试件瞬间卸载动力响应试验及突变理论研究

为了研究煤岩体在瞬间卸载下的动力响应,采用相似材料制成立方体试件,利用自行设计的试验装置开展瞬间卸载试验研究,并通过试验和突变理论对试件变形和破坏机理进行分析。结果表明:试件瞬间卸载是一个复杂的非线性过程,在一定围压条件下卸载,试件会突然破坏;低应力状态下,竖向应力与横向应力有一定线性关系,竖向应力越大,试件破坏越严重,非线性特征越明显;针对不同加载级试件内部积聚的能量不同,试件会发生不同程度的破坏,且试件瞬间卸载破坏的竖向临界应力为12.6 MPa;由于试验过程具有非线性、非连续的特征,运用突变理论对试验机理进行分析,得出其破坏的竖向临界应力,约为13.27 MPa,高于该值时将出现较强破坏现象,其结果与瞬间卸载试验结果相比较为吻合。     

卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律

为研究卸围压条件下花岗岩强度特性和三维裂隙演化规律,对花岗岩开展了常规三轴压缩、卸围压-加轴压和分级卸围压-加轴压循环加卸载3种不同应力路径力学试验,获得对应的轴、径向应力-应变曲线;采用CT扫描三维重构技术获得岩石卸围压过程中和破坏后内部裂隙分布三维图像.结果表明:相对于常规三轴压缩试验,试件在卸荷条件下脆性破坏特征更加显著,分级卸围压-加轴压循环加卸载会增大花岗岩的峰后延性,降低破坏轴压和破坏剧烈程度;两种卸围压方案都会使花岗岩的承载能力降低30%左右;卸荷作用下花岗岩宏观破裂为拉剪组合状,拉剪过渡不明显,表观裂隙是内部裂隙向外扩展的结果;花岗岩在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少,大量裂隙在峰后产生,破裂具有突发性和瞬时性,围压较低时宏观裂隙首先在试件边缘产生,围压较高时宏观裂隙首先在试件中部产生.     

煤岩体岩爆模拟试验中声发射时频演化规律分析

为了研究深部煤炭开采过程中煤岩体岩爆破坏过程声发射随应力演化的特性,对鹤岗矿区南山煤矿软岩巷道的煤岩体进行真三轴卸载岩爆试验,实时记录三向应力演化过程,并采集试验过程中的声发射信号进行参数和波形时频分析。结果表明:南山矿煤岩体岩爆临界破坏强度为17.8 MPa,是其单轴破坏强度的1.19倍,声发射累计释放能量达到(1.83E+5)mv·ms。采用快速傅里叶变换,对选取的加载和卸载岩爆典型阶段声发射数据进行波形分析,得到频率-幅值密度分布。发现加载阶段破裂源相似,产生的信号特征较为接近,都是低幅值、低频率的,而煤爆时产生高频、高幅和低频、高幅多种成分的破裂源,预示着能量在不断地加大。     

基于高速摄影的单预制裂纹大理岩加卸载试验

为了研究裂纹缺陷对岩石材料强度、变形特性以及断口走向的影响,以大理岩中预制45°单裂纹试件的单轴、双轴加载以及卸载试验为基础,通过高速摄影设备记录试件破坏主要过程及破裂面的走向,分析加、卸载下裂隙岩体的裂纹起裂、扩展及破坏模式.结果表明:3种加载条件下与裂纹面夹角为-100°~-130°区域容易产生主要裂纹,在理论上与剪应力极值方向-115°基本吻合;新产生的裂纹多数为裂纹带形式,这是由于加卸载过程中裂纹尖端的最大环向拉应力和剪应力极值的大小及角度渐变造成.卸载试验最终的破坏形态比单轴和双轴加载更为复杂,破坏形式由卸载初剪切破坏发展为拉剪破坏,破坏程度和速度均高于加载.     

应变型岩爆物理模拟实验过程的温度特征

利用红外热成像技术对花岗岩室内岩爆模拟过程中卸载面的温度场演变进行了实验研究.岩爆实验共进行了5次循环加卸载,其中,第1次卸载后的红外辐射平均温度相比于实验前有所下降.实验结果表明:在应变能累积阶段,红外辐射平均温度随应力增加而升高.在损伤演化阶段,伴随有裂纹的开展,这个过程会使岩体的局部温度小幅升高.在弹射阶段,岩体局部温度的增幅大于损伤演化阶段.岩爆模拟过程中裂纹的扩展产生的局部温度增幅要远大于发生弹射的局部温度增幅.通过利用红外热成像技术能够量测到岩爆实验过程中试样表面的裂纹扩展过程并建立温度增幅与裂纹长度的定量关系.     

载荷方式对深部采动煤体损伤-渗透时效特性影响实验研究

根据煤体实际力学状态设定恒定围压增加轴压、恒定轴压卸除围压和同时增加轴压卸除围压等3种力学路径,开展加卸载煤体损伤-渗透同步实验,分析加卸载方式对采动煤体损伤-渗透时效特性的影响,并揭示采动煤体损伤-渗透特性差异的内在机制.研究结果表明:不同的力学路径使煤体表现出截然不同的变形与强度特征,在高围压作用下试样的变形特性逐渐从脆性向塑性转变;受加卸载方式的影响,3种力学路径下的试样分别发生主剪切破坏、拉剪破坏和X型共轭剪切破坏;不同的力学路径对试样造成不同程度的损伤扩容和渗透率变化,且具有明显的时效特性,按响应速度排序依次是:同时增加轴压卸除围压恒定轴压卸除围压恒定围压增加轴压;煤体损伤、渗透具有协同演化特性,但渗透率变化相对于损伤扩容具有滞后性;差应力比是导致加卸载煤体损伤-渗透特性差异的本质原因,承受较大差应力比的深部采动煤体极易诱发煤岩瓦斯动力灾害,为避免动力灾害发生,需采取相应措施减小采动煤体所受的差应力比.研究结果对于揭示煤岩瓦斯动力灾害机理、实现深部煤炭精准开采与动力灾害防治具有指导作用.     

