循环荷载条件下充填厚度对结构面剪切力学特性影响试验研究

利用相似材料制作砂岩剪切破坏结构面并进行循环剪切试验,研究无充填及3种不同充填石膏厚度条件下结构面的力学性质和三维形貌演化规律.试验结果表明:无充填结构面的峰值剪切强度最大,随着充填厚度的增加,结构面的峰值剪切强度先下降后上升,表明充填物的厚度对结构面的剪切强度有较大影响.结构面的法向变形量随充填厚度的增加而不断增大,...     

定法向刚度下结构面剪切力学行为数值分析

研究岩体结构面的力学性质对评价岩体工程的稳定性具有重要意义.根据Patton剪胀公式并结合ABAQUS软件中接触面滑动判定法则推导出定法向刚度下规则锯齿刚性结构面的剪胀公式,同时建立了相应的数值模型,两者计算结果一致.按锯齿倾角和法向刚度建立了16种结构面剪切模型,对各种模型的剪切位移曲线进行了分析,提出了一个参数:变...     

基于CT技术的裂隙煤体细观数值重构方法

为研究采动过程中原生裂隙对矿山压力的响应规律,运用高精度工业CT扫描技术,对王家岭煤矿12309工作面煤体原生裂隙场进行扫描,获得了煤样原生裂隙场的细观分布情况。基于Matlab软件编程,利用Soble算子对扫描所得裂隙数据进行三维重构,将三维重构结果导入PFC~(3D)数值模拟软件,建立包含原生裂隙场的煤岩三维细观数值模型。结果表明:该方法在细观尺度方面有效、精确地重构了煤样原生裂隙场,建立了充分考虑细观裂隙的PFC~(3D)细观数值模型,为提高数值模拟的可靠性与准确度提供了更为有效的数值建模方法。     

相对法向力下结构面峰值剪切力学性质研究

法向力的大小对岩体结构面剪切强度有重要影响,然而对法向力大小的划分还没有一个明确的界限。鉴于此,将法向力与单轴抗压强度的比值定义为一个衡量法向力相对大小的系数,应用PFC2D模拟不同粗糙度下相对法向力结构面剪切试验。结果显示,试验结果与三线段剪切强度理论基本吻合;当相对法向力小于0.06时,抗剪强度增长速率最大,随着相对法向力的增大,抗剪强度增长速率快速减小;当相对法向力在0.06～0.5之间时,抗剪强度增长速率的减小趋势变缓;当相对法向力大于0.5时,抗剪强度增长速率基本平稳。基于三线段剪切强度理论,利用中等法向应力下的抗剪强度公式,得到了剪切作用下黏聚力强化指数和爬坡角弱化指数,通过对比不同材料试件的这两个指数的变化趋势,验证了法向力上下限划分的合理性。     

煤体吸附性能对煤体瓦斯放散特性的影响研究

煤体的吸附性能代表了煤体储存瓦斯能的能力,而煤体的放散特性表明了煤体释放瓦斯能的能力,两者均是造成煤与瓦斯突出的必要条件。为了研究煤体的吸附性能与煤体的瓦斯放散特性之间的内在联系,结合现有的实验条件,以煤样的极限吸附量与瓦斯放散初速度的关系为切入点,实验研究了不同吸附性能煤体的瓦斯放散特性变化规律,结果表明,煤体的瓦斯放散初速度ΔP随煤体的吸附常数a值的增大而增大,且二者之间存在一定的线性关系。     

煤体失稳的数值模拟分析

本文用计算煤体的屈曲模态研究了开滦赵各庄矿的煤体失稳现象 ,该失稳模型考虑了煤体的几何非线性和弹塑性两个方面 ,本模型的有限元模拟结果与现场观察相一致     

剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础.首先,通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型,使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为;然后,采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究,分析了法向应力和结构面粗糙度...     

瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究

为深入研究煤体在不同压力条件下吸附瓦斯特性及煤体孔隙结构变化特征,利用核磁共振(NMR)技术对煤体吸附瓦斯进行实验研究。实验结果表明:实验煤样的微小孔峰面积中大孔峰面积裂隙峰面积,表明煤样的微小孔最为发育,煤体孔径以微小孔为主,空隙之间的连通性不强,瓦斯不易流通;随着压力的增加,当瓦斯压力达到一定程度后,煤体会产生新的孔隙,微小孔隙相连通构成了微孔或者中孔,中孔相互连通形成了裂隙,为下一步解吸瓦斯的流通提供了条件,出现瞬时的瓦斯快速解吸;煤样瓦斯吸附解吸特征按照峰值前后分为上升阶段、变化剧烈阶段和基本不变阶段,总体规律上,煤体瓦斯吸附量随着瓦斯压力的增大而增加;在不同的瓦斯压力作用下,核磁共振T_2谱图核磁信号幅度发生显著变化,T_2谱图分布面积与瓦斯压力呈线性关系逐渐增长,即煤体孔隙度随瓦斯压力增加而增加。     

