级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

三轴循环加卸载作用下煤样变形及强度特征分析

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行三轴循环加卸载试验,对三轴循环加卸载条件下煤样的变形及强度特征进行分析。结果表明:在三轴循环加载过程煤样的变形表现出明显记忆性,循环加载过程的应力-应变外包络线与连续加载的应力-应变曲线相吻合。在煤样屈服前进行加卸载,加载时弹性模量始终低于卸载时的弹性模量,且随加卸载次数的增加,加卸载时的弹性模量均有小幅增加,过峰值后弹性模量与峰值前弹性模量相比有所减小,但仍高于第1加载的弹性模量。三轴压缩条件下煤样的峰值强度、残余强度与围压成正比,符合Coulomb强度准则。峰值强度、残余强度与围压回归得到的摩擦系数大致相当,黏聚力则减低54.4%。     

不同加载速率下煤体强度与破碎特征实验研究

通过AG-Ⅰ250 kN万能实验机对滇东矿区煤体试件进行单轴压缩实验,探讨了突出危险煤体在不同荷载速率环境下的强度特性与破碎特征。结果表明：煤体应力—应变曲线经历线弹性、塑性、峰后破坏3个阶段,弹性特征随加载速率的增加愈发明显;随着加载速率的增加,煤体峰值应变增大,弹性模量与加载速率呈线性关系;煤体在单轴压缩条件下的破坏形式多表现为脆性破坏,随着加载速率的增加,破碎煤样的折算直径减小,新增表面积增大,整体破碎程度随加载速率的增加而增大,与宏观煤体破坏剧烈程度吻合;不同加载速率下煤体强度特征符合Coulomb准则,峰值强度与达到破坏时间与加载速率呈线性关系。     

不同加载速率下原煤与型煤的力学渗流特性对比研究

以原煤、型煤煤样为研究对象,在三轴压缩变形过程中进行渗流试验,研究了不同加载速率下煤样的力学渗流特性。研究结果表明：加载速率对原煤的弹性模量影响较大,而型煤的弹性模量变化较小,且随着加载速率的增大,原煤、型煤的峰值应力均呈现先增大后减小的趋势;在破坏阶段,型煤的破坏呈现延性特征,而原煤的破坏是突发性的,更接近于现场煤与瓦斯突出的破坏过程;同一加载速率下,型煤和原煤的渗透率虽然都随着应力的增大先减小后增大,但前期型煤的渗透率降低幅度远远大于原煤,且型煤为剪切滑移破坏形式,峰后渗透率低于初始渗透率,而原煤为剪张破坏形式,峰后渗透率激增;随着加载速率的增大,煤样渗透率呈现更明显的“V”字形走势。     

水平应力加载下煤岩的声发射特征试验研究

为研究水平应力加载下煤岩声发射规律,在实验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:煤岩声发射信号随着应力水平的增大而增大,且轴向应力σ_v相对于水平应力σ_h对声发射信号影响效果更为显著;为比较复杂应力水平下煤岩声发射特征,定义"等效围压"表述应力水平,根据不同应力水平下真三轴压缩试验声发射能量特点将煤岩试件破坏过程划分3个阶段:弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段;随着等效围压增大试件破坏时的声发射信号显著增强,声发射计数峰值数量增多,峰值强度滞后更加明显,而应力水平对峰前平静期现象没有直接影响。通过理论及试验研究不同应力条件下煤岩试件的声发射特征可预防煤岩动力灾害的发生。     

不同加载条件下原煤力学渗流特性试验研究

以潞安集团常村煤矿煤样为研究对象,利用WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置研究不同加载条件下原煤的力学渗流特性。结果表明,三轴压缩煤样的极限抗压强度和弹性模量均大于单轴条件下的相应值;随着围压的不断增大,煤样抗压强度和弹性模量也会增大,且弹性模量呈现很好的线性;循环加卸载轴压应力-应变曲线在一定程度上受制于常规三轴压缩试验相应曲线,峰值强度降低;煤岩应力-体应变曲线,在低围压试验下表现出扩容机制;在高围压条件下,从峰前至峰后,煤样体积始终呈压缩状态。三轴压缩条件下含瓦斯煤的渗透率与轴向应变呈斜"V"字型走势;循环加卸载轴压试验,随着加卸载次数的增加,煤样渗透率整体降低,但降低梯度减小。     