不同岩性巷道岩爆灾变特征模型试验研究

为了深入认识深部巷道中岩爆的发生机制,研发了配备弹性储能模块的岩爆模拟试验系统对含预制圆形巷道(Φ=50mm)4种岩性模型(175mm×175mm×200mm)进行试验,通过调整初始应力水平和加载速率再现了不同岩性巷道岩爆事件.试验过程中利用高速摄像系统对巷道围岩破坏全过程进行实时监测和记录,结合破坏特征对巷道岩爆的发生过程和机理进行了分析和探讨.研究结果表明:巷道的破坏过程中均包含静力破坏、动静混合破坏、动力破坏3种形态,3种形态在破坏全过程时间轴上的显现阶段和显著度不同.对4种岩体岩爆破坏过程进行了阶段划分,揭示了不同力学性质岩体岩爆孕育发生的机制,分析岩爆发生的时间和空间分布特征,发现岩爆体外来能量的补充是岩爆发生的必要非充分条件.冲击倾向性指标R1强度低弹塑性力学特征岩体的岩爆灾变过程的重现,为具有高支护强度的低强度松散煤体巷道冲击型岩爆灾变发生过程和机理的研究提供了新的认识,提出软弱(松散)岩体岩爆研究应以"围岩结构体"为研究对象.弹性储能模块的研发及研究成果为深部地下工程岩爆机理的研究提供了新的思路和认知.     

类岩石裂隙扩展多因素影响研究

岩体强度是影响岩体工程安全的重要因素,其会因多种因素的改变而变化,研究不同因素对裂隙扩展的影响,可以获得不同因素对岩体强度影响规律,为保证岩体工程的安全和稳定提供参考依据。文章主要考虑节理位置、围压和温度对岩体破裂过程的影响,通过室内试验分析节理位置对岩体裂隙扩展规律的影响,研究围压的改变对岩体峰值强度和破裂形态的作用,通过加卸载试验定性分析了洞室开挖掌子面的卸荷效应,并对4种较低温度和3种超高温度下岩体的裂隙扩展形态和规律进行了研究。结果表明:节理位于试件端部时,以翼裂纹扩展为主、次生裂隙扩展为辅,主要产生张拉裂纹,而节理位于试件中间时,主要产生剪切裂纹;围压的增加会提高岩体的强度,抑制裂纹的扩展,岩体卸载容易产生劈裂破坏;温度能够降低岩体的强度,超高温条件下,岩体易产生炸裂。     

不同开挖洞径深埋隧洞岩爆模型试验研究

为研究开挖洞径对深埋隧洞围岩岩爆破坏的影响,开展3种不同洞径的类岩石材料大尺寸试件真三轴岩爆模型试验,利用智能摄像机和声发射监测系统对试件加载破坏进行全过程监测,对比分析不同洞径对试件岩爆的影响规律。结果表明：不同开挖洞径试件在加载过程中皆经历了初始损伤(Ⅰ)、损伤发展(Ⅱ)与损伤破坏(Ⅲ)3个阶段。洞径增大,试件隧洞破坏荷载减小,岩爆破坏范围与碎屑质量增大,大块碎屑质量占比增加。加载过程声发射事件能量最大值随洞径增大呈递减趋势,而累计能量呈递增趋势,反映小洞径试件破坏时能量释放更集中,破裂剧烈程度更高,洞径越大,试件内部产生裂纹的总体规模越大。加载过程声发射b值在进入损伤发展(Ⅱ)和损伤破坏(Ⅲ)阶段时皆有显著减小,反映在此阶段大裂纹事件的产生增多;声发射总体b值随着洞径的增大而减小,反映试件随洞径的增大,破碎程度降低及大尺度破裂增多。在损伤破坏(Ⅲ)阶段,低、中频高幅值声发射事件比例随着洞径的增大递增,反映试件随洞径增大在此阶段围岩大尺度破裂增多。声发射各阶段时频特征参数反映的试件各阶段的损伤破裂尺度与试件宏观破坏现象一致。     

不同应力状态下北山花岗岩岩爆倾向性研究

为研究不同应力状态下北山花岗岩岩爆倾向性,对北山花岗岩试件进行不同围压下的三轴试验,通过轴向压力和横向变形协调控制加载,获得不同围压下岩石全应力应变曲线,研究岩石破坏前能量聚集及破坏后能量释放特征。结果表明：破坏时弹性能、总能量随着围压增加而增大,且破坏后的总能量变化量及弹性能释放量也随着围压增加而增大。分析岩石储能系数和能量释放指数对岩石破坏的影响,发现岩石储能系数和能量释放指数随围压增加而增大;综合能量储存系数和能量释放指数建立新的岩爆倾向性评价指标,该指标不仅表述了岩石破坏前后各能量的综合变化特征,且能研究不同应力状态下岩石岩爆倾向性;使用该指标研究不同应力状态对北山花岗岩的岩爆倾向性,结果表明：北山花岗岩具有较强的岩爆倾向性,且随着围压增大,岩爆倾向性增加;当围压低于10 MPa时,围压对北山花岗岩岩爆倾向性影响较小,当围压超过10 MPa时,围压对岩爆倾向性的影响突然增加,但随着围压进一步增加,其对岩爆倾向性影响逐渐减弱。