真三轴应力状态下含预裂缝石灰岩静态破碎裂纹演化规律

为了模拟500m地下煤层巷道采空区坚硬顶板的放顶试验,采用真三轴压力机对200mm×200mm×200mm含预裂缝的立方体石灰岩试样进行三轴应力下静态破碎试验,研究岩石静态破碎过程中裂纹演化规律,并利用声发射空间定位技术对静态破碎过程中裂纹起裂与扩展进行监测。结果表明:真三轴应力下裂纹起裂位置为钻孔中部的预裂缝两侧,并先后形成两组裂纹,沿预裂缝方向的裂纹对称分布并大致成一直线,并且当预裂缝方向垂直于最大阻应力方向时,也总能沿着预裂缝方向起裂与扩展。     

不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究

为研究瓦斯抽采钻孔的静态加载速率效应,以含预制贯穿孔试样为实验对象,开展不同加载速率的单轴压缩试验并采用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律.结果表明:加载速率的变化对含孔试样力学特性有较大影响:随加载速率增大,抗压强度、起裂应力水平和变形能密度均逐渐增加但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小的趋势.加载过程中拉伸裂纹尖端的几何形状不断改变,拉应力强度因子KΙ减小,拉伸裂纹经历"扩展-闭合-扩展",拉伸裂纹长度与加载速率呈现较强的指数函数关系,加载速率为0.5 mm/min时,拉伸长度达到最大为43.16 mm.含孔试样的破坏模式单一,呈中心对称;加载速率较小时,远场裂纹起裂位置距边缘较近,宏观裂纹以剪切破坏为主;加载速率较大时,宏观裂纹以拉伸破坏占主导地位,远场裂纹起裂位置距边缘较远.研究结果为揭示瓦斯抽采钻孔失稳的力学响应规律并阐述其演化过程提供一定的理论指导.     

切槽孔掏槽爆破机理动态焦散线实验研究

为研究切槽孔掏槽爆破爆生裂纹起裂、扩展及其与空孔相互作用机理,采用数字激光动态焦散线实验系统,对比分析了切槽孔与普通孔掏槽爆破裂纹扩展速度及动态应力强度因子的变化规律。实验结果表明：与普通孔相比,切槽孔掏槽爆破主裂纹在起裂阶段,应力强度因子出现最大值;扩展阶段,裂纹近似匀速稳定扩展,应力强度因子波动范围较小,整体数值较大;与空孔相遇阶段,3条主裂纹相互贯通,相应地产生3条次生裂纹,并与主裂纹相向运动,提高了各自的扩展速度和应力强度因子。空孔处破碎较严重,其补偿空间得到充分利用,有利于提高掏槽效率。     

爆炸载荷作用下空孔应力集中区的特性分析

采用数字激光动态焦散线测试系统和超动态应变测试系统,研究爆炸载荷作用下空孔周围裂纹扩展规律和应力集中区的应力特征。结果表明:在爆炸应力波作用下,空孔周围水平和垂直方向上都出现焦散斑,但只有水平方向上预制裂纹起裂,垂直方向上裂纹没有起裂;空孔周围裂纹1起裂早于裂纹2,裂纹2的扩展速度和应力强度因子值大于裂纹1相应值;从应变曲线上可以看出在炮孔与空孔连线上,靠近炮孔一侧为拉应力集中,远离炮孔一侧为压应力集中。     

不同直径空孔对爆生裂纹扩展行为影响规律的实验研究

为得到空孔直径的改变对爆生裂纹扩展行为的影响规律,采用动态焦散线实验方法,研究了不同空孔直径情况下爆生裂纹扩展轨迹、扩展速度及裂尖动态应力强度因子的变化规律。研究结果表明:随着试件中三条爆生主裂纹的尖端相对距离的减小,裂纹尖端应力场的相互作用逐渐增强,使裂纹扩展速度增加并达到峰值;随着空孔直径的增大,裂纹扩展后期裂纹扩展速度和应力强度因子振荡效应减弱,有利于运动裂纹向空孔方向扩展;在一定范围内,空孔直径越大,空孔对爆生裂纹的导向作用越明显;随着空孔直径的增大,三条爆生裂纹在相互贯通之前,裂尖的动态应力强度因子发生突跃增大的趋势减弱。     

单轴压缩条件下预制裂纹岩块破碎过程的数值模拟

应用FLAC3D软件对含预制裂纹砂浆块和完整砂浆块试样在单轴压缩点荷载作用下的破碎过程进行了数值模拟.结果表明:完整砂浆块的破碎过程首先出现一个应力集中区,形成密实核,然后形成中间裂纹、径向裂纹、侧向裂纹,这些裂纹迅速扩展,并衍生许多新的次生裂纹,沿着剪切或拉应力迹线贯通整个岩块;而含预制裂纹岩块的破碎则是在出现密实核后,随之在裂纹的两个端部出现应力集中,然后沿主载荷方向扩展,形成翼型裂纹,最后贯通整个试件;含预制裂纹试件和完整岩块的破碎应力-侵深曲线均出现跃进式特征,但裂纹试件裂尖局部的应力集中导致了翼型裂纹的产生并且沿主应力方向扩展,较早导致试件的破碎,其临界失稳荷载明显下降,预制裂纹对试件破碎效果的影响是显著的.     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。     

