含裂隙煤体能量耗散特征与冲击倾向性研究

冲击倾向性是煤岩体能否发生冲击地压的自然属性，裂隙的分布对其有重要影响。为研究煤体原始裂隙对能量耗散特征和冲击倾向性的影响机制，采用PFC2D数值模拟方法，对不同裂隙类型的煤体试件进行了单轴压缩测试。研究表明：(1)随着裂隙倾角的增大，宏观力学参数抗压强度和弹性模量均表现为先减小后增大的趋势；当裂隙倾角为30°时，两者都取得最小值。不同裂隙类型宏观力学参数大小关系为：非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。(2)弹性应变能和总应变能的变化规律与宏观力学参数相似。平行非共面的裂隙试件在裂隙之间形成了能量耗散结构，共面断续双裂隙试件裂隙之间形成了能量集中区，揭示了不同裂隙类型弹性能量大小关系的内在原因。(3)从煤岩体储存弹性能的能力和破坏后释放弹性能的能力2个角度对冲击倾向性进行分析，提出了弹性能储存率和弹性能释放率2个冲击倾向性指标。(4)随着裂隙倾角的增大，弹性能储存率和弹性能释放率均表现为先减小后增大的趋势；当裂隙倾角为30°时，两冲击倾向性指标都取得最小值。不同裂隙类型冲击倾向性大小关系为：非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。...     

不同裂隙角度岩石相似试样力学特性及声发射特性研究

为了研究岩石相似材料在不同倾角预制裂隙影响下的力学特性的变化规律,利用河沙、水泥、石膏等材料制作岩石相似试样,并对制作成功的岩石相似试样制作不同角度的裂隙,最终对含不同倾角的试样进行单轴压缩试验,研究其力学特性的变化规律。研究得到含有预制裂隙试样的峰值强度随裂隙倾角的增大呈对数关系增长;同时其峰值应变随裂隙倾角的增大呈指数关系增长;含预制裂隙试样的AE事件累计数及能量强度大致变化趋势相近,可分为压实萌生阶段、弹性稳定增长阶段、破坏剧烈增长阶段;AE事件累计数随着预制裂隙倾角的增大不断增大,能量强度也随着预制裂隙倾角的增大不断增大。     

预制裂隙煤样损伤破坏力学及声发射特征分析

为研究裂隙倾角对煤样损伤破坏力学机制及声发射特征的影响,应用电液伺服岩石三轴实验机与AE21C声发射仪对不同倾角预制裂隙煤样进行了单轴压缩声发射试验。试验结果表明:煤样破坏时表面裂纹分布特征具有明显的不同,从完整试样的劈裂破坏演变为从预制裂隙末端开始顺着岩桥扩展直至形成贯通裂纹;预制裂隙对煤样峰值强度有明显的影响,不同倾角预制裂隙煤样其峰值强度随着裂隙倾角的增加呈现出先降低再增加的趋势;完整煤样的声发射事件在压密阶段和弹性阶段前期都比较平静,在弹性阶段末期发展较快,而预制裂隙煤样在弹性阶段前期或中期就产生明显的声发射现象,并且预制裂隙煤样总体的声发射现象相比完整煤样更密集,同时,还呈现出随着裂隙倾角增加其声发射逐渐密集的现象。     

尺寸效应对煤层冲击倾向性测试结果的影响

为研究岩石尺寸效应对冲击倾向性测试结果的影响,进行了高径比相同,直径区间为25~75mm的细砂岩试件的单轴抗压强度试验和颗粒流模拟分析。试验结果表明:小尺寸试件抗压强度较低,声发射产生时间较早、数量较多,峰前积聚能量较小;峰后为塑性失稳、劈裂破坏,能量释放速度较慢,冲击能量指数较小,冲击倾向性较弱;大尺寸试件抗压强度较高,声发射事件数量较少,并且主要集中在极限载荷附近,峰前积聚能量较大,峰后为脆性失稳、剪切破坏,能量迅速释放,冲击能量指数较大,有较强的冲击倾向性;得到了不同尺寸试件的冲击能量指数修正系数,减小了尺寸效应对冲击倾向性测试结果的影响。     

