发射参数rc值能够反映盐岩弯曲加卸载破坏全过程中主裂纹与微裂纹的发展趋势,峰后残余阶段纯盐岩及杂卤石盐岩rc曲线持续上升,微裂隙稳定发展;杂质盐岩表现出更强的脆性,其在峰后残余阶段rc曲线表现出与纯盐岩及杂卤石盐岩相反的变化趋势。     

重复采动条件下坚硬顶板力学试验研究

基于能反映岩体非线性破坏的Hoek-Brown准则对重复采动上覆坚硬顶板力学特性进行研究.利用MTS 815岩石伺服试验系统对不同损伤状态的坚硬顶板岩样进行加载试验,分析了坚硬顶板在不同损伤程度下的强度与围压的函数关系;得到了不同损伤程度下的m,s值并建立了以m,s的降低率ηm,ηs表征坚硬顶板损伤程度的参量,最后对现场顶板宏观破坏特征进行统计.结果表明:损伤岩样的强度与围压多数呈二次函数关系;重复采动造成m,s均呈不同程度降低,但ηm,ηs均呈增大趋势且ηmηs;覆岩裂隙带钻孔漏失量明显增大,裂隙带空间分布形态发生显著变化.     

分级循环荷载下保护层开采扰动煤岩强度及裂隙特性研究

针对回采时反复采动作用下的保护层开采扰动煤岩极易诱发巷道围岩失稳的问题,采用分级循环荷载模拟实际回采工程中采动应力的长期作用,研究保护层开采扰动煤岩在循环荷载作用下的力学强度及变形破坏特性.试验结果表明,在加卸载过程中,受保护层开采扰动煤样的体积膨胀变形明显,煤样内部结构破坏程度比未受保护层开采扰动煤样更高.在加卸载后期,受保护层开采扰动煤样表现为塑性破坏,未受保护层开采扰动煤样发生明显的脆性破坏.相比于未受保护层开采扰动煤样,受保护层开采扰动煤样的峰值强度下降,单位体积（直径为50 mm,高度为100 mm）内的煤样裂隙体积显著增加,峰值强度和裂隙体积占比均沿煤层走向分布较为均匀.处于断层带的未受保护层开采扰动煤样的彼此物性差异较大.受保护层开采扰动煤样比未受保护层开采扰动煤样更符合“煤岩破坏时,裂隙空间复杂程度与峰值强度存在反向对应分布”规律.     

岩石应力敏感曲线机制分析

根据固体力学的有关知识,研究了岩石应力敏感曲线测试过程中的机理问题.岩芯应力敏感曲线测试时因封套的塑性变形,使得加载曲线与卸载曲线产生了较大的差异,也夸大了岩石的应力敏感程度.实际上,应力敏感测试时,岩芯只产生弹性变形,而不产生塑性变形.加载时封套有塑性变形,卸载时封套和岩芯都无塑性变形.卸载曲线的应力敏感程度,包含了封套的弹性变形部分.扣除封套的变形因素,岩石自身的应力敏感程度极其微弱.     

加卸载路径下岩爆试件的损伤特性试验研究

为研究不同应力环境下深部岩体的岩爆机制及岩爆产生对围岩体内部损伤特性的影响,通过自主研发的岩爆加卸载装置对试件进行不同加卸载路径下的岩爆试验,并在试验前后对试件进行声波测试和CT成像,分析不同加卸载路径下岩爆岩体的内部损伤特性。结果表明:弹性波CT成像能直观地反应试件内部的损伤情况,加卸载路径对岩爆岩体的破坏形态和内部损伤特性具有较大影响;当试件在高应力条件下卸载时,试件卸载面的破坏形态呈"V"形凹腔,试件内部的损伤区域分布在卸载面附近;当试件在低应力条件下卸载时,试件卸载面呈层裂破坏;试件在高应力条件下卸载时,试件内部岩体的损伤度相对比其在低应力环境下的损伤度高。     

神东特殊保水开采煤层条带充填覆岩隔水层稳定性判据

神东矿区特殊保水开采覆岩隔水层中剩余基岩具有结构承载特性,其上方黏性土层具有封堵导水裂隙功能.依据岩层控制理论,建立神东特殊保水开采煤层条带充填覆岩结构隔水层力学模型.采用应力和应变作为衡量覆岩结构隔水层及上方黏性土层破断导水的指标,推导结构隔水层及上方黏性土层稳定性力学判据,分析条带充填覆岩隔水层稳定性影响因素.结果表明:结构隔水层上作用的最大拉应力随其厚度、充填条带宽度、弹性地基系数的增大而减小;随覆岩含水层水压的增大而增大;随覆岩垮落角的增大而先快速增大后趋于平缓.黏性土层产生的最大拉应变随其厚度的增大而增大;随其弹性模量的减小而快速增大.充分采动后,结构隔水层上作用的最大拉应力随工作面推进距离的增大而趋于稳定.     

