冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征

矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用[?]50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、矿石B试件进行16次动态压缩实验，分析冲击气压对矿石应变率的影响，对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研究；统计破碎后的矿石块度筛分数据，分析块度的分布特征。结果表明：冲击速度在12~16 m/s范围内时每增大1 m/s时，矿石B的动态抗压强度增大8.3 %，矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B，且矿石A、矿石B抗压强度随着应变率的增加呈指数型增长；随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大，矿石B筛分破碎块度的整体通过率要低于矿石A，表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合，与矿石A相比，强度增大且破碎程度较为平缓。     

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。     

不同静水压下煤体动态压缩力学特性及破坏特征研究

随煤矿开采深度的不断延深,深部煤体所处的应力环境将逐渐倾向于静水压状态,同时冲击地压、煤与瓦斯突出等典型煤矿动力灾害危害程度不断加大。为研究煤体在不同静水压环境下的动态压缩力学特性,采用主动三轴围压霍普金森压杆试验系统,开展加载率700～1400 GPa/s和3种静水压状态(4 MPa、6 MPa、8 MPa)下煤样动态压缩力学试验研究。研究结果表明：煤样应力应变曲线出现短暂线性弹性阶段,动态弹性模量、动态抗压强度与加载率、静水压限制成正比,动态抗压强度的加载率敏感性与静水压限制成反比;相同加载率下,煤样的破坏应变与静水压大小成正比;冲击加载后煤样宏微观破碎特征表明,随着静水压约束的增强,煤样破碎程度逐渐降低。本研究可为深部煤矿典型动力灾害防灾减灾研究提供参考,对深部煤矿工程布设具有一定的指导意义。     

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。     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

岩石动态损伤块度分布的试验研究

利用一级轻气炮对岩石试件进行冲击损伤实验，采用软回收装置回收样品，并用筛分法确定冲击试验后矿岩破碎块度组成，分析不同动荷载下岩石的不同块度分布，建立动荷载下岩石破碎块度的分布规律，对爆破设计有一定的指导作用。     

动静组合加载下岩石动力学特性研究现状及岩爆机理分析

为研究动静组合加载下深部岩石的动力学特性,国内外学者基于改进的霍普金森压杆试验装置,进行了各种试验,得出一些重要的研究成果。本文对岩石的动力学特性进行了基本的概括,同时基于岩石的动力学特性,对岩爆发生的动力学机理进行初步分析,对现实的工程具有一定的指导意义。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

冲击加载下矽卡岩破碎能耗与块度关系的试验研究

破碎能耗、碎块数量和块度间的关系是岩石破碎的一个基本问题。利用SHPB装置及半正弦波加载, 对矽卡岩试样进行冲击破碎试验, 采用筛分法获得了破碎岩块的块度分布, 从而得到了冲击加载下入射能量与矽卡岩破碎能耗之间的关系, 以及矽卡岩破碎能耗、块度分布之间的定量关系。     

冲击荷载作用下煤岩力学特性研究及能量演化特征

为了探究冲击倾向性煤岩的动态力学特性和破碎特征,以强冲击倾向性煤岩为研究对象,进行了中高应变率条件下的单轴冲击试验。结果表明：在冲击荷载作用下,煤岩的破裂与变形可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、应变强化阶段和卸载破坏阶段4个阶段;动态应力、应变均表现出明显的应变率效应;煤岩动态应力增长因子与应变率呈线性正相关;峰值应力与能量密度拟合呈现对数关系,能量密度与应变率拟合呈现指数关系,吸收阻抗比能与应变率具有良好的二次幂指函数关系,吸收阻抗比能和能量密度表现出较强的应变率相关性;破坏模式逐渐由轴向劈裂破坏向压碎破坏过渡。研究结果对于解决当前深部矿山采掘等工程实际问题具有一定的理论意义和实用价值。     

动静组合加载下刀具破岩的力学模型

基于初始弹性和动静荷分工的假设,将动静复合加载下坚硬完整的脆性岩石的破碎过程分为弹性、损伤和断裂3阶段,综合运用弹性力学、岩石力学、损伤力学和断裂力学进行分析。由集中力作用下弹性半空间的应力场和单元体的剪切破坏,得出了岩石损伤的裂纹源和其曲线扩展路径;选定Ⅰ型、Ⅱ型裂纹作为动载冲击作用下压剪裂纹的扩展模式。提出了以冲击能(次数)来定义损伤度的方法。以相邻破碎坑的侧向裂纹扩展贯通作为岩石破碎的终点。本力学模型可以用于动静复合加载破碎岩石的系统仿真、数值模拟和机具设计。     

动静组合载荷作用下岩石破碎损伤断裂力学分析水

分析了动静组合载荷破岩的载荷-侵深特征曲线,确定组合载荷合理的加载点是在岩石已发生体积破碎、岩屑已崩出、压实体又得到充分压实之后.对岩石在动静组合载荷作用下破碎进行了损伤断裂力学分析,得到在一定范围内加大静压力和冲击力可以使破碎坑体积很快增加,从而提高破岩效率;在预加静载荷使岩石发生体积破碎之后再施加冲击载荷,此时岩石破碎效果最好的结论.     