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生"翼形裂纹",预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。     

加载速率与裂隙倾角复合作用下类岩材料破断试验及声发射特征分析

通过对含0.1mm预制裂隙的类岩材料进行静态到准静态的不同加载速率单轴压缩试验,分析加载速率与裂隙倾角复合影响的裂隙体类岩石材料破断规律。基于声发射测试技术,分析加载速率和裂隙倾角复合作用下,含预置裂隙类岩材料起裂强度变化规律及岩体破裂全程动态频域变化特征。试验结果表明:类岩试件的峰值强度受预置裂隙倾角和加载速率共同影响,相同加载速率条件下,含预制裂隙类岩石试件的劣化系数随裂纹倾角增大呈现先增大后减小的趋势,裂隙倾角为45°时,劣化系数最大,倾角为90°时,劣化系数最小;不同加载速率下,裂隙体劣化系数随加载速率的增大而减小。声发射测试数据表明,依据声发射特征参数分析岩石破裂全过程是可靠的,且在峰值强度过后,仍然有大量的声发射事件产生;通过能量率分析,可得到类岩试件的起裂强度,进而得到裂隙体起裂应力水平,得出起裂应力水平与预制裂隙倾角、加载速率的回归方程。     

岩石劈裂实验声发射的特性研究

对云南南坡铜矿三种砂岩进行了巴西劈裂和单轴压缩条件下的声发射特性试验。结果表明,不同种类岩石的声发射特性差别较大。劈裂条件下,三种岩石试件的抗拉强度之比为1∶0.82∶0.52;累计AE事件数之比为1∶0.61∶0.80;累计能量之比为1∶0.52∶0.87。尤其是层理明显的第一组和第二组岩石,压缩条件下,沿垂直层理方向加载的声发射活动要比沿平行层理方向加载时强的多;劈裂条件下,沿垂直层理方向加载时的累计声发射数比沿平行层理方向加载时多,而累计能量的结果正好相反。同时压缩条件下的累计声发射数和累计能量远大于劈裂条件下的情况。多数劈裂试件在垂直层理加载时,破坏前有一段声发射活动和能量相对较少的平静期;但平行层理加载时并不明显。     

不同冲击倾向性煤体声发射能量特征与时空演化规律研究

为了弄清声发射与冲击倾向性的关联性,对具有强、弱和无冲击倾向性的煤体开展单轴压缩下的声发射试验,分析了煤体的声发射能量特征与定位事件的时空演化规律。结果表明:强冲击倾向性煤体在受载前期和中期,声发射能率与总能量数均很低,临近峰值强度时开始急剧增长;弱、无冲击倾向性煤体声发射能量在整个阶段表现较活跃,尤其在受载的中后期,呈阶梯式逐步增长趋势;不同冲击倾向性煤体均在临近破坏时出现大量高能量声发射信号。声发射能率和总能量数趋于活跃可作为煤体破坏的前兆信息,随着冲击倾向性的增强,声发射能量趋于活跃越滞后。声发射空间定位演化结果直观反映了煤体内部声发射源位置与破裂发展状况,其空间分布与聚集位置可对应于煤体内部应力集中与宏观破坏区域;随着煤体冲击倾向性的增强、受载应力水平的增大,声发射定位事件数量逐步增加,临近峰值强度时,声发射定位事件急剧增长。声发射总能量数、定位事件数与冲击倾向性呈正相关关系,从一定程度上揭示了煤体积聚和释放弹性能的能力。     

不同单一裂隙倾角对岩体破坏特征的影响

为了探求不同裂隙倾角对岩体破坏特征的影响,针对相似模拟试件进行室内试验。通过试验研究了单轴压缩含有裂隙试件的岩石断裂和节理滑动行为。经测试的岩石模型具有与水平倾角为0°、30°、45°、60°、90°的持久单一裂隙。结果表明,在单轴条件压缩下,完整试件的强度高于存在裂隙的试件;预制裂隙倾角影响着裂隙的发育程度,通过试验结果将裂纹发育程度从大到小排列依次为:60°、45°、0°、30°、90°;不同预制裂隙倾角试件的单轴抗压强度曲线近似成倒U型,并且预制裂隙的倾角在30°与45°之间存在着对试件强度影响最大的角度。     

不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂...     

