三点弯曲条件下不同层理面强度对裂纹扩展过程的影响

煤矿、页岩气开采等工程均涉及到层状岩体力学问题,层状岩体的裂纹破裂模式直接决定了工程施工稳定性及能源高效开发利用。为了揭示层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响,利用ABAQUS模拟软件,通过全局嵌入0厚度cohesive单元的方法,创建了与最大主应力方向垂直的层理面,并且基于页岩XRD矿物成份分析结果,利用Python语言对软件进行二次开发,实现了页岩的层理各向异性与矿物颗粒非均质性。通过控制层理面的强度参数,研究了在三点弯曲条件下,层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响。通过MATLAB编程处理模拟结果,实现了加载过程中的声发射(AE)模拟,根据声发射定位图和声发射能量数据,进一步分析了裂纹破裂类型及动态扩展过程。结果表明:层理面抑制了裂纹沿着最大主应力方向扩展,层理面强度越弱抑制效果越强;层理面强度较弱时,裂纹先从层理界面处起裂,产生顺层横向裂纹,阻隔应力波的传递,导致预制裂纹尖端应力场波及范围变小应力集中程度变强;层理面的存在导致裂纹扩展路径复杂,穿层破裂与顺层破裂交替出现,裂纹表现为断续位错式的破裂特征,层理面强度与最大主应力共同决定了裂纹路径;穿层破裂主要沿着最大主应力方向产生,表现为拉张破裂类型,顺层水平迁移裂纹表现为剪切破裂类型;层理面强度越弱,克服顺层破裂所需能量越大,峰值载荷越大;层理面强度与声发射事件数呈负相关性,层理面越弱声发射事件数越多,拉张、剪切破裂越多,顺层裂纹长度越长。     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-Ⅱ声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律。试验结果表明:进入屈服阶段,大于80dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能级之间存在近似线性关系,岩石内部高能级高震级事件的集中出现表征着岩石局部损伤劣化加剧,与高速摄像仪记录结果一致;屈服强度过后,其他破裂类型也开始逐渐增多,但能级大于4的声发射事件基本都是张拉破裂类型。上述特征现象均可以作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。     

不同滤失面下砂岩定向压裂声发射响应特征研究北大核心

为了研究不同滤失面下滤失对岩石定向水力压裂的影响规律,选用300 mm×300 mm×300 mm中间钻孔并且定向预制裂缝的砂岩试件,采用在试件表面涂抹防水剂的方法控制滤失,制作出滤失面依次减小的4组砂岩试件:未涂防水剂试件A、裂缝面涂防水剂试件B、孔壁涂防水剂试件C、全涂防水剂砂岩试件D,进行真三轴定向水力压裂并开展声发射实时监测,分析研究不同滤失面下砂岩试件声发射能量率、累积能量以及压裂后裂缝扩展延伸规律。结果表明:随着滤失面增大即滤失越大,砂岩试件声发射的能量率峰值呈现逐渐下降的趋势,而试件完成压裂破坏过程所需的累积能量逐渐升高;在压裂裂缝扩展延伸过程中,随着滤失面增大即滤失越大,压裂裂缝向最大主应力σ_(H)方向偏转越快,当压裂裂缝偏转到同一偏转角α时,压裂裂缝扩展延伸长度L会逐渐减小。     

岩石真三轴分级加载声发射与波速演化规律试验研究

为研究岩石在真三轴分级加载过程中声发射特性与超声波波速演化规律两者间的关系,采用自主研发的岩石真三轴试验机、声发射监测系统及超声波测试系统,开展了岩石真三轴分级加载声发射定位监测及超声波测试试验。研究表明:声发射累计能量与累计计数变化趋势可作为岩石破裂前兆信息,第1阶段随着岩石压密其增幅较小;第2、3、4阶段砂岩内部裂隙开始发育其增幅缓慢增加;第5阶段为砂岩破坏的主要阶段其增幅超过80%,推断第5阶段砂岩由于应力达到峰值强度而失稳破坏。声发射定位可以很好地表征裂缝形态与扩展规律。第1、2、3阶段,砂岩内部极少产生声发射定位事件且分布较为分散。第4、5阶段,声发射定位事件大量产生并集中于最小和中间主应力方向两侧的破裂面与破碎带上。超声波波速变化对于岩石内部变形破坏以及裂缝扩展具有良好响应。加载过程岩石波速具有各向异性,最大主应力方向随岩石压密波速增加,压密程度降低波速增速降低;中间主应力方向波速随岩石压密升高,之后随岩石形成破裂面降低;最小主应力方向波速则首先随岩石压密升高,然后随岩石形成贯通破裂面,并伴随有破碎带导致波速迅速衰减骤降至较低水平。     