高地力环境下聚能爆破动、静作用对岩石内裂纹起裂与扩展机理研究

深部硬岩深孔爆破弱化是一个爆炸动静荷载与地应力耦合作用下的无自由面爆破过程,地应力对爆破裂纹扩展具有很强的抑制作用,这极大地限制了深孔爆破在工作面硬岩的预弱化及切顶卸压等工程中的应用。为了探索地应力影响下的无限岩石爆破中应力波与爆生气体二者对裂纹起裂与扩展的作用机理,采用爆炸力学与断裂力学理论推导了聚能爆破动作用阶段的裂纹长度,利用LSDYNA软件研究了地应力作用下聚能爆破动、静作用下的岩石内裂纹起裂与扩展过程。结果表明：(1)数值模拟结果指向动、静作用的时间分界点为32μs,聚能爆破动作用阶段对裂纹的起裂及初始扩展占主导地位,爆生气体静作用对裂纹的后期扩展占主导。(2)无地应力作用时,静作用阶段裂纹扩展长度是应力波动作用阶段的11倍。地应力为20 MPa时,聚能爆破中动作用阶段裂纹长度被抑制了12.4%,静作用阶段裂纹长度被抑制了86.3%,地应力主要对后期爆生气体静作用阶段的裂纹扩展起抑制作用;侧向地应力垂直于裂纹扩展方向时,其抑制作用随侧向地应力增大而减弱;(3)依托古城矿N1302工作面切顶卸压工程背景,在考虑现场地应力及施工条件下,通过数值模拟最终确定最佳不耦合系数为1.3,...     

含单裂纹带圆孔板单轴破坏试验及仿真

为了研究含不同预制裂纹长度及倾角下的单裂纹带圆孔板单轴应力状态下的裂纹扩展状况,分别制作裂纹倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°及裂纹长度为7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm的带直径为15 mm圆孔的类岩石试件,利用DDL-200型试验机进行单轴压缩试验,并使用颗粒流离散元软件PFC对试件应力状态和裂纹扩展做进一步研究。结果表明：合理的预制裂纹能够提高试件的抗压强度,并且随着裂纹倾角的增加,试件应力集中逐渐从裂纹尖端过渡至孔边,使得新裂纹的萌生和扩展向孔边转移,同时,较大的裂纹长度和较小的裂纹倾角使得试件有更大的受拉区域面积和更加不均匀的应力分布;此外,应力强度因子随着裂纹倾角的增大呈先减小、后增大的变化规律,降低阶段和上升阶段所对应的裂纹分别属于闭合型和张开型。该研究成果可为地下工程中的巷道支护和切顶卸压提供一定的参考。     

沿空留巷水力压裂切顶卸压技术试验研究

为有效维护3109工作面沿空留巷墙体和回采巷道后期的稳定性,设计采用水力切顶方法卸载.设在工作面前方超前应力影响范围外沿煤壁侧布置压裂钻孔,钻孔直径56 mm,仰角为50°,孔间距为10 m,钻孔长度为42 m.现场工业试验结果表明,开槽段裂纹扩展划分为起裂准备、裂纹扩展、止裂三个阶段;水力切顶工艺减小了顶板悬梁的跨距...     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

切缝药包微差爆破爆生裂纹扩展机理

为了研究切缝药包微差爆破孔间裂纹的动态力学行为特征,采用新型数字激光动态焦散线测试系统进行4组微差起爆实验。研究结果表明:随着延迟时间的增长先爆炮孔产生的裂纹长度依次增加,其受应力波作用前的扩展距离占总距离的比例依次增高,裂纹的贯通点逐渐靠近后爆炮孔,呈"牵手"状分布;应力波正压区的压缩作用和负压区的拉伸作用分别能够降低和提升对面裂纹的扩展速度v,延迟时间越长,裂纹扩展速度降低后的峰值越低,提升后的峰值越高,爆炸应力波在对面裂纹尖端产生的压应力场会降低其动态应力强度因子KdI,延迟时间越长,峰值越小;裂纹相遇时,扩展速度v和动态应力强度因子KdI都呈现增大趋势,且相遇越早,速度峰值越大;当微差时间满足一定条件时,先爆炮孔产生的应力波在后爆炮孔孔壁附近形成拉伸应力场,有利于裂纹萌生。     