非共面断续裂隙类岩石试件破断试验与分析

为了探讨不同数目、不同倾角下非共面断续裂隙岩石的力学特性和裂纹演化规律,采用RMT-150岩石力学加载试验机单轴压缩含预制裂隙的类岩石试件。结果显示:当主裂隙水平时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小再增大;当主裂隙倾斜时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小;次裂隙倾角为30°、45°和60°时,第二条次裂隙的存在对试件承载力有一定的强化作用,三裂隙试件峰值强度比双裂隙试件峰值强度大;水平裂隙裂纹萌生的位置不在裂隙尖端且具体位置受次裂隙的影响;预制裂隙出现相互贯通,主要贯通模式为拉贯通和拉剪混合贯通,破坏模式主要为对角剪切破坏;运用PFC2D数值分析软件进行模拟试验,数值模型的破坏模式与室内加载下的试样破坏情况基本一致,模拟试验较好地反映了试样受压后裂隙的裂纹演化过程。     

单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究

利用岩石力学试验机和PAC声发射信号采集系统对冲击倾向性煤样进行了单轴压缩声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能率及b值的动态变化特征。试验结果表明,冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样的声发射能率活跃点分别为峰值应力的90%和50%,声发射能率特征体现了冲击倾向性的本质,煤样破坏前声发射b值可以作为冲击倾向性煤样失稳破坏的前兆信息。     

煤应变型冲击破坏尺寸效应声发射特征试验研究

为探究煤冲击破坏过程中的尺寸效应现象,采用自主研发的煤岩冲击破坏试验装置对5种不同尺寸的方形试样开展单轴压缩试验,并重点监测其声发射特征。研究表明：煤的弹性模量随边长尺寸的增加而增加,抗压强度及峰值应变随尺寸的增加而减小,尺寸较大的试样,在整体冲击破坏发生前会有局部小型冲击破坏的发生;随着边长尺寸的增加,声发射总振铃计数增长速度加快,声发射信号大能量更多在临近破坏阶段,但尺寸增加到300 mm时,声发射能量尺寸效应不明显。大尺寸试样的声发射b值会因为局部冲击而产生突降;声发射定位信号反映了试样破坏方式,随着边长尺寸的变大,声发射定位信号愈加分散,试样破坏方式由剪切破坏为主转为张拉破坏为主。     

不同角度预制裂隙条件下加锚煤岩体单轴压缩试验

为了研究加锚煤岩材料在不同倾角预制裂隙影响下的力学特性的变化规律,以胡底煤矿的煤岩作为研究对象,对含不同裂隙倾角的试样进行单轴压缩试验,分析研究完整煤岩和裂隙角度分别为0°、30°、45°、60°和90°的煤岩体,及其加锚后试件破坏演化规律及差异,对不同裂隙角度锚固体力学机制进行探讨.试验得出:含裂隙煤岩在裂隙角度为3...     

模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究

为研究模量指数评价煤的冲击倾向性的可行性,选取4组冲击倾向性强弱不同的煤样试件,测定各组煤样试件的模量指数、冲击倾向性评价指标和声发射信号,分析模量指数同其它冲击倾向性评价指标和评价结果的相关性,模量指数对煤加载过程中内部能量释放特征的影响。研究结果表明:模量指数同其它冲击倾向性评价指标具有相关性,同单轴抗压强度之间的相关性最强;各组冲击倾向性相同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围较小。各组冲击倾向性不同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围很大。煤样模量指数的大小和煤的冲击倾向性强弱相关,煤的冲击倾向性越强,模量指数越大。依据模量指数评价煤的冲击倾向性的结果,同其它评价指标的评价结果具有一致性;不同冲击倾向性煤样的软化模量是决定煤的模量指数大小的关键因素,弹性模量对模量指数大小的影响较小;煤样内部能量的释放特征和模量指数的大小相关。模量指数小的煤样在全程加载过程中声发射事件频繁出现,模量指数大的煤样在破坏前后阶段没有明显的声发射事件出现,但在临近载荷曲线峰值的冲击破坏阶段集中出现高能量的声发射事件。模量指数可用于评价煤的冲击倾向性,模量指数对煤样能量释放的影响规律可用于指导现场监测。     