不同长径比石灰岩动态压缩SHPB试验研究

为了研究不同长径比石灰岩应力-应变曲线、动态单轴抗压强度、动态弹性模量、峰值应变随应变率增大的变化规律,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对2组不同长径比石灰岩试样,进行7种不同应变率等级下的冲击加载试验。结果表明:随着应变率的增大,应力-应变曲线在峰值点后表现出不同的变化规律,呈现明显的率相关性;2组试样动态单轴抗压强度均随应变率的增大呈幂指增大,且长径比为1.0的试样强度的应变率敏感性强于长径比为0.5的试样,有明显的尺寸效应;动态弹性模量和峰值应变均随应变率的增大而增大,相同应变率下,长径比为1.0的试样动态弹性模量大于长径比为0.5的试样;试样的动态压缩破坏形态在相同应变率下,长径比为0.5的试样破坏程度比长径比为1.0的大,应变率较低时呈轴向劈裂破坏,应变率较高时呈颗粒状粉碎破坏。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

不同应力速率下充填体强度特性和破裂机理研究

充填体是维护采场安全稳定的关键因素,是由多种物质混合而成的非均质材料,力学特性复杂,加载条件改变会对其力学特性和损伤破裂机理有显著影响。通过进行不同应力速率下的充填体单轴抗压强度试验,并结合非接触式全场应变测量系统对试样破裂演化过程进行监测。结果表明:随着应力速率的增加,充填体的峰值强度不断增大,低浓度、低灰砂比试样的强度增幅更加明显;低应力速率下试样表面出现大量宏观裂纹,发生拉伸破坏,高应力速率下试块发生单斜面剪切破坏;低应力速率下试样内部的微裂隙和孔隙充分发育形成贯通面,进而弱化了充填体的强度,高应力速率下,试样内部微裂隙和孔隙的发育被限制,试样的整体承载结构对强度的影响占主要地位;应力加载下,试样在达到峰值强度瞬间发生破坏,积蓄的能量集中瞬间释放,破裂现象剧烈。     

煤层中瓦斯渗流规律的技术研究

针对目前煤炭开采逐步转化为深部开采,瓦斯问题也日趋严重的现状,以预制裂隙煤体为研究对象,进行了三轴加载压缩试验和三轴渗流试验,研究了不同裂隙面积煤体在应力作用下的力学特性与渗流规律。试验结果表明：不同裂隙面积煤体在应力加载下的应力变化曲线基本趋于一致,试样在加载压缩阶段、压密阶段与弹性阶段几乎密不可分,在围压加载阶段已经完成试样的压密;根据测得的压力梯度与流速拟合结果发现,裂隙渗流有明显的非线性特征;随着有效围压的增大,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β增大;随着裂隙面积的增加,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β也逐渐减小。     

轴向加载速率对原煤力学和渗透特性的影响

采用煤岩流变仪对原煤进行了不同轴向加载速率下的常规三轴力学渗流试验,运用体积扩容应力、峰值应力、弹性模量和变形模量作为原煤的力学指标,发现试验所用原煤与典型的脆性岩石的规律相同,原煤作为非线性弹性材料体,4种力学指标均随着轴向加载速率的增大而增大;加载过程煤样能量耗散可分为峰前和峰后阶段,峰前阶段绝大部分吸收的能量转化为可释放弹性应变能,耗散应变能增加的速率较缓,峰后阶段弹性应变能急剧下降,大量释放并转化为耗散应变能;同时应力峰值处的总能量随轴向加载速率的增大而增大;渗透率-应变曲线总体呈现"V"字形的变化特征;在全应力-应变过程中,煤岩渗透率与轴向应变之间满足二次多项式函数关系。     

循环荷载作用下冻结灰砂岩强度特征与弹性模量演化规律

针对典型中生代富水弱胶结地层中的灰砂岩,利用TDW-200冻土三轴试验机对冻结饱水灰砂岩进行常规三轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同围压条件下的强度特征,重点研究了循环加卸载作用下冻结灰砂岩弹性模量的演化规律。试验结果表明:循环加卸载时,在低围压下峰值强度有所增加,而在高围压下峰值强度有"弱化"的现象;冻结灰砂岩试样加卸载全过程中弹性模量的变化规律与加卸载路径变化趋势具有一致性;单个滞回环内,切线弹性模量随着偏应力水平的增加呈现出先增加后减小的趋势,同一偏应力水平下,切线模量随循环次数的增加也表现为先增加后减小趋势。     