基于真三轴物理模拟实验的裂缝扩展规律研究

为了研究不同起裂方式下水力裂缝三维扩展特征,采用真三轴水力压裂物理模拟试验机,开展定向压裂与钻孔压裂试验,结果表明：定向压裂裂纹从预制裂纹尖端起裂,向中间主应力方向转向,裂纹呈双翼弯曲形态,其整体仍平行于最大主应力方向。钻孔压裂裂纹在钻孔轴向对称位置起裂,呈椭圆形自相似扩展特征,裂纹倾向垂直于最小主应力。裂纹最终扩展方位不受起裂方式主导,而是由地应力场决定。水力压裂过程呈现憋压起裂和稳压扩展两个典型阶段。憋压起裂阶段,泵压急剧上升达到破裂压力后又迅速跌落,声发射能量骤增且波动剧烈。稳压扩展阶段,泵压曲线呈锯齿状波动发展并趋于平稳, 声发射能量水平相对较低。研究结论可为煤矿坚硬顶板压裂施工提供参考。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的声发射特性离散元模拟

采用离散单元法研究了横观各向同性岩石在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程及声发射特性。结果表明：由于层面倾角的变化,导致横观各向同性岩石破裂过程具有不同的声发射特性。声发射特性与应力存在一定的耦合关系。且声发射空间响应集中在两种岩石的交界面上。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。裂纹的萌生位置和扩展模式直接决定了岩体的最终破裂形态。     

压裂裂缝非线性断裂的声发射全波形多参量监测

压裂是油气、地热等流态矿产储层增渗改造以及井工矿围岩控制的重要手段,缝尖断裂过程区(微裂缝区)及裂缝面两侧微裂缝带的发育使压裂裂缝呈非线性断裂,因此,刻画压裂裂缝的非线性断裂是深化压裂理论与有效监测控制裂缝扩展的基础。以岩石中形成(微)裂缝会释放声发射(弹性波)的物理机制为切入点,自主开发了岩石非线性断裂的声发射全波形多参量监测分析程序,优化了高质量波形拾取、波形同步与起振时间计算以及定位算法等系列环节,较现有商业声发射定位程序,定位结果与缝面形态的一致性提升,声发射事件空间分布的离散性降低,进而可通过声发射特征参数的空间展布刻画压裂裂缝断裂过程区与微裂带内能量耗散、损伤程度、多尺寸破裂及拉-剪-压缩(塌陷)断裂机制等空间演化特征,丰富压裂裂缝非线性断裂特性的表征参量。选用四川白砂岩开展了声发射监测下的真三轴压裂物理模拟试验,通过声发射全波形多参量分析方法刻画了压裂裂缝的非线性断裂特征:(1)通过声发射能量空间分布识别了断裂过程区(31 mm长、12 mm宽)与水力微裂缝带,在压裂裂缝横截面呈条带状的断裂过程区具有非等向发育的特征,断裂过程区是压裂裂缝的优势扩展路径,宏观裂缝面在断裂过...     