ZKB型直线振动筛侧板裂纹研究及寿命分析

为了解直线振动筛侧板裂纹的综合性能,首先对侧板进行静力学分析得到侧板危险区域。其次对该区域进行裂纹布置,应用断裂力学理论对振动筛侧板进行应力强度因子的计算,分析侧板危险区域裂纹扩展特性,同时针对不同形状、大小的裂纹进行参数分析,得到振动筛侧板裂纹扩展规律。最后对侧板进行疲劳寿命计算,得到含初始裂纹处侧板的疲劳寿命及安全系数,为侧板的设计优化提供理论指导。     

中深孔全断面切缝管定向断裂爆破技术应用研

分析了切缝管定向断裂爆破裂纹的形成与扩展机理,在切缝处应力集中和压力差共同作用下形成初始裂纹,而后的裂纹扩展经历了切向拉伸应力作用下的扩展阶段、爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展和爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展3个阶段。在理论分析的基础上结合工程实际,提出了切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术。现场应用效果表明：切缝管爆破可提高炮孔利用率和眼痕率,降低爆破对围岩的扰动损伤,改善掏槽爆破和周边爆破效果,有利于提高巷道掘进速度。     

爆炸载荷下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

应用动态焦散线测试系统,模拟含缺陷岩体爆破过程,进行了PMMA（有机玻璃）模型透射式动态焦散线试验,着重研究了与预制裂隙共线的炮孔爆炸作用下裂纹扩展的规律.试验结果表明,爆炸载荷下裂隙两端分别产生了1条翼裂纹A和B,翼裂纹A的长度大于翼裂纹B的长度,2条翼裂纹向相反的方向扩展;随着翼裂纹长度的增加,裂纹扩展速度出现快速增加,减少,再增加,再减少的振荡过程;翼裂纹扩展加速度也始终存在着加速与减速不断交替变化的现象;翼裂纹尖端动态应力强度因子呈快速增大到逐渐减小连续振荡变化的趋势,动态应力强度因子K^d_Ⅰ最大值为1.3 MN/ m^3/2,K^d_Ⅰ一直大于K^d_Ⅱ.     

直立岩层边坡岩体的静态爆破参数试验研究

为了探索爆破参数对直立岩层边坡岩体的静态爆破影响效果，通过电测法测试了钢管试件中静态破碎剂产生的静态膨胀压，设计了考虑抵抗线、孔距、水平压力、布设方式等参数的静态爆破试验。试验结果得出：在径向约束条件下，静态破碎剂产生的膨胀压力随时间成指数增长趋势；在水平约束条件下，水平约束力越大，岩体开裂所需要的膨胀压越大，直立岩层岩体的残余水平构造应力是静态爆破设计的关键参数；钻孔裂纹贯通时间随孔距非线性增大，建议静态爆破设计孔距为 2~2.5 倍钻孔直径。进一步讨论得出：三角形布设方式的爆破效果明显优于矩形布设方式，直立岩层边坡岩体的静态爆破过程可分为岩体微裂、孔边裂纹扩展、裂纹密集发育和岩体碎裂 4 个阶段。     

老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究

采用钻孔勘探、钻孔电视、地球物理测井、岩石力学测试等技术和方法对老采空区覆岩裂隙发育特征进行了研究。研究结果表明:老采空区弯曲带岩层的整体性未遭破坏,表现为连续平缓的弯曲变形,局部有裂隙产生;裂缝带岩层产生裂隙或断裂发育,但尚未塌落;垮落带岩层断裂破碎塌落,有残留空洞发育。对其中的53条采动裂隙发育特征统计显示,裂隙平均间距1.08m,间距小于2.0m的裂隙占统计数据的85%,老采动区采动岩体裂隙以低角度裂隙为主,倾角小于30°的裂隙占统计数据的68%;煤炭开采引起的地下空洞、离层、裂隙和垮落带的欠压密、孔隙饱水等现象是老采动区活化的根本原因。     

基于真三轴物理模拟实验的裂缝扩展规律研究

为了研究不同起裂方式下水力裂缝三维扩展特征,采用真三轴水力压裂物理模拟试验机,开展定向压裂与钻孔压裂试验,结果表明：定向压裂裂纹从预制裂纹尖端起裂,向中间主应力方向转向,裂纹呈双翼弯曲形态,其整体仍平行于最大主应力方向。钻孔压裂裂纹在钻孔轴向对称位置起裂,呈椭圆形自相似扩展特征,裂纹倾向垂直于最小主应力。裂纹最终扩展方位不受起裂方式主导,而是由地应力场决定。水力压裂过程呈现憋压起裂和稳压扩展两个典型阶段。憋压起裂阶段,泵压急剧上升达到破裂压力后又迅速跌落,声发射能量骤增且波动剧烈。稳压扩展阶段,泵压曲线呈锯齿状波动发展并趋于平稳, 声发射能量水平相对较低。研究结论可为煤矿坚硬顶板压裂施工提供参考。