动静组合载荷作用下岩石破碎损伤断裂力学分析

分析了动静组合载荷破岩的载荷－侵深特征曲线,确定组合载荷合理的加载点是在岩石已发生体积破碎、岩屑已崩出、压实体又得到充分压实之后。对岩石在动静组合载荷作用下破碎进行了损伤断裂力学分析,得到在一定范围内加大静压力和冲击力可以使破碎坑体积很快增加,从而提高破岩效率;在预加静载荷使岩石发生体积破碎之后再施加冲击载荷,此时岩石破碎效果最好的结论。     

损伤岩体破碎块度分布的预测

就损伤岩体爆破破碎规律和块度分布预测的几个问题进行了分析研究。基于概率论推导出爆破块度分布分形维数的计算模型。并得了了与以往不同的一个结论为爆破块度分布的预测提供了理论上的依据。     

不同轴向静压下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性研究

为了研究在不同轴向静压条件下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿深部(900m)的矽卡岩试样进行动力冲击试验。试验结果表明:轴向静压对岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静压呈二次函数下降关系。随着冲击次数的增加,弹模整体呈下降趋势,不同轴向静压下,弹模随冲击次数表现出不同的变化特征;随着冲击次数的增加,峰值应力整体呈降低趋势,轴向静压对峰值应力的影响显著。不同轴向静压下,试样随冲击次数表现出不同的能量耗散规律,当轴向静压为75MPa时,试样出现了吸收能量的现象;当轴向静压为85 MPa和100 MPa时,试样在冲击作用下始终为释放能量,说明在高应力作用下,储存在试样内部的弹性应变能已经能够完全提供试样发生破坏所需要的能量,此时,岩石在动力扰动的诱导作用下极易发生破坏。这一现象为揭示深井开采过程中的岩爆发生机制提供了依据。     

Pendulum Waves on the Surface of Block Rock Mass under Dynamic Impact

Under numerical investigation is propagation of surface pendulum waves in 3D block medium. The medium is modeled by 3D lattice of masses connected with elastic springs and viscous dampers. The surface vertical pulsed concentrated loading is considered. The displacements and velocities of the surface masses are calculated. The numerical results obtained for the block medium are compared with the similar data on elastic medium and in situ experiments carried out by other researchers.     

牙轮钻头动静耦合碎岩机理及旋挖成桩应用

总结了在不同高温状态下冷却、不同加载速率及随机裂隙发育状态下花岗岩动态抗拉力学特性的变化规律;结合牙轮钻头孔底碎岩过程,分析了动静载荷耦合作用下岩石破碎的载荷-侵深特性曲线,认为动、静载荷耦合作用的加载点（即动载的施加点）应是在静载处于卸载阶段;并根据加载能量大小讨论了不同动静耦合工况下产生的岩石破裂深度及破碎体积,表明通过一定范围内增大静载荷及冲击力、预加静压对岩石进行预应力损伤、加载-卸载-加载的破碎循环模式,有利于高效碎岩及裂纹的发育。嵌岩桩基础工程实践表明,通过改造牙轮钻头等钻具结构形式及布齿方式,利用动静耦合加载方式及对钻头冷却处理,可实现牙轮钻头在微风化花岗岩高效钻进的目的,为牙轮钻头的旋挖钻进成桩应用提供了重要的技术支撑。     

动态扰动对围岩力学性质及破坏模式的影响

矿山开采过程中,围岩容易受到掘进爆破等动态扰动作用而产生失稳破坏。为此,使用Blast-UM型爆破测振仪对新城金矿Ⅳ#矿体-680 m中段开采过程中的爆破震动信号进行监测,利用小波变换技术将监测信号转换为应力波形,利用自行研制的摆锤冲击加载SHPB试验装置,通过改变锤头的形状和控制锤头的冲击速度,以获得与监测波形较为相似的加载波形,对取自-680 m中段花岗岩试样进行动态巴西盘试验。研究结果表明:花岗岩的动态抗拉强度随着冲击速度的增大而增大,并表现出明显的应变率效应。试样沿着加载直径方向呈现劈裂破坏模式,与入射杆、透射杆接触面处的"V"字型破坏区随着冲击速度的增大而趋于明显。所设计的试验装置为测试巷道围岩的动态破坏机理提供了一种有效的试验手段。     

冲击荷载作用下磁铁石英岩破碎能耗分析

应用SHPB试验设备对磁铁石英岩进行不同速度条件下的冲击试验,基于试验结果,分析了岩石类材料在冲击荷载的作用下其能量的耗散规律和块度分布情况,建立了磁铁石英岩破碎块度与能耗关系模型,提出了岩石应变率强度指数和能时密度概念,揭示了岩石破碎有效能耗不仅与能量输入大小有关,而且与能量的时间强度密切相关。通过对冲击试验中不同输入能量条件下的磁铁石英岩的破碎粒度统计分析,对比采集到的反射应力波作用时间和强度,初步建立了岩石动态强度的应变率关系模型和能时密度模型,将炸药能量输出结构这一概念通过具体指标作了定量表述,建立起了炸药能量输出与岩石破碎能耗间的内在联系,为研究炸药与岩石能量耦合提出了新的研究思路。     

不同损伤程度花岗岩在冲击荷载作用下的动态力学特性

为研究不同初始损伤下花岗岩的动态特性,通过理论分析定义了岩石损伤程度计算,利用霍普金森杆设备分别对损伤程度为13%、21%、28%、37%、40%、49%岩样进行临界气压冲击试验研究。试验结果表明:变形模量较好反应了岩样的损伤程度,岩样损伤程度随变形模量的减小在增大,其抗冲能力在减弱;不同损伤程度岩样在冲击荷载作用下,随损伤程度增大,峰值应力逐渐减小,而动态峰值应变、破坏应变和应变率有递增趋势;不同损伤程度试样破坏模式有明显的不同,岩样破坏块度随损伤程度的增加更趋于破碎。