岩石Ⅱ型裂纹扩展的一般规律

对大理岩Ⅱ型裂纹的扩展规律进行了实验研究，认为岩石Ⅱ型裂纹的扩展具有机理安全不同的Ⅰ型，Ⅰ－Ⅱ复合及Ⅱ型３种断裂形式，因而有３个不同的剪切断裂韧性Ｋ＾ＩＩＩｃ，Ｋ＾Ｉ－ＩＩＩＩｃ及Ｋ＾ＩＩＩｃ。在纯剪断裂条件下，Ｋ＾Ｉ－ＩＩｃ＝Ｋ＾Ｉ－ＩＩＩＩｃ＜ＫＩＣ，Ｋ＾ＩＩＩｃ＝３ＫＩｃ，由此认为剪切裂纹的扩展应有３个不同的判据。     

类岩石材料脆性特征与配合比方案试验研究

为获得具有与砂岩相近变形及脆性特征的类岩石材料配比,以骨料含量、水泥石膏比和重晶石含量为 影响因素条件,采用正交试验配制了 25 组类岩石材料,并开展物理力学试验。 由 E/ σc 变形指标与 σc / σt 脆性指标对 类岩石材料和原岩进行比较分析,确认符合原岩基本变形指标与脆性指标的试验方案。 采用极差对类岩石材料进行 敏感性分析。 研究表明:试样密度的主要影响因素为水泥石膏比,且随水泥石膏比例下降而下降;试样单轴抗压强度、 抗拉强度与弹性模量的主要影响因素为骨料含量,且随骨料含量的上升,均出现上升—下降—上升趋势。 进一步对 试验数据进行多元线性回归分析,计算得出其线性回归方程并进行演算,结果与原岩数据有较高的一致性。     

岩石试件中非平行双裂纹扩展贯通规律的数值模拟研究

含裂纹岩石试件的裂纹扩展贯通规律的研究是岩石力学与岩土工程重要的研究方向之一。本文采用颗粒离散元数值模拟软件PFC2D,对含有两条非平行裂纹的类岩石材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。通过统计裂纹模式,发现了两种不同于两条平行裂纹间结合的模式,这两种结合模式中的水平裂纹多与原点倾斜裂纹在水平方向有重合。由试件的力学响应可知,当水平裂纹位于相同高度时,水平裂纹在原点裂纹正上方或正下方的试件峰值应力最大,且中心两侧峰值应力呈近似对称分布;裂纹的贯通多发生在试件的轴向应力达到其峰值的前后,且伴随试件应力应变曲线从塑性强化阶段到试件的破坏,微裂纹的数目呈现规律性的变化,裂纹的贯通和微裂纹数目变化都能在一定程度上预测或反映试件的破坏。室内试验验证了数值模拟中不同扩展模式的存在,说明数值模拟研究的可行性。     

预裂纹岩石材料损伤声发射能量统计特征研究

为了更好地理解岩体结构的基本特性和压缩破坏现象,使用加载设备、声发射系统和高速摄像机对砂岩试件进行了一系列单轴压缩测试。结果表明,砂岩样品的断裂过程分为3个阶段：原始的微裂纹闭合、微裂纹成核和宏观裂纹扩展;完好无损和单裂口试件的损伤能量遵循幂律分布,显示损伤临界。单缝样品的最佳指数(r)约为1.64,略低于完整样品的最佳指数;砂岩试件的拟合幂律指数在实验的不同阶段会发生变化,并逐渐趋于稳定。基于直方图分析和最大似然法,试验裂纹的存在可能会影响损伤能量的统计特性。裂纹倾角对最佳指数影响不大,但对试样的断裂方式有一定影响。研究为工程岩体结构的倒塌破坏预测提供了新的理论依据。     

含缺陷砂岩裂纹扩展特征试验与模拟研究

采用岩石力学伺服控制试验机和声发射仪,对含缺陷砂岩进行了单轴压缩试验,研究了岩石的裂纹扩展和声发射特征。同时采用岩石破裂过程分析系统进行了模拟研究,试验结果和模拟结果具有较好的一致性。在此基础上进行了多次重复模拟试验,探讨了材料非均质性对岩石裂纹扩展特征的影响。实验结果表明:岩石材料裂纹扩展特征与材料非均质性密切相关,主裂纹首先在裂隙尖端产生并沿垂直裂隙方向扩展,而后改沿最大主应力方向朝端部扩展,但此后的裂纹扩展方向不同,且主裂纹在各阶段扩展长度、速度不同;同时,次生裂纹参数(数量、长度、宽度、走向)存在差异。     