基于CT技术的不同煤体结构煤的孔隙结构分析

为了有效地分析不同煤体结构煤中孔隙结构的变化特征,从实现精细化、无损化和定量化入手,应用μCT225kVFCB型高精度CT试验分析系统,分析了4类煤样(原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和糜棱煤)大孔级孔隙分布特征。通过显微CT切片,结合扫描电子显微镜图像,直观观测了不同煤体结构煤的孔隙类型和显微构造,分析了构造变形对煤孔隙结构的影响规律。结果表明:不同煤体结构煤孔隙直径一般小于5μm,但后期构造应力改变了煤的孔隙结构。与原生结构煤相比,碎裂煤阶段遭受脆性破裂,形成大量外生孔和微裂隙,面孔隙率和平均孔径最大;糜棱煤阶段发生塑性流变,糜棱质发育,充填孔隙,面孔隙率和平均孔径最小。     

PPGF-灰岩胶结面剪切力学特性试验研究

为探究浆液—裂隙胶结面的剪切开裂破坏规律与力学响应机制,以新型石墨烯基注浆材料PPGF为研究对象,开展了不同石墨烯掺量、不同裂隙粗糙度以及不同法向载荷条件下的PPGF-灰岩胶结体直剪试验,得到了石墨烯、裂隙粗糙度与法向载荷对胶结面开裂、剪切应力与法向位移的影响规律。结果表明:随石墨烯掺量的增加,最大剪切应力呈先增大再减小的变化规律,并且掺量为0.036%时增幅最大。当胶结面的剪切破坏以爬坡滑移为主导时,石墨烯与法向载荷对剪胀位移的影响较小,当剪切破坏以剪断滑动为主导时,石墨烯和法向载荷对剪胀位移影响较大。石墨烯可以增加PPGF的黏结强度,延缓胶结面开裂。开裂剪切位移随粗糙度的增大而增大,随法向载荷的增加而减小。     

充填体—边界介质组合体剪切力学特性与参数分析

充填体—边界介质组合体接触面的剪切力学特性与参数是研究充填采场应力分布与充填体揭露稳定性评价的基础数据。通过室内直剪试验与RFPA^3D数值模拟试验联合手段,对3种灰砂配比(1∶4、1∶8和1∶20)、4种接触面法向应力(50 k Pa、100 k Pa、150 k Pa和200 k Pa)的充填体—边界介质组合体(充填体—围岩、充填体—矿体、胶结充填体—非胶结充填体)的剪切力学特性与声发射特征、黏聚力和内摩擦角参数变化规律进行了分析。结果表明:随灰砂配比降低,充填体—围岩组合体峰值剪切强度减少,破坏模式由脆性变为延性,破坏形态由颗粒粘连、块状粘连到凸起体尖端被剪断。灰砂配比1∶4组合体发生破坏时剪切应力垂直下降,振铃计数率突然骤增,其他阶段振铃计数率相对较小。灰砂配比1∶8和1∶20组合体从裂隙压密到破坏阶段,声发射振铃计数率密集,剪切过程中有明显剪胀变形;充填体—边界介质组合体接触面的峰值剪切强度随法向应力、灰砂配比降低而减少。胶结充填体—围岩接触面峰值剪切强度略小于胶结充填体—矿体强度,胶结—非胶结充填体组合体峰值强度远小于胶结充填体—矿岩组合体,接近非胶结充...     

矸石集料承载力学特性模拟研究

为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律,采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置,开展了不同矸石粒径（0～5,5～10,10～15,15～20,20～25,25～30 mm）、轴向应力（2.5,5.0,7.5,10.0 MPa）、加载速率（0.05,0.10,0.50,1.00 mm/s）影响下破碎矸石集料压实试验,研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响;基于PFC^3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型,探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律,揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明：矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段,随着轴向应力逐渐增大,矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙,颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触;不同加载速率下,矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布,轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系;相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎,矸石颗粒克服变形消耗摩擦能,有利于强化整体的摩擦效应;矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长,覆...     

