基于3D扫描的深部砂岩动态破碎块体尺度特征与能量耗散规律试验研究

在不同的冲击荷载下,岩石会破碎成不同尺寸的块体或颗粒。为了对动态荷载下岩石的吸能特性和动态破碎块体的尺度特征进行定量研究,采用分离式霍普金森压杆系统(SHPB)对煤矿深部砂岩进行了动态压缩试验。得到了不同冲击荷载下岩石试件的动态压缩强度规律,分析了入射能对试件吸收能的影响和应变率效应。在此基础上,利用3D扫描技术、数字图像处理技术得到破碎块体的三维扫描模型,探讨了砂岩试件破碎块体尺度特征与吸收能量的关系。研究表明：砂岩试件的动态抗压强度和吸收能都具有明显的应变率效应,动态抗压强度和动态应变率近似呈线性关系,而吸收能则呈指数型关系;在不同的入射能量下,试件吸收的能量有所不同,吸收能随入射能呈线性增长;在应变率为54～221.9s^-1范围内,3D扫描技术能对砂岩破裂块体进行高精度数字重构;随着冲击荷载和输入能量的增大,试件破碎块体的形状逐渐丰富,破碎块体的粒径逐渐减小,比表面积逐渐增大,试件的破碎形态由大块体破断向小块体破碎转变。砂岩材料的破碎成形和能量耗散是材料的率效应机制。     

考虑细观特征的红砂岩动态损伤与破碎的能量耗散

从细观角度深入探讨岩石动态力学特性,是理解岩石爆破破碎机理的方式之一。采用分离式霍普金森压杆对围压作用下的红砂岩试件进行动态加载,以孔隙率变化表征细观特征,基于能量耗散指标研究了红砂岩动态损伤与破碎的能量耗散。结果表明：冲击次数总体趋势是随着气压的增加逐渐减少,试件破碎前能量耗散增加,并没有明显的回弹;在第3次冲击或第4次冲击时,动态特性存在差异;在初始冲击中,孔隙度由中孔、大孔闭合到微孔,随着冲击载荷的增加,微孔孔隙度差值的峰值向后移动。     

岩石冲击破碎块度分形与能量耗散特征研究

为研究冲击荷载作用下岩石能量吸收与破碎分形特征,应用霍普金森试验系统对0.6、0.8、1.0、1.2、1.4长径比花岗岩进行动态冲击试验,分析了应变率效应和尺寸效应对花岗岩试件的破碎能耗和破坏形态的影响;在考虑时间因素的基础上,提出一种新的能时密度指标来评价能量耗散,结合分形维数计算与能时密度分析,研究岩石在冲击过程中的能时密度与分形特征。结果表明：0.6 ~ 1.4长径比花岗岩试件的应变率和能时密度均符合乘幂关系,同种长径比试件的能时密度随应变率增大呈递增趋势;在48.8 ~124.2 s_^-1应变率区间内,分形维数随应变率增加显著增大;花岗岩试件在动荷载下的能时密度和分形维数符合乘幂关系,单位时间内岩石吸收能量越多,分形特征就越明显;引用能时密度结合岩石破碎块度的分形维数计算,能够定量研究岩石单位时间内的能量吸收规律。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

冲击载荷下裂隙岩体破碎能量耗散特征

为研究裂隙岩体在冲击载荷作用下的动态力学特性,探究岩石在冲击载荷作用下破碎的能量耗散特征,利用分离式霍普金森杆对完整红砂岩试件以及预制不同角度单裂隙红砂岩试件进行冲击试验.试验结果表明:含裂隙岩石动态抗压强度均小于完整岩石的强度,预制裂隙降低了岩石的动态力学性能;随裂隙角度的增大,裂隙岩石的动态抗压强度随之增大,反射能...     

