真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3),而采用常规三轴(σ1>σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态。为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律。结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响。与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏。此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响。     

磷块岩在动静加载作用下的破坏特性研究

在磷矿掘进开挖过程中,磷块岩在深部围岩开挖的扰动下,处于动静结合的应力状态,呈现不同程度的 开采破坏现象。 通过在室内展开不同预静载作用下的动静组合三轴试验,分析磷块岩在不同加载环境下的应力—应 变曲线与破坏模式,研究磷块岩在不同动静加载作用下的破坏特性。 结果表明:①动力扰动后的,磷块岩三轴抗压强 度比其在常规三轴静荷载试验下测得的强度低;②磷块岩所受围压相同时,随着其所受预静载水平的提高,磷块岩受 动载扰动程度逐渐降低,且变形破坏程度更明显;③磷块岩所受轴向预静载力相同时,随着其所受的围压越大,磷块 岩在动静组合下的抗压强度越大。     

某磷矿巷道岩爆机理及倾向性预测

随着地下开采的不断发展,岩爆已经成为影响安全和效益的工程难题。为了研究岩爆发生机理及预测巷道岩爆活动,以宜昌后坪磷矿为工程背景,现场采取巷道围岩及矿层岩样,首先进行室内单轴试验以及GCTS系统下的岩石三轴试验,获取围岩及矿样的物理力学参数,并利用岩石脆性系数分析围岩和矿样的岩爆倾向性。在此基础上,通过三轴试验下的声发射三维定位技术,分析岩爆发生机理,并用三维快速拉格朗日差分分析法对巷道开挖进行数值模拟,利用岩爆判据预测岩爆活动。结果表明:巷道围岩及矿层均具有岩爆倾向,巷道开挖后底板两侧有可能发生岩爆,这与现场情况相符合。该研究结果为深部磷矿开采的岩爆防治对策提供了理论依据。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度(8、15、16、17 MPa)和围压梯度(1、2、3、5、7 MPa),开展冲击气压梯度(0.5、0.6、0.8、1.0 MPa)的三维组合加载试验。研究表明:在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

深部煤岩原位扰动力学行为研究

深部开采是我国矿产资源获取的主要途径,然而目前深部资源的开发现状是工程领先倒逼理论创新,时效性差,灾害频发。系统探索深部岩体原位力学行为已经成为了深部矿产资源高效开采亟待攻关的基础科学问题。以深部煤炭开采为工程背景,通过现场井下实测捕捉深部岩体所经历的应力路径,进而考虑扰动应力路径、深度原位赋存环境等因素,开展深部煤岩原位力学与破坏特征的模拟测试,主要结论有:①赋存深度是深部原位岩体力学行为的重要影响因素。岩体强度随赋存深度非线性增长,浅部(低围压)岩体的强度受载荷速率影响较小,加卸载速率对深部(高围压)岩体力学特征影响存在特定范围。②工程扰动是深部原位岩石力学特性的重要影响因素。扰动应力路径下岩体较常规三轴强度降低,且与常规三轴力学试验不同的是出现低初始应力作用下的体积膨胀和高围压作用下的体积收缩现象。③原位扰动应力路径下,随深度增加岩体破坏后表面微裂纹数量减少,由"半Y"型拉-剪复合破坏向"半X"型纯剪切破坏过渡。④建议的煤岩原位岩石力学测试方法可以较为真实模拟地下工程扰动形成的三向不等压力学状态,能有效在实验室条件下揭示深部开采扰动下煤岩体力学行为。     

不同扰动条件下深部岩石真三轴岩爆试验研究

为了研究深部工程受不同扰动的变形破坏特性,以某深部铁矿花岗岩为研究对象,采用QKX-YB200伺服真三轴岩爆试验仪,对试样施加2种不同动力扰动,进行"预静载+动力扰动"下围岩破坏试验。研究结果表明:试样在动力扰动作用下,存在发生岩爆的阈值(轴向静应力比为90%),当轴向应力超过该阈值时,岩爆很快发生,且随着轴压持续增大,岩爆的频度和破坏程度加剧。在相同的预静载下,试件岩爆的发生受不同动力扰动影响显著,不规律的扰动更容易诱发岩爆。在地震波扰动下试样受轴压影响更大,地震波扰动更容易诱发岩爆。     

不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究

在实验室利用自制模具对模型边界进行约束,采用微机控制电液伺服万能试验机进行加载,采取卸除前约束板模拟煤矿井下煤层巷道开挖,得出了不同应力煤层开挖前后轴向应力变化特征,探讨了低应力、中等应力、高应力条件下巷道围岩开挖前后的应力场变化特征。研究结果表明:在低应力条件下,模型开挖造成应力的重新分布,在开挖面附近形成拉应力区,但模型内应力值较小,整体处于弹性状态,围岩抗开挖扰动能力较强;在中等应力条件下,模型开挖造成围岩浅部拉应力区进一步加大,岩体接近或达到屈服状态,围岩受开挖扰动比较强烈,开挖后应力场开始呈现"拉—压—拉"交替现象;在高应力条件下,围岩出现明显的塑性破坏,模型内部整体处于受拉状态。受到开挖扰动,围岩表面迅速恢复到受压状态,并再次向深部转移,形成明显的动态"拉—压—拉—压"交替现象,围岩破坏深度大、抗扰动能力差,呈现深部开采特征。     