真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究

研究真三轴应力状态下岩石强度、变形及破坏模式对于科学准确地预测和评价地下岩石工程稳定性具有重要的意义。通过自主研制的真三轴电液伺服控制系统开展一系列砂岩真三轴加载试验,结合CT扫描技术,系统研究了不同中间主应力影响下砂岩强度、变形及破裂特征。研究发现:随着中间主应力的增加,砂岩强度呈先增加后减小的趋势;中间主应力的增加促使该加载方向变形逐渐受到抑制,侧向膨胀主要沿最小主应力加载方向,并出现先减小后明显加快的趋势,中间主应力由对岩石的保护作用逐渐演变为损伤作用;真三轴条件下,岩样内部出现两条规则的破裂面,裂纹面沿着σ2方向,倾向于σ3方向,整体破裂形态较规整,岩样破裂面表面积随中间主应力的增加呈先减小后增加的趋势。本文研究成果对于更深入的理解真三轴条件下砂岩力学行为及破坏特征有一定的意义。     

水对粉砂岩渐进破裂过程影响实验研究

通过对干燥、自然和饱水粉砂岩进行单轴压缩声发射实验,基于声发射方法确定岩石渐进破裂指标—损伤强度σcd,研究水对粉砂岩渐进破裂过程的影响规律.研究结果表明:粉砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随含水率的增加而减小,两者与含水率的关系可以用指数函数进行拟合,相关度在0.8左右,残余强度随含水率的增加而增大;随着含水率的增加,粉砂岩破裂前声发射事件率密集的程度降低,破坏时的累计声发射事件数减少,水降低了岩石的破裂程度;粉砂岩破裂失稳前声发射活动的一个重要特点:累计声发射事件数ΣAE的增长模式符合Exponential函数,含水率增加,其增长的速率降低;水对粉砂岩渐进破裂过程的影响主要表现在含水后粉砂岩损伤强度与峰值强度的比值(σcd/σc)增加,粉砂岩裂纹开始不稳定扩展的应力水平提高,水可以加速粉砂岩从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程.     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

基于HHT的粉砂岩破裂声发射信号频率特性研究

通过对粉砂岩进行单轴加载声发射实验,基于HHT分析方法,研究岩石破裂过程的声发射信号频率特性。研究结果表明:HHT是一种基于主成分分析的信号时频分析方法,可以确定信号的主次成分,用瞬时频率来精确描述信号的时频特性;粉砂岩破裂过程中声发射信号的时频分布有3个阶段,即初始区、波动区、沉寂区;粉砂岩破裂过程中声发射信号的主频与所处的应力水平有关,在岩石破裂前,随着应力水平的提高,主频逐渐降低;粉砂岩破裂过程中,从裂纹稳定扩展到不稳定扩展,直到岩石破裂,高能量声发射信号由高频率向低频率转移,且持续的时间增加;粉砂岩破裂过程中声发射信号适宜监测频段为20~120 k Hz。     

扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究

为研究扰动诱发不同中间主应力单面卸荷岩体破坏特征,通过真三轴扰动卸荷测试系统和声发射监测系统,进行了不同中间主应力卸荷实验及卸荷扰动实验,研究了中间主应力对单面卸荷岩石强度特征、演变规律及破裂模式的影响,分析了中间主应力σ₂方向扰动作用后卸荷岩石的力学特性。结果表明:在一定范围内,随着中间主应力的增大,卸荷岩石的稳定性和峰值强度都有所增强,但较大的中间主应力会逐渐弱化岩石的承载能力;随着中间主应力的增大,卸荷岩石的开裂模式由张拉-剪切破坏逐渐转变成张拉-劈裂破坏;在σ₂≤30 MPa时,声发射信号经历了平静、持续出现伴随小幅突增、陡升高峰、持续低峰、大幅突增破坏;在σ₂>30 MPa时,声发射信号经历了平静、持续出现、多低峰、持续升高、突增破坏;不同类型扰动作用后卸荷岩石的破坏差异明显,中频中幅扰动后卸荷面形成明显V型破坏坑,分形维数最大,中频中幅扰动不仅加速了约束力小的卸荷面附近的小裂纹发育成核,同时也加速了远离卸荷面的大裂纹之间的连接贯通;扰动对岩石承载能力的损伤为中频中幅>高频低幅>低频高幅;工程...     

