剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

不同倾角内蕴裂纹页岩力学特性及破坏过程研究

采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩石非均质性和岩石渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对具有不同倾角预制裂纹的页岩力学特性、破坏模式、损伤特征进行模拟分析与讨论。结果表明,预制裂纹对页岩峰值强度有明显弱化作用,弹性模量降低值与裂纹倾角未呈现明显的线性关系; 预制裂纹倾角15°、30°、60°时,试件主要破坏模式为小变形的拉伸破坏模式; 而倾角45°、75°、90°时,试件以大变形的剪切破坏而失效; 裂纹倾角大于45°时裂纹的扩展类型与效果较好。研究结果对改善页岩的水力压裂效果、失稳破坏具有一定参考意义。     

单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况。为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA^2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式。结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段前波幅增速最大,在随后的弹性加载阶段纵波波速增长速度最快,在发生宏观破坏前纵波波速达到最大;根据裂纹应变模型得到裂纹闭合应力σ_cc约为0.19σ_c;裂纹起裂应力σ_ci约为0.28σ_c;在体应变达到极值时,得到试样的损伤应力,砂岩的损伤应力σ_cd约为0.66σc;由RFPA^2D得到由于拉破坏和压剪破坏产生的声发射数,得到在加载初期岩石微裂纹的产生均为压剪破坏,由于压剪破坏产生的剪切面出现时,拉破坏成为主导因素,并导致裂纹扩展及贯通,最终试样失稳破坏。可见砂岩破坏经历的压密阶段—弹性阶段—裂纹稳定扩展阶段—裂纹加速扩展—峰后...     

基于含组合缺陷砂岩的单轴压缩离散元分析

运用离散元软件PFC2D对含有圆孔裂隙组合缺陷的砂岩进行单轴压缩数值模拟,分析不同裂隙倾角时砂岩的强度特征、破坏特征以及裂纹扩展过程。结果表明:岩石试样破坏经历了裂隙的压密、微裂纹的萌生和扩展及最终的破坏几个阶段;当应力增大到一定程度之后,颗粒之间黏结断裂,微裂纹不断产生、汇集和贯通,最终形成宏观裂纹,使得试样发生失稳破坏。与完整砂岩试样相比,含圆孔裂隙砂岩试样的力学参数均显著降低,且降低幅度与裂隙倾角相关;随着裂隙倾角的不断增大,试样的峰值强度表现为不断增加的特征。     

循环载荷下煤样裂隙演化试验及数值模拟

为了从宏观和细观角度深入研究煤样在循环载荷下的裂隙发育过程,基于声发射监测技术,研究了煤样在循环加、卸载条件的宏观变形及声发射特征,并采用PFC2D数值模拟软件,从细观层面分析了煤样在疲劳损伤过程中的裂隙演化规律;结果显示:循环载荷下煤样单次加、卸载产生的残余变形量经历减小、稳定和增大3个阶段,变形曲线呈"疏-密-疏"的特征;声发射参量表现为降低、稳定和升高阶段,峰值振铃计数呈"U"型,累计能量和撞击计数呈倒"S"型。数值模拟结果看出:循环初期煤样的微裂纹随机分布,中期微裂纹不断积聚,并初步形成剪切破裂带,循环后期主剪切破裂带形成,最终导致煤样破坏,煤样的破坏以剪切破坏为主。     

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。     

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。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

冻融循环作用下腐蚀黄砂岩失稳破坏预警研究

为研究预制裂隙黄砂岩的力学特性和破坏预警，将含2条贯通性平行裂纹的黄砂岩试样在不同冻融循环次数条件下分别经过化学腐蚀处理后进行双轴压缩试验，并采用数字图像相关技术(DIC)和红外热像技术实时监测岩石试样的变形破坏过程。结果表明：黄砂岩试件的强度随冻融循环次数的增加而降低，碱性溶液对冻融循环造成的劣化起到抑制作用；黄砂岩试件的破坏模式主要由翼型裂纹和剪切裂纹构成，翼型裂纹萌生于预制裂隙端部，剪切裂纹在翼型裂纹沿轴向向两端扩展及贯通过程中出现；结合应变局部化带对应裂纹出现的潜在位置与红外辐射温度的前兆异常，可以对岩石的破坏进行预警。     

