级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

煤体破碎过程中分形特征与能量耗散规律研究

利用DDL600电子万能试验机和自主研发的破碎岩石压实装置,采用分级加载方式对不同相对湿度下的级配破碎煤样进行单轴侧限压缩试验,通过筛分和称重各粒径煤样计算出粒度分形维数,分析各级轴向应力下破碎煤样的粒径分布特征,并根据能量耗散模型计算出破碎能量耗散率,探究加载过程中破碎煤样的能量耗散率规律。结果表明:煤样破碎过程中分形维数与加载应力满足对数关系,初始级配对分形维数变化的影响随加载应力的增大而减小,且相对湿度的增加会降低分形维数;相对湿度通过减少破碎发生而减小了煤样的能量耗散,其能量耗散率的变化区间为30%～42%;煤样的能量耗散率随分形维数呈先增大后减小的趋势,且湿度越大能量耗散率到达峰值时的分形维数越小,能耗率变化越突出。     

矸石集料承载力学特性模拟研究

为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律,采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置,开展了不同矸石粒径（0～5,5～10,10～15,15～20,20～25,25～30 mm）、轴向应力（2.5,5.0,7.5,10.0 MPa）、加载速率（0.05,0.10,0.50,1.00 mm/s）影响下破碎矸石集料压实试验,研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响;基于PFC^3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型,探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律,揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明：矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段,随着轴向应力逐渐增大,矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙,颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触;不同加载速率下,矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布,轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系;相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎,矸石颗粒克服变形消耗摩擦能,有利于强化整体的摩擦效应;矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长,覆...     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

不同应变率下煤岩冲击动力试验研究

利用75 mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验系统,对煤岩进行不同应变率下冲击压缩试验。实验结果表明：煤岩微细观特征复杂,离散性强;煤岩在低应变率下多呈轴向劈裂破坏,高应变率下呈现出压碎破坏;冲击过程中能量随着应变率的增大而增大,耗散能与应变率基本呈弱幂函数关系或线性分布关系;煤岩破碎块度分维与应变率呈线性相关,分形维数在1.7~2.2范围内,应变率越大,块度越小,分形维数越大,煤岩耗散能量越大。     

不同浸水时间级配破碎煤样的粒度分布分形特征

含水条件下破碎岩体的变形及压实是引发采空区地表沉降的因素之一。为探究浸水时间、级配、轴向压缩位移3种因素对承载破碎岩体粒度分布分形特征及压实特性的影响规律,采用轴向压缩位移控制的方法,进行了小位移情况下5组不同配比破碎煤样的侧限压实试验。结果表明:1)在轴向压缩位移较小的情况下,随着浸水时间的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数呈减小趋势;2)浸水时间与粒径分布分形维数曲线可用指数函数拟合;3)随着配比指数n的增大,粒度分布分形维数逐渐减小;4)随着轴向压缩位移的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数与轴向应力都呈增加趋势,可以分为0~15 mm的缓慢增加阶段和15 mm后的快速增加阶段。基于破碎煤样在不同浸水时间条件下承载能力与粒度分布特征的变化规律,得出其承载能力随浸水时间增加而降低,而粒度分布分形维数呈减小趋势,从而为进一步研究破碎岩体承载条件下的强度、变形及粒度分布特征提供依据。     

基于CT扫描的饱和破碎灰岩侧限压缩下微观结构演化特征

为探求破碎岩体在压实过程中微观结构的演化规律,对饱和破碎灰岩进行侧向受限压缩试验,进行了试样内部微观结构形态的显微CT扫描;定量描述了压实过程中灰岩颗粒的破碎程度,分析了孔隙度与颗粒平均粒径之间的关系;基于图像处理技术,定量分析了颗粒表面形貌的演化规律。试验结果表明：在饱和破碎灰岩压实过程中,颗粒破碎现象普遍存在,试样内部孔隙被压缩或充填,孔隙间连通性变弱。颗粒的初始配比影响试样孔隙度,相同轴向应力下,随着Talbot指数的增大,试样孔隙度单调增大。孔隙度与颗粒平均粒径之间满足线性关系,孔隙度的变化可以作为描述颗粒破碎程度的一个有效参量。随着轴向应力的增大,颗粒的圆形度单调减小,颗粒表面形貌越来越规则,圆形度与轴向应力之间满足指数关系。该研究有助于深入了解破碎岩体的变形机制。     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