单轴循环载荷与渗透水压下预应力裂隙岩石破坏试验研究

为研究受地应力与渗透水压耦合作用下的深部岩体受到爆破等动力扰动的力学响应,研制了渗透水压加载装置,对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后,进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验。试验结果表明,在试样弹性阶段加载有限次循环载荷有助于类岩石材料的强化;在有渗透水压作用下,单轴循环加卸载后岩石的强度降低,降低的程度与循环载荷加载时预应力的大小有关,在弹性阶段加载循环载荷的岩石强度高于在损伤阶段加载循环载荷的岩石强度,而且在渗透水压作用下岩石的应变大于无渗透水压作用下岩石的应变。具有岩爆倾向性的岩石可以通过加载、卸载产生损伤以降低其岩爆倾向性,同时低渗透水压的作用可使岩爆降低程度更剧。     

玲珑金矿深部开采岩爆倾向性评价

根据室内岩石力学试验结果来评价岩爆的倾向性,是一种既有效又经济的方法。通过对玲珑金矿深部岩石进行单轴压缩试验、巴西劈裂试验、单轴循环加载试验和单轴与三轴刚性试验,采用脆性系数法、弹性变形能指数法、线弹性能法和冲击能量指数法评价了玲珑金矿深部开采岩爆倾向性。结果表明,该金矿深部开采具有强岩爆倾向性。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。     

深部巷(隧)道围岩的劈裂岩爆试验研究

围岩浅部发生的爆裂松脱、片状剥落、有声响、岩片弹射等岩爆现象,多属于劈裂破坏机制.针对硬脆完整围岩浅部的劈裂岩爆现象,采用辉长岩试样,进行真三轴加卸载试验,真实模拟实际围岩的应力演化并且实现了小主应力方向的单面卸载.为便于对比分析,同时进行了双轴压缩试验,最后根据试验结果分析了卸荷劈裂岩爆机理.两种试验方法均得到了不同程度的劈裂岩爆现象,但卸荷岩样发生劈裂岩爆所需的大主应力比双轴压缩试验下的要小很多;两者的劈裂岩爆范围不同,卸荷劈裂岩爆均产生在卸荷面附近区域,这与实际的岩爆情况一致;中间主应力对围岩发生劈裂及劈裂程度起重要作用;研究结果为分析劈裂岩爆发生条件和劈裂岩爆机理以及工程预测预报提供依据.     

深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的"三高"赋存环境的本真属性及资源开采"强扰动"和"强时效"的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家"十三五"重点研发计划"深部岩体力学与开采理论"针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了"强扰动"和"强时效"特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了"高保低损"型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。     

采场冲击地压的能量积聚释放特征分析

运用采矿岩石力学理论,分析了回采工作面围岩系统的加载特性,得到顶、底板对煤体存在着渐进和瞬态两种加载方式,当煤岩组合体载荷达到临界状态时,加载特性诱发煤岩系统动力失稳,即发冲击地压灾害.通过FLAC3D数值计算,分析了采场支承压力的分布、岩层结构的运动、弹性应变能的积聚、释放特征和围岩位移、速度的突出特征,初步提出用采场能量密度因子来预测煤岩冲击地压的发生.结果表明,冲击地压是采掘活动诱发的结果,是在开采过程中诱发并伴有微震活动和弹性能猛烈释放的煤岩体结构失稳的矿压显现.     

白云岩三维动静组合加载力学特性试验研究

为研究白云岩的力学特性和破坏模式,利用改进的三维SHPB动静组合加载试验装置,对白云岩进行三维加载、轴向冲击试验,分析轴压、围压和应变率对白云岩强度、变形模量、能量吸收等的影响,探讨岩石动静组合加载的应变率效应。试验结果表明：当围压一定时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大呈现出先增大后减小的趋势,变形模量随着轴压的增大而减小;白云岩单位体积吸收能会随着轴压的增大而先增加后降低。轴压固定时,白云岩的抗压强度和变形模量随着围压的增加而增大,白云岩强度增长因子有显著的应变率效应;白云岩单位体积吸收能会随着围压的增大先升高而后降低,随平均应变率的增大而增大。在三维动静组合加载下,岩石的破坏模式为压剪破坏。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

深部脆性岩石三轴卸荷实验研究

深井巷道支护成为影响安全、制约正常生产的主要因素,某些深部开采矿井的围岩没有表现出软岩的特性,顶板在冒落之前没有明显变形,表现为小变形、脆性破坏和顶板突然冒落的特性.本文根据煤矿现场复杂高应力脆性围岩巷道顶板变形、破坏实际,对其岩石试样进行了卸荷破坏三轴实验研究,研究深部复杂高应力脆性破坏围岩的变形、破坏机理及其力学特性,为深部脆性围岩巷道支护方案设计和优化提供有力支持.实验研究结果表明,在深部复杂高应力环境下,中等稳定脆性围岩巷道顶板破坏属于卸荷不平衡力引起的变形破坏,必须采用围岩-支护体之间的刚度、强度、变形相互耦合支护技术,才能有效防止巷道顶板发生剪切、错动或断裂破坏.     

四体构件真三轴数值试验的底板冲击失稳研究

 摘要：针对深部地下工程底板冲击失稳的相关特点,提出了采用四体构件模拟煤岩体结构,运用Flac3D数值软件模拟试件真三轴压缩过程,通过不同中间主应力系数和卸载路径模拟深部开采环境,从构造应力和能量角度出发,分析了深部开采底板冲击相关特点。结果表明：当从最小主应力方向卸载时,卸载后到底板冲击发生所经历的时间较卸载中间主应力时长;不同的卸载方向导致底板冲击所经历的时间步与中间主应力系数呈指数关系,当卸载最小主应力时,煤层开采到发生冲击所经历的时间步与中间主应力系数成指数关系上升,而卸载中间主应力时反之;发生冲击的岩体经历了脆-延-脆-塑的转化过程。