加载速率对充填混合材料力学特性影响研究

运用PFC2D软件研究加载速率对充填混合材料力学特性影响,选取了0.2,0.5,0.8,1.0,1.25m/s五个加载速率对充填混合材料数值试样进行单轴压缩数值模拟试验,分析不同加载速率对数值试样的破坏模式,轴向应力峰值变化影响。发现:加载速率的增大抑制单一剪切面发展,呈现同步发展,破坏模式发生较大变化。加载速率的增加抑制颗粒间裂纹发育造成的强度弱化,同时较高的加载速率造成数值模拟试样承载结构破坏,数值试样强度随着加载速率的增加呈现先增加后减小的趋势,在临界加载速率1m/s时出现轴向应力最大峰值。     

真三轴载荷下不同煤岩比例组合体力学响应研究

为探究真三轴载荷下不同煤岩比例组合体力学响应规律,制备不同组合方式立方体试件,以现场实测应力演化为真三轴加载路径,探究不同煤岩比例组合体在该应力路径下的力学响应及变形特征,并增加纯煤、岩样试件作为参照进行对比分析。结果表明:在真三载荷下煤、岩试样强度、弹性模量及抗变形能力较单轴压缩均有显著提高;煤岩组合体力学参数与峰值应变介于煤样与砂岩样之间,试件强度和弹性模量与煤层占比负相关,但随着煤层厚度增加,二者减小趋势并不相同,弹性模量随煤层厚度增加近乎等比例减小,而强度随煤层厚度增加而降低的速率逐渐减小;同时发现,由于煤的非均质性较砂岩更加突出,不同组合方式力学参数组内离散性与煤层占比正相关;峰值应变随煤层厚度增加并非单调变化,三元组合方式峰值应变大于二元组合体;在三轴载荷下,煤-岩与岩-煤2种组合方式试件力学参量与变形特征相差极小,认为由煤岩材料非均质性造成。     

含水压倾斜裂隙砂岩力学与渗流特性研究

为研究带压开采过程中煤层底板断层突水问题,利用三轴应力-渗流耦合试验系统对45°倾斜裂隙砂岩进行0、0.5、1、1.5、2 MPa裂隙水压条件下的三轴压缩渗流试验,研究不同水压条件下裂隙岩体力学特性与渗流特性的变化规律。结果表明：不同水压作用下,裂隙砂岩在三轴压缩下发生的破坏均为剪切滑移破坏,试件经历了裂隙压密、弹性变形、塑性破坏、剪切错动、残余强度等阶段;水压作用更容易造成试样发生剪切滑移,并且水压对岩体强度具有弱化作用,当水压从0增加到2 MPa,试件的三轴抗压强度从32.82 MPa降低为13.54 MPa,降幅58.74%。拟合分析表明,试件的弹性模量、峰值强度以及残余强度均随着水压的增大近似线性减小。裂隙渗流方面,渗透率随着水压的增大而增大;在峰前变形阶段,渗透率随着应变的增加呈指数函数关系递减;应力达到峰值强度后试件逐渐发生剪切错动,渗透率急剧增加;到残余强度阶段,渗透率发生微小波动但基本保持稳定。     

加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究

天然岩石含多种原生缺陷,受工程扰动影响易促使载荷速率发生变化,为确保岩体工程的稳定性,需对加载速率及裂隙影响下的岩石力学特性进行研究。以均质细砂岩试样为研究对象,试样中央预制0°～90°贯通裂隙,通过单轴压缩试验和声发射试验研究加载速率影响下的裂隙砂岩力学性质变化规律。结果表明:相同裂隙倾角下,试样的抗压强度、峰值应变以及弹性模量均与加载速率呈正相关关系;加载速率对岩石力学性质的强化效应具有区间性,低数量级时加载速率的作用程度明显高于高数量级时。砂岩试样的力学性质受控于裂隙倾角α,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减小,并在α=15°时达到最低值。声发射计数特征能够准确反映砂岩试样的破坏过程,岩石加载过程中,声发射计数经历"剧烈-平静-剧烈"的过程,且随着加载速率的增加,加载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声发射事件数降低。     