峰后岩石类材料的声发射特性研究

基于声发射试验系统和岩石声发射理论,对2种不同性质的岩石和水泥砂浆进行了单轴压缩试验,得到了3种试样破坏全过程的力学特性曲线、声发射振铃数和累计振铃数曲线,针对其变形特征及应力、振铃数与时间的关系分阶段进行了研究。研究表明:岩石类材料声发射受岩石强度、节理裂隙和晶粒软硬大小等的影响;部分质软岩石类材料在弹性、弹塑性阶段,其单位时间声发射振铃数逐步增加,但在接近强度峰值时出现声发射相对平静现象;峰后声发射活性主要受岩石的强度影响。对比不同岩石的破坏声发射特性,可为天然和人工岩土工程稳定性评估提供参数。     

岩石声发射活动规律的理论与试验研究

对岩石声发射活动的时空分布规律和活动模式进行了分析和探讨,并通过室内单轴压缩条件下铁矿石的声发射特性进行了验证,为正确利用监测的声发射信息进行岩体稳定性预测提供了理论依据。     

基于声发射监测的含水岩石动态损伤演化过程试验研究

为研究含水状态对岩石破裂失稳过程声发射事件动态演化的影响规律,进行了干燥、天然与饱水闪长岩单轴压缩过程的AE试验,采用基于最小二乘法组合定位算法对裂纹扩展过程中AE事件进行定位。结果表明:干燥、天然及饱水闪长岩的定位误差分别为3.46,4.44mm和2.44mm。天然、饱水岩样的AE事件数分别为干燥岩样的37.2%和17.6%;在低应力阶段,干燥岩样内部产生的AE事件多于天然与饱水岩样;在0.5~0.9σc应力区间内,各岩样内部均有一定数量的AE事件产生;在失稳破裂阶段,干燥、天然、饱水岩样内AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增。     

爆炸载荷作用下相向裂纹扩展行为的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷作用下两相向扩展裂纹的动态特征及其相互作用关系。结果表明:相向运动裂纹的扩展过程分为3个阶段:独立扩展、相互排斥、相互吸引,最终形成彼此勾连的形态,在实验范围内不受两裂纹初始竖向距离的影响而改变;裂纹在扩展过程中发生相互作用时其扩展速度发生突跃,此时两裂纹尖端的水平距离随裂纹初始竖向间距的增大而减小;随着两裂纹初始竖向间距的改变,两裂纹开始相互作用时其裂尖距都在56~70 mm之间;两裂纹竖向偏移距离最大位置对应于裂纹尖端水平距离为0的时刻,两相向运动裂纹初始间距越大,裂尖在竖向方向的偏移距离越小。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

Propagation mechanism of neighboring cracks in rock-like cylindrical specimens under uniaxial compression

The mechanism of cracks propagation and coalescence of neighboring cracks existing in precracked rock like cylindrical specimens has been studied experimentally and numerically by considering multiple cracks in the middle part of each specimen. The pre-cracked cylindrical specimens of rock like materials are experimentally tested under uniaxial compression in a rock mechanics laboratory. Then these experiments are numerically simulated by a modified higher order displacement discontinuity method (HODDM) using cubic displacement discontinuity elements and three special crack tip elements for crack tip behavior to increase the accuracy of the Mode I and Mode II stress intensity factors (SIFs) obtained based on linear elastic fracture mechanics (LEFM) theory. The crack propagation and coalescence paths of the internal inclined crack are estimated by implementing a suitable iteration algorithm of incremental crack length extension in a direction predicted by using the maximum tangential stress criterion. The numerical and experimental results are compared showing the validity, applicability and accuracy of the present work. Finally, a numerical simulation has been accomplished to study the effect of interaction among neighboring cracks on the SIFs.     

煤尘爆炸传播特性的实验研究

用实验方法,在长1.5 m、直径0.3 m的爆炸腔体与80 mm×80 mm方形断面管道对接的实验装置中进行煤尘爆炸传播特性研究。研究结果表明,爆炸火焰区传播距离远大于原始煤尘积聚区长度,爆炸传播过程中各测点冲击波压力出现先“升”后“降”变化,冲击气流衰减变化与爆炸煤尘量和断面有关,爆炸毒害气体并非一开始就扩散传播,而是在动压作用下冲击一段距离后开始扩散,可能存在膨胀极限区。     