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。     

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。     

煤岩体定向圆形孔楔形切槽水力压裂起裂分析研究

为了研究煤矿井下水力压裂初始裂纹起裂条件和起裂方向,在线弹性断裂力学的基础上,建立了圆形孔楔形切槽水力压裂断裂力学模型,模型切槽长度与钻孔直径接近,综合计算分析了水力压裂裂纹尖端应力强度因子。根据切槽尖端应力强度因子,运用复合型裂纹脆性断裂的最大环向拉应力理论,分析了裂纹在地应力场以及高压水下的起裂条件和起裂方向,给出了相应的计算方法。结合古书院矿15号煤的岩石力学参数和地应力场数据,计算出裂纹起裂压力17.6MPa,起裂角度12.8°。并且在古书院矿153303工作面进行了现场工业性实验,现场实际起裂压力与理论计算结果比较接近,从而验证了理论分析的可行性。     

岩石剪切破裂过程中裂纹扩展的声发射特征研究

声发射技术可以用来实时监测岩石内部的裂纹扩展活动。裂纹扩展过程中所产生的应力波被声发射探头捕捉到之后,会产生具有不同特征的声发射信号。研究了直角剪切试验过程中不同种类岩石的声发射信号特征,得到结论:岩石破裂过程中声发射信号的累计能量与岩石破裂所需能量呈正相关性,可以用声发射累计能量来衡量岩石的破裂能量大小;可以用声发射信号的频率和持续时间来划分声发射信号,不同类型的声发射信号对应不同级别的裂纹扩展活动。     

不规则砂岩的三维模型数字重构及其破裂过程研究

以烂泥沟金矿为工程背景,基于数字图像处理及破裂过程分析程序对不规则砂岩进行三维模型数字重构,模拟单轴压缩作用下不规则砂岩的真实细观非均质力学模型的失效机理及破裂过程;研究了不同颗粒粒径及不同内部结构砂岩的破裂过程及力学特性。结果表明：不规则试件在单轴压缩条件下破裂模式由单裂纹向多裂纹转变,裂纹方向与主应力方向成一定夹角;随着应力的增加,试件内部拉伸破坏单元的产生、发育、贯通导致试件形成宏观剪切破裂带;岩石试样在破裂过程中释放的大部分能量来自于高应力区的破碎带。此外,在模拟过中发现试件越趋于球形,应力-应变曲线线性行为越长,试件强度越大。研究结果对探讨矿岩破碎机理、寻找高效节能的破岩方式具有重要意义。     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

真三轴压缩下硬岩破裂过程超声波演化特征

为研究真三向应力下硬岩破裂过程3个主应力方向超声波波速变化规律及其与岩石破裂的关系,对云南砂岩开展了一系列真三轴试验,获得了砂岩破裂过程中3个主应力方向的波速变化特征,发现了3个方向波速具有明显差异,主要表现在三个方面:最大波速、波速初始下降时的σ₁和峰后波速变化特征。波速分析表明,最小主应力方向波速最能够反映岩石破裂过程。将基于最小主应力方向波速计算的损伤变量与裂纹体应变进行了对比分析,发现损伤变量能较好地反映岩石破裂演化过程。为了更好地描述岩石破裂演化过程,用Power函数拟合了岩石破裂增长阶段损伤变量的演化曲线,建立了多阶段破裂演化方程。试验数据拟合结果表明,该方程与试验数据拟合良好。     

水力压裂裂纹延伸规律模拟

基于莫尔-库伦屈服准则,以常村矿3#单一煤层为例,采用FLAC3D数值模拟软件,模拟了3#煤层在不同水力压力条件下煤体破损与压裂裂纹延伸规律。模拟结果表明:水力压裂过程中,煤体破坏类型以剪切破坏为主,压裂孔端头区域最先处于破碎损坏状态。在水力压裂压力增加过程中,压裂孔中部区域煤体中裂纹沿最大主应力方向延伸速度最快,而沿最小主应力方向裂纹延伸速度最慢;压裂孔端头区域裂纹沿竖直方向和走向方向的延伸长度基本保持一致,此区域裂纹延伸的方向受地应力影响程度明显减弱;最大主应力方向裂纹延伸长度与水力压裂压力大小基本成正比例线性关系。