不同pH值水溶液浸润煤样强度-分形模型与抗拉试验解析

不同pH值水溶液浸润煤体受应力集中扰动后强度、变形与裂隙发展复杂.文中分析了不同pH值水溶液浸润煤样裂隙扩展特征,建立了基于破坏应力比浸润煤样分形维数求解模型与分形维数-抗拉强度回归方程,分析了不同pH值水溶液浸润煤样循环加载不同应力比下应力-应变特征与梯度加载破裂失稳机制,对比了分形维数-抗拉强度理论模型、线性回归与二值处理吻合性,预测了浸润煤样破坏瞬间分形维数.结果表明：分形维数可以刻画浸润煤样力学行为,建立了基于尺度比、应力比的抗拉煤(岩)样表面分形维数求解方程,推导出了分形维数-抗拉强度回归模型;无浸润煤样循环加载均值抗拉强度、峰值应变相比单轴无循环分别提升了1.13与1.36倍,不同pH值水溶液浸润煤样加载循环次数(抗拉强度)由多(高)到少(低)表现为pH=7>pH=11>pH=3;应力水平梯度越多,同级应力水平梯级应变增量越小,无浸润煤样抗拉强度是pH=7、pH=11与pH=3水溶液浸润煤样的1.26,1.32与1.85倍,抗拉强度与峰值应变特征均表现为无浸润、中性、碱性、酸性依次减小;煤样破坏形态表现为单一主控面拉伸劈裂失稳、多面无序拉剪失稳与近“X”型(或单...     

应变型岩爆物理模拟实验过程的温度特征

利用红外热成像技术对花岗岩室内岩爆模拟过程中卸载面的温度场演变进行了实验研究.岩爆实验共进行了5次循环加卸载,其中,第1次卸载后的红外辐射平均温度相比于实验前有所下降.实验结果表明:在应变能累积阶段,红外辐射平均温度随应力增加而升高.在损伤演化阶段,伴随有裂纹的开展,这个过程会使岩体的局部温度小幅升高.在弹射阶段,岩体局部温度的增幅大于损伤演化阶段.岩爆模拟过程中裂纹的扩展产生的局部温度增幅要远大于发生弹射的局部温度增幅.通过利用红外热成像技术能够量测到岩爆实验过程中试样表面的裂纹扩展过程并建立温度增幅与裂纹长度的定量关系.     

不同相状态下CuAlNi形状记忆单晶体的超弹性行为

采用沿CuAlNi单晶β相＜011＞方向施加拉应力的方法研究了各特征温度范围的超弹行为。研究表明：由Af以上的在较高应力下冷却至Mf以下卸载时有很高的弹性回复;在Mf以下施加较大载荷并卸载后有超弹应变;Af以上加载贯穿整个降温升温循环过程产生大于8％的应力双程形状记忆效应;Af以上等温负载导致应力诱发马氏体的稳定化,稳定化后的材料可通过热衔环或Af-Md间的加载－立即卸载循环实现“反稳定化”;等温处理还会造成应力诱发马氏体的“再稳定化”。     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究 （研究生论坛）

利用 MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行了单抽加卸载试验,得到了岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并且从能量与声发射的角度研究了纯岩盐变形破坏过程的基本特征。通过研究表明,岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个实验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个实验过程中,弹性应变能占的比例非常的小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率便大量产生,而后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定地且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行单抽加卸载试验,得到岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并从能量与声发射的角度研究纯岩盐变形破坏过程的基本特征。研究表明:岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个试验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个试验过程中,弹性应变能所占比例非常小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率大量产生,后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

加载速率对煤样力学行为影响的试验研究

加载速率变化会对介质力学行为产生影响,选用煤进行不同加载速率单轴力学试验.结果表明:对于煤,其强度随加载速率增加表现出先升高后降低的现象,将转折点对应的加载速率称为临界加载速率,低于该值时,煤样强度随加载速率增加而增大,高于该值时加载速率增加强度反而降低.建立"骨架"模型对该现象进行解释,分析表明:较快的加载速率可减少裂隙损伤有利于承载,但同时微元体承载部分将储存更多的弹性能出现局部破坏不利于承载.故必然存在"最优"加载速率使强度出现最大值,此时即对应临界加载速率.以此为基础,提出现场条件下低卸载速率配合均匀弱化介质的手段保证高强度生产的安全.     

软岩黏弹塑性流变特性及非线性蠕变模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司Ⅲ矿区软弱矿岩进行流变试验,探讨了软弱矿岩的黏弹塑性变形特性.建立了软岩的非线性蠕变模型.结果表明:分级增量循环加卸载下软岩有明显的瞬时应变硬化趋势,软弱矿岩JC1099试件的黏弹性应变分量与黏塑性应变分量之比为3.15～6.58,随应力水平的增加蠕应变中黏塑性应变占的份量总体上有增加走势;在低应力水平下,蠕变变形趋于稳定状态,在高应力水平下,软岩蠕变往往表现出加速蠕变特性.建立的非线性蠕变模型可以用统一的蠕变方程来描述软岩蠕变的3阶段,将该模型应用于金川Ⅲ矿区矿岩蠕变试验,蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

循环气压下原煤微损伤及其破碎特性试验研究

应用岩石力学测试系统TAWD-2000和煤岩气压致裂设备开展了首山矿原煤试件的气压疲劳试验,分析了循环气压及二次气压致裂作用下煤样的微损伤与破碎特性,并利用损伤理论与分形理论进行描述.结果显示:1)基于残余塑性体应变定义微损伤变量,推导损伤演化方程,煤样微损伤随着疲劳次数的增加显著增大.2)含节理面煤样微裂纹发育局部化,产生局域高损伤,气压疲劳导致的整体微损伤效果推迟.3)经历气动疲劳的原煤气压致裂呈现整体破裂特征,破碎程度远大于直接气压致裂所引起的单一对径张拉破坏.4)循环气压下微损伤原煤的破碎特征可利用破碎度的分维数表征,分维数越大,试件破碎度越大,小块度所占比例越大,反之愈小.