基于离散元法的岩石细观能量转化特征及影响因素分析

为揭示荷载作用下岩石细观能量转化特征及查明其影响因素,基于离散元PFC2D软件建立砂岩数学计算模型,通过试错法匹配试验应力—应变曲线标定细观力学参数,对不同围压、加载速率和颗粒直径下砂岩受压试验进行离散元研究。分析砂岩变形破坏全过程细观能量演化及转化特征,探讨细观能量转化机制及细观能量转化影响因素。研究结果表明:细观线应变能和黏结应变能在峰值应力前随变形增大而增大,峰值应力后释放并逐渐平缓发展;摩擦耗散能随变形增大而增大,阻尼耗散能演化趋势与宏观贯通裂纹形成相关;以耗散能转化率为例,能量转化经历了4个阶段,与裂纹发展趋势一致,且其极小值对应岩石损伤应力;损伤应力后,围压、加载速率的增大降低耗散能转化及其增长速率,颗粒直径的增大仅降低耗散能转化率,不影响其增长速率。     

不同冲击速度下岩石破坏能量规律的实验研究

对砂岩试件进行了动态霍普金森杆冲击破坏实验和静态加压破坏实验。对于动态冲击实验,得到了不同冲击速度下岩石试件破坏时的总吸收能、总耗散能和相对应的损伤变量。对于静态加压实验,得到了破坏时的总吸收能。并对两种实验条件下的破坏总吸收能进行了对比分析。实验结果表明,对于砂岩试件,若在单轴压缩下和动态冲击下得到同等程度的破坏,前者会比后者消耗更多的能量。     

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。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

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。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度(8、15、16、17 MPa)和围压梯度(1、2、3、5、7 MPa),开展冲击气压梯度(0.5、0.6、0.8、1.0 MPa)的三维组合加载试验。研究表明:在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

白云岩三维动静组合加载力学特性试验研究

为研究白云岩的力学特性和破坏模式,利用改进的三维SHPB动静组合加载试验装置,对白云岩进行三维加载、轴向冲击试验,分析轴压、围压和应变率对白云岩强度、变形模量、能量吸收等的影响,探讨岩石动静组合加载的应变率效应。试验结果表明：当围压一定时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大呈现出先增大后减小的趋势,变形模量随着轴压的增大而减小;白云岩单位体积吸收能会随着轴压的增大而先增加后降低。轴压固定时,白云岩的抗压强度和变形模量随着围压的增加而增大,白云岩强度增长因子有显著的应变率效应;白云岩单位体积吸收能会随着围压的增大先升高而后降低,随平均应变率的增大而增大。在三维动静组合加载下,岩石的破坏模式为压剪破坏。     

冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制

为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13. 8%,抗拉强度降低6. 6%,冲击吸收功降低24. 3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。     

张开型节理角度和长度对类岩石材料动力学特性的影响

为探究冲击荷载作用下张开型节理对类岩石材料动态力学特性的影响,基于分离式霍普金森压杆实验装置(SHPB),研究完整试件和含不同角度和长度节理的水泥砂浆试件在动荷载下的应力波传播特征、峰值承载力、破坏形态,分析讨论了基于能量理论的损伤规律。结果表明：试件会形成一组沿轴向与节理面贯通的张拉裂纹面和一组几乎平行于试件端面的裂纹面;节理长度由5 mm增大到30 mm时,应力波的反射作用越明显,试件的峰值承载力越小,破坏产生的裂纹面越小,因而损伤也越小。当节理角度从0°增至90°时,应力波的反射作用越小,损伤越小;峰值承载力随节理角度增大先减小后增大,当节理角度为60°时,峰值承载力最小,当节理角度为90°时,峰值承载力最大。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

我国深部开采过程中,围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究,是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明：砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强,这种依赖性在较高加载速率时更加显著;砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段;随着加载速率的升高,试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存,碎块平均体积逐渐减小,破坏程度逐渐提高;试验过程中,试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加,并且其占输入能量的比例逐渐提高,即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。     

砂岩试件加载-卸荷-加载损伤弱化试验分析

为研究深部巷道围岩开挖和回采全过程中岩体强度的弱化规律,通过对砂岩试件进行不同加载速率的单轴加载、不同围压的三轴加载以及不同程度的三轴加载-卸荷-单轴加载试验对砂岩试件在加载、卸荷和再加载过程中的损伤、弱化机理进行研究。结果表明:试件的峰值强度与加载速率之间呈幂函数关系,与围压之间呈线性关系,加载速率和围压越大,砂岩试件强度越高。砂岩在三轴加载-卸荷-单轴加载时试件最终破坏形态与其受载历史无关,与岩石的最终受力状态相关。岩石的最终强度与其受载速率、围压大小和加卸-载扰动等受载历史相关,初始轴压越大加载速率越小试件的初始损伤越大,卸载后再加载的最终强度越小。此外,提出了基于能量密度的岩石损伤度指标和一种基于加载过程状态的强度弱化计算方法,经计算验证该方法是可行的。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。