级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

不同加载速率下破碎岩石承压变形特性研究

为了研究破碎岩石在不同加载速率条件下的承压变形,以特定粒径的破碎岩石为试验对象,考虑破碎岩石在地下的受力情况及粒径分布特征,对破碎岩样采取改变加载速率的方式进行试验.试验结果表明:破碎岩样在不同加载速度下达到峰值压力的时间与加载速率呈现负相关关系,加载速率为5 mm/min时达到峰值压力需要的时间最短,只需300 s,...     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

承压状态下破碎砂岩气体渗透率试验研究

考虑破碎岩体中气体渗流的非达西效应,依据气体渗流的非线性动力学方程,推导了破碎岩体中的一维稳态气体渗流的压力场分布规律,即沿着渗流方向,气体压力的平方呈线性下降。结合气体渗流试验数据,计算了不同粒径、荷载条件下的破碎砂岩气体渗透率。结果表明:岩石破碎程度越高,其对气体的传输能力就越弱,气体渗透率越低。     

岩石破碎体的粒度分布与分形

本文系统研究了分形破碎体的筛上、筛下分布规律及其与一些典型粒度公式的关系，讨论了它们的理论基础和破碎机理。证明，仅在尺度范围足够宽，且D＜3时，分形分布才与指数α＜3的G-S分布一致；D＞3时符合筛上幂律分布；分形分布不可能与指数分布一致。Welbull分布，对数正态分布等仅在特殊情况下与分形分布一致。分形方法更好地反映了破碎的本质。分析结果表明，矿山岩石破碎体，包括天然砂，基本上符合分形规律。     

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。     

承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究

为研究承压破碎煤体渗透特性参数演化规律,利用自主设计的承压破碎遗煤渗透率演化实验装置,开展了不同粒径配比煤样在不同轴压下的渗透率演化实验。实验结果表明:(1)在相同应力作用下,随着煤样粒径的增大,其渗透率逐渐变小,且较大粒径范围煤样的渗透率较小;在应力增加量相同的条件下,随着煤样粒径的增大,其渗透率的变化率越大,且混合粒径范围较大煤样渗透率的变化率均高于单一粒径或粒径范围小的煤样的变化率。(2)在较低孔隙压力范围内,煤样的渗透率均随孔隙压力的增大呈现出降低趋势,且存在一个轴压的临界值(9 MPa左右)。当轴压小于该临界值时,随着孔隙压力的增加,煤样渗透率的变化趋势更明显;而当轴压大于该临界值时,煤样渗透率的变化趋势较为平缓。(3)加载初期,随着孔隙率的减小,渗透率近似线性下降;当轴压达到9~12 MPa时,渗透率随孔隙率的下降较为平缓;继续增加轴压,渗透率随孔隙率的减小而急剧降低。     

基于CT扫描的饱和破碎灰岩侧限压缩下微观结构演化特征

为探求破碎岩体在压实过程中微观结构的演化规律,对饱和破碎灰岩进行侧向受限压缩试验,进行了试样内部微观结构形态的显微CT扫描;定量描述了压实过程中灰岩颗粒的破碎程度,分析了孔隙度与颗粒平均粒径之间的关系;基于图像处理技术,定量分析了颗粒表面形貌的演化规律。试验结果表明：在饱和破碎灰岩压实过程中,颗粒破碎现象普遍存在,试样内部孔隙被压缩或充填,孔隙间连通性变弱。颗粒的初始配比影响试样孔隙度,相同轴向应力下,随着Talbot指数的增大,试样孔隙度单调增大。孔隙度与颗粒平均粒径之间满足线性关系,孔隙度的变化可以作为描述颗粒破碎程度的一个有效参量。随着轴向应力的增大,颗粒的圆形度单调减小,颗粒表面形貌越来越规则,圆形度与轴向应力之间满足指数关系。该研究有助于深入了解破碎岩体的变形机制。     

破碎后微小煤颗粒分布与破碎功关系实验研究

对突出/非突出原煤在不同条件下进行破碎实验,将碎煤分筛后分析粒级分布规律及比表面积与破碎比功之间关系。实验表明:0.075 mm煤颗粒所占质量比不多,却占有相当大的表面积;突出煤0.075 mm颗粒筛上质量分布服从Gauss分布而非突出煤服从正态分布;在相同块度前提下,比表面积随能量增加而增加;当时间相同能量时,突出煤的比表面积是非突出煤的1~2倍;新增表面积随能量增加呈指数增长,增加的速率却随能量增加而减小。揭示煤材料破碎后粒径分布规律与破碎功之间关系,为煤瓦斯突出过程中能量耗散分析提供实验依据。     