尺寸效应对煤体冲击倾向性的影响研究

不同尺度煤体冲击倾向性研究对于厘清煤炭地下开采过程中冲击地压尺寸效应形成机制起着关键作用。为探明煤体冲击倾向性尺寸效应,对不同尺寸煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明：与标准(φ50 mm×100 mm)煤试件相比,小尺寸(φ25 mm×50 mm)煤试件的平均单轴抗压强度增加了8.02%,弹性模量增加了23.16%;大尺寸(φ75 mm×150 mm)煤试件的平均单轴抗压强度降低了11.03%,弹性模量降低了7.37%。随着煤试件尺寸的增加,声发射累积事件总数不断降低,临近破坏时煤试件表面位移场趋于无序变化。经CT扫描煤体试件内部微裂隙分形维数随其尺寸扩大不断增加,表明较大尺寸煤试件内部裂纹数量增多且空间分布更加复杂,这直接导致煤体呈现出尺寸效应特征。煤体试件尺寸从φ25 mm×50 mm增加至φ75 mm×150 mm,其剩余弹性能指数CEF由26.53 kJ/m3降低为21.36 kJ/m3,这表明尺寸效应将直接影响煤体的冲击倾向性,同种煤体的尺寸越大,其冲击倾向性越小。     

不同形态下红砂岩力学特性和裂纹断裂特征研究

为探究不同形态下红砂岩的力学特性变化以及裂纹断裂形态的发展,改变红砂岩的含水率以及预制不同倾角的裂隙,在单轴压缩条件下研究其抗压强度的变化,同时通过图像处理对产生的裂纹进行量化分析,研究不同含水率、不同裂隙倾角、不同裂隙长度情况下试件的裂纹发展特征以及破坏形态。研究表明：单轴压缩下含水率的增加使红砂岩试件抗压强度降低,裂纹形态变复杂;预制裂隙倾角为0时,试件出现了不同于其他裂纹倾角下的特殊裂纹发展形态,裂纹倾角为45°的试件,其抗压强度最低,产生的分支裂纹较少;试件预制裂隙长度越长,其抗压强度越低,裂纹率和崩坏面积系数越小,裂纹增长速率增大。试验所得结论较为全面地记录了不同形态下红砂岩的裂纹发展变化,对红砂岩裂纹发展的进一步研究提供了依据。     

考虑接触面倾角的充填体—围岩组合体能量特征分析

为研究充填体—围岩组合体能量特征,以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概 化出接触面非线性特征下不同接触面倾角的充填体—围岩组合体实验室尺度模型,基于单轴压缩试验对包括 7 个角 度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2 种灰砂比(1 ∶4、1 ∶8)充填体—围岩组合试块的变形、声发射特征和能量耗散特 性进行了系统分析。 结果表明:接触面倾角 0°、15°和 30°时,组合体破坏发生在充填体区域;接触面倾角 45°和 60°时, 组合体破坏发生在充填体和接触面区域,沿接触面有剪切滑移现象;0° ~ 60°组合体破坏过程声发射能率表现为多点 小幅度突增现象,累计能量曲线阶梯状现象明显。 接触面倾角 75°和 90°组合体破坏发生在充填体、接触面和围岩区 域,破坏过程声发射能率表现为“多点突增—持续增大—激增”的变化趋势,幅值数量级高,累计能量曲线平滑。 不同 接触面倾角组合体试块的弹性能和耗散能曲线在应力峰值前变化规律一致,呈非线性增加,耗散能曲线斜率随接触 面倾角增加逐渐减小。 峰后破坏阶段曲线变化规律与组合体破坏形式有关。 能量耗散率曲线呈“先增大,后减小”变 化规律,随接触面倾角变化,峰值个数和出现位置不同。 声发射累计能量和能量耗散率曲线斜率变化特征与组合体 试块破坏过程中裂隙发育、发展、贯通和失稳信息相关性好,可为组合体破裂预测提供有效前兆信息。     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。