不同岩性巴西劈裂试验的声发射特征

应用声发射及其定位技术,系统研究了10 种不同岩石的巴西劈裂失稳过程,分析了随应力时间变化其声发射活动规律,并从内部细观结构对其破坏机制进行了分析,得到了顶板岩层不同高度不同岩性的微观破裂机理。结果表明：由于不同岩性岩石内部微观组成存在差异,砂性岩石劈裂抗拉强度和竖直方向的压缩极限应变约为泥性岩石的1.60倍。峰值强度时,砂性岩石的振铃计数和能量远大于泥性岩石,且其振铃计数和能量时间曲线比较均匀,而泥性岩石曲线“阶跃”现象明显;岩性不同,内部初始裂纹的位置也不同,裂纹初始及其扩展方向是诱发岩样裂纹贯通的主要原因。砂性岩石破坏前兆点早于泥性岩石出现,且大部分处于不稳定裂纹扩展阶段(含粗砂细砾岩和砂岩除外);顶板岩石在受拉变形过程中,泥性岩石失稳破坏时更加剧烈和突然,预警时间较短,可能带来安全隐坏,因此必须做好相应的支护措施。     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。     

含孔洞岩样破裂过程研究

岩石是典型的非均匀脆性材料,其内部富含各种缺陷,在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。在实验室内单轴加载条件下,应用声发射监测系统以及应力分析软件（三维岩石破裂过程分析系统,RFPA3D）,研究分析了不同孔洞数目岩石试样破裂机理以及其破裂过程中的行为特征。     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

基于声发射能量值的煤岩试样损伤分析

试样内部微裂纹在压力作用下的萌生、分叉、扩展及贯通,最终导致了试样的破坏。声发射检测系统能实时检测获得试样在变形破坏过程中声发射信号,获得的声发射特征参数也因此包含了煤岩试样变形破坏过程中大量的损伤信息。通过利用试验获得的声发射特征参数对岩石变形破坏过程的损伤进行分析研究,得出岩石的声发射现象与岩石的损伤有密切关系。     

裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性及破坏模式的影响

天然岩体常常包含不连续体，比如孔隙、裂隙、断裂以及其他缺陷等，这些缺陷的存在将导致岩体力学强度产生较大的劣化作用。为了研究不同裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性、裂纹扩展演化及断裂机制的影响，基于室内砂岩力学参数测试结果，借助颗粒流平行黏结模型对预制裂隙试样进行一系列的模拟研究。结果表明：当裂隙倾角恒定时，随着岩桥角度的增加，砂岩峰值应力与峰值应变呈现出先降低后增加的趋势；当岩桥角度恒定时，峰值应力与峰值应变随着裂隙倾角的增加而增加。初始裂纹从预制裂隙尖端萌生，起裂应力水平为 0.68σ _c；累积微裂纹数呈指数函数形式增加；试样破坏形式主要有拉伸破坏、剪切破坏及拉剪混合破坏；岩桥贯通模式主要有间接贯通和直接贯通两类。     

红砂岩变形演化及声发射主频特征实验研究

以声发射系统和数字散斑相关方法作为实验观测手段,开展红砂岩试件变形场演化及声发射主频特征实验研究。通过单轴加载方式,对一种红砂岩试件加载全过程中的变形场演化、声发射主频信息进行分析,研究红砂岩试件变形场演化与声发射主频分布范围、事件率对应关系以及声发射主频的能量特征。研究结果表明:低主频声发射事件在变形局部化启动时刻开始出现且数量不断增加,随着变形局部化带错动速率增大,声发射主频分布范围显著增加;在红砂岩试件变形局部化阶段,低主频声发射事件率与高主频声发射事件率的量值接近,但量值较小;在应力峰值点处,低主频声发射事件率远大于高主频声发射事件率;在界面滑动阶段,高、低主频声发射事件率量值均较大;红砂岩试件变形破坏过程中,高能量声发射事件主要分布在低主频范围内,低能量声发射事件在高、低主频范围内均有分布。