矿石颗粒破碎特征的影响因素研究

矿石破碎所消耗的能量是矿山企业能源消耗的主要方向,为了寻求有效的节能方法,探讨了颗粒破碎特征的主要影响因素,系统阐述了粒度、孔隙度和矿物组成对矿石颗粒力学性质的影响。结果表明,粒度较大的矿石颗粒内部的孔隙密度大,强度相对较低;预弱化能使矿石内部出现微裂缝,增加矿石的破碎程度;石英和斜长石是硬度较高的矿物,但它们含量在临界值以下时,对矿石破碎的影响不明显。     

岩石破碎块度特性及计算方法

块度分布是衡量岩石破碎产物破碎程度的重要标志，本文分析了两种不同破碎条件下岩石破碎产物分布函数的计算方法。     

冲击载荷作用下层状岩石破碎能耗及块度特征

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对0°,22. 5°,45°,67. 5°和90°五种不同层理倾角的层状岩石进行了不同冲击速度下的动态压缩试验,对破碎后的试样碎屑进行筛分,对比分析了层状岩石动态破坏时的块度分布特征;探讨了不同入射能对层状岩石反射能、透射能、耗散能密度和块度分布的影响。结果表明:对同一层理倾角试样,随着冲击速度增大,块度平均粒径逐渐减小,破碎程度逐渐增大;相同冲击速度下层理倾角为67. 5°的试样破碎程度最大,0°试样破碎程度最小。分形维数可以很好的量化表征破碎块度分布特征,破碎块度越小,分形维数越大。相同入射能时,90°试样耗散能密度最大,0°或22. 5°耗散能密度较小,表明高倾角试样能量利用率高,0°或22. 5°的利用率较低。层理倾角为45. 0°,67. 5°和90. 0°的试样在入射能相同时反射能较大,层理倾角为0°,22. 5°的试样透射能较大,表明大倾角下无用功大多以反射波形式耗散,低倾角下无用功大多以透射波形式耗散;反射能、透射能与耗散能密度随入射能增大而增加;分形维数随耗散能密度增大而增大。高倾角时随能耗增大,试样破碎程度越剧烈;低倾角随耗散能密度增大,试样破碎趋势变化较小,产生新裂纹与破裂面所需能量较多。在实际工程中,选择45°～67. 5°倾角的动态加载角度,不仅岩石强度较低,岩石破碎程度高,且能量利用率较高。     

承压破碎煤体空隙结构演化及渗流特征

为探究破碎煤岩体承压过程中其内部空隙结构演化规律及气体渗流特性，自主研发了破碎煤岩体压实-CT扫描装置，以5～10 mm破碎无烟煤为例，借助CT扫描、图像处理及三维重构等技术，建立了3种应力下的破碎无烟煤空隙网路模型，并在此基础上开展了数值模拟研究。研究结果表明：应力对承压破碎无烟煤空隙尺寸和连通性具有显著影响，空隙体积、孔喉横截面积和平均配位数呈现出随应力的增大而减少的趋势，空隙空间的连通性降低；破碎无烟煤的空隙率和绝对渗透率都随着应力的增加而减小，应力从0达到23.24 MPa时，绝对渗透率减少了1个数量级；由于空隙结构的差异性，气体在破碎无烟煤中的流动存在高流速区和低流速区，高流速区多存在于渗流通道由大变小的区域。研究结果能够为破碎煤岩体中煤层气的高效抽采提供理论参考。     

岩石断裂及爆破破碎过程

矿物晶体颗粒使岩石断裂路径产生分形，而爆破裂缝宏观扩展速度及爆破块度分布又决定爆破破碎时间。运用分形理论，研究了岩石孔隙率对断裂速度的影响，分析岩石爆破的破碎过程，建立了岩石爆破破碎时间的计算方法。     