单轴压缩条件下类岩石不同加载速率的力学特性

通过对类岩石进行不同加载速率下的单轴压缩试验,探究加载速率变化对类岩石应力-应变曲线的影响.研究结果表明：在一定范围内,随着加载速率的增加,类岩石的峰值应力呈递增趋势;在恒速率试验中,不同速率所对应的应力-应变曲线不相同;在变速率试验中,当速率突然增大时,应力-应变曲线会有明显的向上突变;不同速率也会影响类岩石的裂纹发展.     

不同加载速率下砂岩的单轴压缩试验力学特性及能量演化规律

从能量的角度出发，通过单轴压缩试验和单轴分级加卸载试验分析了砂岩在破坏过程中能量积聚和耗散的特点，并定量分析了弹性能和耗散能之间的关系。研究结果表明：( 1 ) 不同试验条件下，砂岩试样都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段4个阶段，随着加载速率的增加，弹性模量和峰值强度也呈现增加的趋势；( 2 ) 砂岩试样在各个阶段内都存在弹性能和耗散能，整体随加载速率的增加呈非线性增长的关系，弹性能和耗散能相互抑制的阈值为20 MPa，20 MPa之前，弹性能对耗散能抑制作用明显，20 MPa之后，耗散能对弹性能抑制作用显著；( 3 ) 单轴分级加卸载试验下，试样因疲劳损伤和裂纹界面摩擦产生的塑性变形对弹性能无影响，表现为加卸载曲线的逐渐右移，吻合单轴压缩试验对应弹性能的同时，证明了本研究方法的合理性。     

不同加载速率下顶板-煤柱结构体力学行为试验研究

基于声发射、数码摄像机录像及SEM系统,进行了不同加载速率下顶板砂岩-煤柱结构体试样单轴压缩试验,研究了加载速率对顶板-煤柱结构体力学行为的影响。结果表明:顶板-煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随加载速率递减而递减,但当加载速率递减至1×10~(-5)mm/s,单轴抗压强度和弹性模量均出现了一个递增趋势;顶板-煤柱结构宏观破坏起裂是由于煤样原生缺陷产生的水平附加应力大于煤样抗拉强度而引起的,不同加载速率下宏观破坏起裂均发生在煤样部分,形成拉裂纹与不同程度局部弹射或片帮组合的宏观破坏起裂形式;不同加载速率下顶板-煤柱结构体的破坏均发生在煤样内,砂岩未发生明显破坏,煤样主要发生劈裂弹射破坏,高加载速率下储存在实体承载结构体内的弹性能将以试样宏观拉裂纹等薄弱面为释放通道而迅速释放,试样破坏呈"突发"性且砂岩回弹变形剧烈,弹射破坏加剧,煤样更加破碎;高加载速率下破裂断口凹凸不平,呈"撕裂"状,随加载速率降低,断口趋向平整、光滑且出现"锯齿区",锯齿区台阶咬合摩擦在一定程度上抵抗了试样破坏,试样呈相对延性破坏。     

不同加载速率下粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量变化规律试验研究

为研究加载速率对粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量的影响,定量分析粉砂岩加载过程红外辐射能量变化规律;开展了不同加载速率下粉砂岩单轴压缩红外辐射实验。研究结果表明：峰值应力随加载速率的增加而减小,不同加载速率下,差值模式下红外辐射温度最大值ΔT_max与应力变化具有较好的对应性,更能反映试样的破坏情况,ΔT_max的最高温差突增范围为1.0～1.7℃;主破裂时,累计红外辐射能增量ΔQ随时间变化呈缓慢增长趋势,破裂时对应的累计红外辐射能增量随加载速率的增大逐渐减小;ΔQ与机械功之间呈幂函数关系,随着机械功的增加,累计红外辐射能量增量呈现出先增大后缓慢增长趋势;不同加载速率下试样损伤红外前兆比的范围为0.02～0.285,且随加载速率逐渐减小。