承压饱和破碎岩石颗粒破碎及渗透率演化特征研究

为探求破碎岩体颗粒破碎及渗透率演化规律,对饱和破碎岩石进行侧向受限下的压缩和渗透试验,利用显微CT观察试样内部的孔隙结构形态,引入相对破碎率定量研究岩石颗粒的破碎规律,并分析其与孔隙度和渗透率之间的关系。试验结果表明,颗粒破碎在压实过程中普遍存在并持续改变试样的粒度分布,在轴向应力达到2 MPa时,细小颗粒(0～2.5 mm)大量出现,占最终增加量的44.6%,同时大颗粒(12～15 mm)明显减少,占最终减小量的45.1%;而应力升至12 MPa后,小颗粒(0～2.5 mm和2.5～5 mm)小幅变化,其余各粒径区间内岩石颗粒的质量变化微弱。相对破碎率和渗透率的变化范围分别为0～0.369 3和3.48×10~(-14)～67.16×10~(-14)m~2,且两者的变化过程均可分为2个阶段,即当轴向应力小于4 MPa时,相对破碎率快速增大,占总增幅的65.6%～74.1%,渗透率快速减小,占总降幅的84.4%～91.1%;而当轴向应力大于4 MPa时,相对破碎率缓慢增大并趋于稳定,渗透率缓慢减小并趋于稳定。渗透率与相对破碎率之间关系可用二次多项式函数拟合,相对破碎率可作为评估渗透率的有效参量。初始粒径配比对渗透率有明显影响,在相同轴向应力下,Talbot指数越大,渗透率越小;而初始粒径配比对相对破碎率几乎无影响。     

预制钻孔煤样冲击倾向性及能量耗散规律

基于煤的冲击倾向性测定方法进行预制钻孔煤样单轴加载试验,研究钻孔煤样的冲击倾向性变化规律,引入破碎颗粒分形维数与新增表面积,分析钻孔煤样破碎过程中的能量耗散规律。结果表明:(1)钻孔使试样以剪切劈裂破坏形式转变为在孔洞两侧孕育、融合裂隙并在岩桥之间产生贯穿裂纹的破坏形式,同时伴随塌孔现象。随钻孔排数增多,钻孔试样呈现出应力峰前塑性损伤逐渐增大,峰值强度降低、积聚弹性能减少,峰后破坏耗时延长、耗能提升的趋势,且单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数均逐渐降低,动态破坏时间显著升高,冲击倾向性逐渐减弱。(2)试样破碎颗粒分形维数与新增表面积具有良好的负相关性:试样破碎程度越低,分形维数越高,新增表面积越小。(3)试样应力峰前能量的输入、耗散与新增表面积无明显关系。峰后能量释放及耗散规律与破碎颗粒新增表面积变化规律一致,新增表面积越大则峰后耗能越多。受加载速率及钻孔布置影响峰后能量差值与新增表面积变化呈"U"形变化趋势。钻孔减缓了试样峰后能量释放与能量耗散速率,且二者降低幅值较为相近,单孔试样降低约17.0%,双孔试样降低约68.3%,三孔试样降低约70.8%。钻孔卸压可以降低峰前积聚的应变能,降低峰后单位时间内释放的能量,使得不易发生动力破坏。     

破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

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。     

不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征研究

承压破碎煤岩在不同环境湿度下的变形及破碎量不同,为探究不同环境湿度下承压破碎煤岩变形与破坏过程中的分形特征,利用自制破碎岩石压实装置,结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统,对不同环境湿度下的破碎煤岩进行侧限压实试验,分析不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征。结果表明:1)随着轴向应力的增大,破碎煤岩的分形维数从2.38增加到2.64,逐渐接近分形破碎极限,其变化过程可分为6 MPa以前的迅速增加阶段和6 MPa以后的缓慢增加阶段;2)分形维数随环境湿度的增加而增大,且在高应力下增幅较大,但增速逐渐减缓;3)蠕变时间从30 min增加到160 min,分形维数仅增加了0.06,说明时间效应对分形维数影响较小;4)相对破碎率Bg随轴向应力变化呈对数增长,与分形维数之间具有线性关系。可见,随着环境湿度的增长,破碎煤岩的承载能力有所下降,该结论为进一步研究巷道围岩稳定性和地表沉陷提供依据。     

分形理论在煤岩物理形态表征中的应用

研究总结了国内学者利用分形理论,对煤岩颗粒粒度、表面结构、孔隙结构所建立的分形模型及对煤岩形态的表征。研究结果表明,粒度分形维数反映了在煤岩解离中的破碎方式、煤岩组成、能量输入对其粒度分布的影响,为研究煤岩颗粒选择性解离、粒度分布及破磨过程中的能量消耗奠定了相关理论基础;同时煤岩表面结构的分形维数反映了其表面形态特征结构的物理特性和表面形态,可以增强对煤岩热解、氧化过程发生化学反应的了解;孔隙结构的分形维数反映了煤岩变质程度、孔隙发育度以及环境因素对煤岩孔隙分布的影响,有助于更清楚地了解煤岩孔隙对其破碎、燃烧、热解、瓦斯突出等方面的影响。     