颗粒粒径对采空区破碎煤体压实破碎特征影响机制

煤矿采空区垮落带一般由破碎煤岩体组成,在垮落带压实过程中,破碎煤岩体的破碎特征直接影响着垮落带的物理力学性质及孔隙渗流特征。为了研究不同粒径破碎煤样压实过程中的破碎特征及其影响机制,构建了基于曲率半径与接触应力的颗粒材料屈服准则,进行了不同粒径破碎煤样的实验室压实试验与三维数值模拟研究。颗粒破碎准则表明影响颗粒破碎的主要参数为接触颗粒尺寸和接触颗粒的材料参数。得出垮落带相同压实应力条件下,破碎煤岩体尺寸越大,破碎煤岩体之间的接触应力越小。在实验颗粒粒径范围内,加载至相同应力状态下,颗粒粒径越大越不容易破碎,根据加载前后的级配数计算获得的破碎率越小。进而提出颗粒配位数(颗粒接触数)是加载过程中粒径对破碎率影响的主要原因。拥有较少配位数的小颗粒在传递相同应力的时候具有更大的偏应力进而导致相对于多配位数颗粒更容易破碎。加载过程中的量化模拟结果表明在初始粒径颗粒全部破碎时,3种粒径颗粒(10,15以及20 mm)中数量大于100子颗粒的占比分别为6.7%,24.6%,31.5%。随着破碎煤样的加载,不同粒径煤样最大颗粒对应的配位数不断增加,使得破碎煤样能够承受的应力远超过其自身强度。在颗粒配位...     

初始侧压作用下破碎岩石压实特性试验研究

在实验室通过自制可变初始侧压作用下煤岩压实承载实验装置配合刚性试验机,对4组12个碎石试件进行了4种不同初始侧压作用下破碎岩石压缩承载试验,分析了初始侧压作用下碎石压缩的轴向应力-应变特征,确定了初始侧压与碎石的变形、压实关系,研究了变化侧压与不同初始侧压下碎石轴向应变发展规律。结果表明:初始侧压越大,碎石应力-应变曲线上挠趋势越明显,且曲线越趋光滑,表明碎石颗粒间空隙越小、棱角越趋圆钝及碎石承载载荷越大;随着初始侧压增加,碎石轴向应变与横向应变呈加速减小趋势,不同初始侧压下轴向应变比与横向应变比分别是1.74∶1.65∶1.39∶1与2.51∶2.23∶1.72∶1;碎石初始侧压越大,碎石压实系数越小,碎石初始侧压与压实系数关系可用二次多项式表征;随着轴向应变增加,变化侧压呈增加趋势,初始侧压越大,曲线斜率越小,轴向应变与变化侧压呈线性正相关;初始侧压越大,碎石变化侧压越小,且初始侧压与变化侧压仍可采用二次多项式表征,合理初始侧压有利于碎石承载稳定。     

旋切作用下岩石破碎机理及岩石可钻性的试验研究

为揭示钻头旋切作用下岩石破碎机理,开展地层岩石可钻性分布识别研究。基于自制的岩石旋转切割装置,分别对花岗岩、大理岩和石灰岩的标准岩样进行不同加载压力和旋转速度下的室内岩石旋切破碎试验,通过旋转切割装置中的钻进监测系统和高速摄像机分别记录岩石旋切破碎过程中钻进参数变化(加载压力、旋转速度和旋切扭矩)和岩石旋切破碎表象特征,并统计不同钻进条件下的破碎岩屑质量和尺寸分布等参数分析岩石旋切破碎控制因素。试验结果表明：岩石旋切破碎过程中,钻头在贯入和切割共同作用下呈螺旋线型侵入岩石内部并导致岩石分别发生贯入破碎、剪切破碎和拉伸破碎,其中部分大尺寸岩屑因吸收的切割破碎能较大而发生崩裂,但大部分破碎岩屑堆积在钻头切割路径内,增加了切割摩擦能;加载压力是岩石旋切破碎程度的主要影响因素,在相同加载压力下,破碎岩屑质量和尺寸分布分别受岩石抗压强度和抗拉强度影响;旋切扭矩与加载压力呈正线性关系,且岩石耐磨性和切割比能越高,该线性斜率也越高,而钻头旋转速度不影响该线性斜率变化。据此提出了不受钻进条件影响且仅与岩体固有属性(岩石固有切割比能和岩石摩擦因数)相关的岩石可钻性理论评价模型,并通过已有文献原位钻进数据...     

不同类型煤颗粒侧限压缩变形破碎特性试验研究

煤与瓦斯突出等动力灾害严重制约了矿井的安全生产,不同类型煤颗粒在加载破碎特征反应了煤体结构、力学特性以及能量存储行为对煤与瓦斯突出灾害研究具有重要的意义,但目前缺少煤颗粒的破碎特性研究.研究选取了原煤和构造煤颗粒,开展了不同粒径级配和应力条件下的侧限加载试验研究.结果表明,加载过程依次分为滑移阶段、破碎阶段和压固阶段....