卸载煤体渗透特性及微观结构应力效应研究

针对加载、卸载作用下煤体变形及渗透机制的复杂性,利用渗透-力学耦合特性测定仪,根据瞬态脉冲原理,在40℃下,研究了不同卸载状态时CH4在煤体中的渗透行为,并就卸载前后煤样红外光谱和透射电镜结果进行对比分析,从微观角度讨论了加卸载对渗透特性的影响及引起煤体微观结构的应力效应.研究结果表明:带围压试验的煤样渗透率均较低,卸载到设定值后渗透率增高,且有效围压越大,渗透率变化越大;在微观上,煤样的有效围压越大,红外光谱特征参数I2值越高,脂肪链变长且易断裂和脱落,裂隙结构面活性增强,煤体颗粒易于损伤而破裂,并呈现出颗粒多碎性和强度弱化区,对煤体微裂纹的萌生、扩展直至形成宏观裂纹起加剧作用,卸载后煤体渗透率增大.     

不同角度下板岩层面剪切力学特性试验研究

岩体层面对岩体的剪切力学性能具有非常重要的影响。以贵州某矿山层状板岩为对象,开展了不同角度下的层面剪切力学实验,得到了该矿山板岩层面的剪切力学参数和力学性能,结果显示:剪切角度越大,层面发生破坏时对应的剪切应力和压应力越大,层面的剪切力学性能越好;不同角度下岩体层面剪切破坏面总体较为光滑,但角度较小时破坏面有突变产生,剪切角度较大时破坏面呈S形。     

采用预制结构面试件模拟含天然结构面辉绿岩的实验*

含天然结构面岩体不易加工形成各个角度岩石实验试件,为研究预制结构面试件实验能否代替含天然结构面试件实验效果,基于声发射监测的预制结构面单轴压缩实验与含天然结构面试件实验结果比较。研究结果表明：①通过应力—应变分析,含预制结构面试件与含天然结构面试件力学特性基本一致,含结构面试件强度大小依次为纵向结构面试件、横向结构面试件、斜向结构面试件、斜三角结构面试件;②通过破坏模式分析,含预制结构面试件与含天然结构面试件破坏模式大致相同,两者相同角度的试件破坏形态大致相同;③含预制结构面实验试件与含天然结构面实验试件声发射信号基本相近;声发射撞击率和能量累积变化趋势基本一致;④通过含预制结构面与含天然结构面试件比较,两者力学特性、破坏模式和声发射信号变化趋势基本一致,能够通过预制结构面模拟天然结构面各向异性。关键词预制结构面天然结构面力学特性声发射DOI：10.3969/j.issn.1674 6082.2020.12.021     

层状结构面对巷道稳定性影响的数值模拟分析

从岩石为非均匀性材料的认识出发,引入细观层次的微元体,采用损伤力学和统计理论的单元本构模型, 利用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,对具有不同倾角层状软弱结构面岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移和应力变化以及隧道的安全储备进行了分析。对于进一步深入理解具有软弱结构面中隧道破坏失稳机理并采取有效的加固措施等具有重要的理论和实践意义。     

寿阳区块煤层气井产粉特征与煤体结构相关性研究

针对沁水盆地寿阳区块煤层气井产粉严重的问题,连续采集井口煤粉溶液样品,在实验室测试获取了煤粉浓度、煤粉粒径和煤粉形态等煤粉产出特征。通过测井曲线和构造曲率判识了煤体结构特征,利用数据描述分析和Pearson相关系数计算方法定量分析了产粉特征与煤体结构相关性。研究成果为寿阳区块煤层气产粉规律研究和控粉措施提供了实验数据和理论指导。     

基于粗糙度的煤体表面接触角数值模拟研究

煤尘是煤矿的七大灾害之一,它不仅影响作业人员的身心健康,还能致使发生煤尘爆炸。煤的润湿效果对除尘有很大的影响,已有研究表明煤的润湿效果与煤的润湿性、表面粗糙度和表面活性剂等有关。为了有效地解决井下煤尘问题,选取了亲水性的哈密褐煤、疏水性的安阳焦煤和弱亲水性的赵固二矿无烟煤作为研究对象,使用光学接触角形貌联用仪测量3种煤样的均方粗糙度,测定3种煤样的本征接触角,利用COMSOL数值软件构建二维物理模型,设置模拟条件,调整模拟参数,分析对比试验值和模拟值,验证COMSOL数值模拟的可行性,研究了煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响。结果表明：数值模拟的液滴铺展过程、液滴铺展速度及液滴铺展形态和试验情况类似,但模拟接触角值比试验接触角值大;随着煤体表面粗糙度的增加,褐煤接触角从60.7°降低到50.9°,变化范围在10°左右,焦煤接触角从96.5°增加到112.7°,变化范围在16°左右,无烟煤接触角从89.7°降低到78.3°,变化范围在11°左右;同种表面活性剂对3种煤样接触角的模拟值和试验值具有相同的变化趋势,但模拟值比试验值大。采用数值模拟的方法,研究煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的...