采空区不同岩性破碎岩石压实变形及声发射特征研究

采空区不同岩性冒落破碎矸石的压实特性及承载力学性质对上覆岩层移动破坏有重要影响。采用侧限压缩试验与声发射测试试验方法,对相同级配的砂岩、砂质泥岩两种单一岩性及砂岩-砂质泥岩组合岩性破碎岩石在侧限压缩条件下的变形特征、破碎特征及不同压缩阶段的声发射特征进行了研究。结果表明：在加载前期,破碎岩石的应变随时间的变化曲线存在直线上升段,随时间增加,呈现急剧上升后趋于平缓的特征;不同单一及组合岩性破碎岩石在侧限受压过程中应力与应变均呈非线性关系;根据破碎岩石的应力-应变特征将破碎岩石的压缩变形过程划分为快速压密阶段、缓慢压实阶段及稳定压固阶段。随着轴向压力逐渐增大,破碎岩样的大颗粒骨架破坏、中等颗粒移位滑动、小颗粒填充孔隙;不同岩性的应变与应力呈正相关关系,孔隙率与应力呈负相关关系,组合岩性岩样介于单一岩性岩样之间;不同单一、组合岩性比例与破碎岩样分形维数呈指数函数关系;基于压实变形声发射测试试验结果将破碎岩石压缩过程划分为滑移流动变形阶段、压裂变形填充阶段及压密弹性变形3个阶段;不同阶段破碎岩样的累计计数及累计能量曲线均表现出阶段性的变化特征,随着应力增加,前期声发射累计振铃计数及累计能量表现...     

高水压对岩石动态能量耗散和破坏特性的影响

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,极易引发涌突水等事故,严重影响地下工程的安全稳定性。为研究水压力与地应力对岩石能量耗散和破坏特性的影响,笔者利用自主研发的高水压高地应力岩石动力学试验系统,设置多组水压力和轴向静应力用于模拟地下水压力和地应力环境,对岩石进行冲击试验。基于试验得到的入射波、反射波与透射波计算岩石的耗散能,研究岩石能量耗散率与水压力与轴向静应力的关系。对冲击后的岩石试件进行筛分,计算其质量分形维数,用于表征岩石试件的破坏程度,研究水压力和轴向静应力对岩石分形维数的影响规律。改进孔隙裂纹扩展模型,研究岩石微裂纹扩展的变化规律,探索水压力与轴向静应力对岩石破坏特性的影响机理。结果表明,岩石能量耗散率随水压力的增大呈现先上升后下降的变化趋势,表明水压力对岩石能量吸收起到先促进后抑制的作用。能量耗散率随轴向静应力的增大持续增加,表明轴向静应力有利于增强岩石的能量利用率。相同轴向静应力工况下,岩石的质量分形维数随水压力的增加逐渐减小,即其破坏程度不断降低;相同水压力情况下,质量分形维数随轴向静应力的增加逐渐增大,即其破坏程度逐渐提高。改进的孔隙裂纹扩展模型可以直观表征水压力...     

承压破碎煤体空隙率分形模型及试验研究

为了识别采空区应力加载对破碎煤岩空隙率的影响,基于采空区应力恢复及空隙率对煤自燃影响角度,分析了采空区空隙率对煤自燃发生中的漏风强度、氧气浓度分布、蓄热环境的影响。通过对恒昇采空区破碎煤体的压实实验,测试了其应力应变及空隙率变化特征。结合分形理论,建立了承压颗粒煤分形空隙率模型,明确了分形模型的初始参数,并对实验数据及理论计算数据进行比较。结果表明：(1)在应力作用下,破碎煤体发生压实变形,造成颗粒级配发生变化,进而造成分型维数增大与空隙率发生变化,说明随工作面推进及采空区应力逐渐恢复状态下,采空区破碎煤体空隙率呈现动态变化;(2)通过测试原始煤样与破碎后煤样粒径分布与级配变化,获得了承压破碎煤体的分形维数,发现承压破碎煤体分形维数增大则说明受载煤样更加破碎,在应力加载状态下其空隙率逐渐减小;(3)通过分形理论与承压破碎煤体的应力应变关系,建立了承压颗粒煤的分形空隙率理论模型,理论计算结果与实验结果误差在0.028～0.106,可满足工程需要;(4)分析了该模型的使用条件,在获得破碎煤岩应力应变函数及应力加载路径的前提下,该模型可对任意状态下的空隙率进行预测。     

废石干式充填压实力学特征及影响因素研究

为改善废石干式充填效果,提高充填强度,采用物理试验和理论计算等方法研究废石干式充填的压实力学特征及其影响因素。结果表明：试样的粒径级配以及级配的连续性对试样的密实度影响较大,连续性级配的密实度较低,试样抗压能力更强。通过极差分析,级配系数n对轴向应变的影响大于最大粒径D;试样轴向应变-应力曲线表明,试样宏观变形的主要来源是对孔隙的直接压缩和填充。变形模量-轴向应力曲线表明,废石试样粒径分布完善,且各范围粒径之间应有一个合理的比例关系,使得试样通过发生较少的轴向应变达到稳定状态。试样分形特征表明,合理的级配系数n以及最大粒径D可以提高废石颗粒的破碎程度,并提高试样的抗压能力。确定了废石最佳粒径级配为n=0.4、D=30 mm。研究结果对废石干式充填具有一定指导意义。     

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。