煤岩水力裂缝扩展规律试验研究

采用大尺寸（300 mm×300 mm×300 mm）真三轴试验系统,研究了地应力、天然割理裂缝、隔层及界面性质对沁水盆地高煤阶煤岩的水力裂缝扩展行为及形态的影响。结果表明：受天然割理、裂缝影响,煤岩压裂施工压力高,波动频繁,水力裂缝扩展不稳定,形态复杂。当水平主应力差较小时,水力裂缝在多个方向起裂,延伸产生多裂缝,主要沿天然割理、裂缝方向随机扩展;随着水平主应力差的增加,水力裂缝会主要沿垂直最小水平主应力方向扩展,形态相对单一。单纯的煤层与隔层之间的物性差异（弹性模量等）对水力裂缝穿入隔层扩展的抑制作用并不显著,隔层上的垂向压应力和界面性质是决定水力裂缝能否穿层的主要因素。垂向应力小,界面胶结强度低时,摩擦因数小,水力裂缝在界面上易产生横向滑移,难以穿入隔层扩展;垂向应力大,界面胶结强度高时,摩擦因数大,水力裂缝将穿越界面进入隔层扩展。     

Experimental study of flame microstructure and propagation behavior of mine-gas explosion

The high speed cameral and schlieren images methods were used to record the photograph of flame propagation process. Meanwhile, the ionization current probes were set up to detect the reaction intensity of the reaction zone. The characteristics of methane/air flame propagation and microstructure were analyzed in detail by the experimental results coupled with chemical reaction thermodynamics. The high speed schlieren image showed the transition from laminar flame to turbulence combustion. The ion current curves disclosed the reaction intensity and combustion characteristic of flame front. In the test, the particular tulip flame was formed clearly, which was induced to some extent by turbulent combustion. Based on the schlieren images and iron current result, it can be drawn that the small scale turbulence combustion also appears in laminar flame, which thickens the flame front, but makes little influence on the flame front shape. During the laminar-turbulent transition, the explosion pressure plays an important role on the flame structure change. Supported by the Open Foundation of State Key Lab of Explosion Science and Technology (KFJJ07-06); the Open Project of State Key Lab of Fire Science (HZ2007-KF06)     

缝槽水压爆破导向裂缝扩展实验研究

针对西南地区薄煤层在使用传统深孔预裂爆破技术增加煤体透气性时,爆生裂缝无序扩展至顶底板引发顶底板失稳破断的技术难题,结合刻槽爆破裂缝导向性和水压爆破高效性,提出缝槽水压爆破技术。通过实验对比分析了耦合装药爆破、缝槽空气不耦合爆破、缝槽水压爆破形成的裂缝特征及应力演化规律。结果表明：缝槽水压爆破能大面积定向预制二维平面裂缝;在相同装药量下,缝槽水压爆破制造的煤体暴露面积是缝槽空气不耦合装药爆破的1.42倍、耦合装药爆破的11倍;其爆炸应力峰值略高于耦合装药爆破,达到割缝空气不耦合装药的1.5倍。而且,缝槽尖端方向应力变化大于其他方向,引起更大的质点振动,利于煤岩体破断,导向裂缝起裂和扩展,更有利于保护煤层顶底板。     

切缝药包爆炸波传播机制实验研究

为了探究切缝药包爆炸波动机理,运用高速激光纹影仪进行了切缝药包的爆炸波动实验研究,通过纹影照片直观地显示了切缝药包爆炸后外部爆炸波动流场的变化。通过对2种装药结构的切缝药包的爆轰波动传播过程的分析,双缝/耦合的切缝药包切缝方向的爆炸波阵面速度比切缝内不耦合药包的速度要大。纹影照片时序图显示了药包垂直切缝方向和两端部的爆炸波的传播是切缝方向爆炸波动绕流形成的。整个传播过程爆炸波形态分布丰富,从哑铃形演变为爆生气体孪生态。切缝药包爆轰波动数值模拟结果和纹影实验结果在形态上基本一致。     

微波照射后花岗岩裂纹扩展规律试验研究

硬岩裂隙的形成和扩展规律是研究岩石损伤机理的重要内容。为了探究微波照射下,岩石裂隙的扩展规律,为微波辅助破岩技术提供理论依据,利用扫描电镜(SEM)设备对花岗岩试件在微波照射及单轴抗压强度测试后进行扫描观测,分析岩石断口的形貌、裂纹的类型及断裂模型。结果表明：高功率微波照射后,试件表面出现颜色变化,并伴随有张拉裂纹出现,在压缩试验后,试件上部结构呈粉末状破碎|SEM设备观测下花岗岩断口形貌特征主要为平坦面状和条纹状断裂|花岗岩的裂纹类型主要为张拉裂纹和压剪裂纹|花岗岩的断裂模型主要为沿晶断裂、穿晶断裂以及两者叠加。