单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了砂岩在单轴压缩条件下应力-应变全过程的声发射特征以及加载速率对其的影响。获得了岩石轴向应力与轴向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线,以及全应力-纵向应变过程曲线中4个阶段的声发射特征;在初始压密和弹性阶段,声发射撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;在应变硬化阶段,撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;在应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。由于岩石每个变形阶段具有不同的声发射特征,因此,可用声发射来表征岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。另外,随着加载速率的提高,岩石裂纹扩展速率会加快,损伤加大,从而产生更多的声发射;但峰值处释放能量的最大值呈递减趋势,产生强烈声发射的应变值变小。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

构造煤单轴压缩条件下电阻率变化规律的实验研究

为了研究煤与瓦斯突出灾害在孕育、形成、发生过程与构造煤受力失稳破坏的关系,对构造煤在单轴压缩条件下其电阻率变化规律进行测试。结果表明：对于以电子导电为主的构造煤,荷载达到其抗压强度之前,电阻率持续下降,电阻率最小值出现在荷载达到煤样抗压强度时,随后随着煤样失稳破坏,其电阻率突然升高;中等变质程度的鹤壁贫瘦煤样,当荷载达到其抗压强度的75%左右时,出现电阻率突然下降的情况,而高变质程度的焦作无烟煤和低变质程度的淮南气肥煤,在单轴压缩的过程中,其电阻率下降较为平缓。另外,随着加载速率的增加,构造煤在单轴压缩的过程中其电阻率变化幅度减小。     

煤岩单轴与三轴压缩试验研究

在电液伺服岩石力学试验系统上进行了煤岩的单轴和三轴压缩试验。结果表明:在单轴压缩时,大部分试件表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏;不同试样煤岩的强度离散性较大,对于强度较高的试件,其弹性模量也较大。三轴压缩时,煤岩的变形增加并沿某一斜面产生剪切破坏,变形表现出塑性材料的特征;煤样弹性模量相对单轴压缩时提高,离散性降低;三轴强度大于单轴强度,而且三轴强度和残余强度随围压的增加而增大。     

基于数字图像相关方法的单轴压缩煤样应变局部化过程试验

为了进一步揭示煤样的应变局部化过程,利用数码相机记录单轴压缩煤样一个观测表面的散斑场,采用数字图像相关方法计算应变场,根据清晰应变局部化带位置布置相互垂直的测线,获得了最大剪切应变的变异系数与纵向应力的依赖关系。研究发现:(1)子区尺寸及测点间距不会对最大剪切应变的变异系数-纵向应变曲线的发展趋势产生影响;(2)应变局部化带法向的最大剪切应变分布左右并非严格对称,应变局部化带切向的最大剪切应变分布并非均匀,前者应与煤的非均质性有关,后者反映了应变局部化带的传播;(3)随着纵向应变的增加,应变局部化带宽度有变窄的趋势,应变局部化带法向的最大剪切应变剖面有变陡峭的趋势;(4)只有应变局部化带经历由模糊到清晰的过程才能引起最大剪切应变的变异系数的突增,此时,应变局部化出现时的纵向应力与单轴抗压强度之比为0.56。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

砂岩在单轴压缩条件下的声发射特性研究

对云南南坡铜矿两种砂岩进行了单轴压缩试验, 并利用SDAES型数字声发射仪测试了加载过程中的声发射活动。结果表明, 岩石的变形与声发射活动存在较好的对应性; 声发射活动也受岩石各向异性的影响。第一组砂岩各向异性较为显著, 试样垂直层理加载时, 弹性模量明显小于平行层理加载时的弹性模量, 强度明显大于平行层理加载时的强度, 声发射也较平行层理加载时更为活跃。第二组砂岩试样的试验结果与此类似, 但其岩石各向异性不显著, 垂直层理加载和平行层理加载时岩石的弹性模量、强度及声发射相差均相对较小。     

动静载荷作用下红砂岩力学性能试验研究

利用MTS810电液伺服材料试验系统和霍普金森压杆试验系统(SHPB)分别研究红砂岩材料动、静载荷作用下应力-应变全过程曲线、破坏特征,并将2种状态下的试验结果进行了对比。研究表明:动载荷曲线较静载荷曲线在压密阶段之前存在局部变形阶段;动载荷作用下,当应变率大于66 s-1时,红砂岩应力-应变曲线表现出一个与静载作用下相似的软化阶段;而当应变率未达到66 s-1时,红砂岩在裂纹处发生明显的脆性崩裂;红砂岩在静载下为沿断裂面的滑移破坏,在动载下为轴向劈裂破坏。     

层状岩体单轴抗压强度的速率效应力学特性研究

以地下工程建设中普遍存在的层状岩体为研究对象,针对不同层理角度岩样开展了大跨度单轴加载速率试验,系统研究了加载速率对千枚岩力学特性的影响,试验结果表明:千枚岩由于微裂隙的存在,加载速率对裂隙的发育存在一个临界值,随着加载速率的增加,峰值强度未单调增加,而是呈现先升后降再升的S型曲线;层理软弱物质的承载力有限,在高速率条件下,出现了弹性模量下降现象;总能量、弹性应变能、耗散能具有与强度类似的S型曲线变化规律,层理倾角为0°时能量最高、90°时能量最低。     

循环加卸载对砂岩变形特征影响试验研究

岩石变形特征与所受的应力状态以及加载历史密切相关.基于三轴循环加卸荷试验,研究了不同围压、不同应力状态、不同卸荷量对砂岩变形特征及参数的影响.试验结果表明,卸荷过程中岩石变形模量变化规律和加载时并不相同:①相同应力差下,围压越大,相同卸荷量引起的变形模量降低量越小;②相同的围压下,应力差越大,相同卸荷量引起岩样变形模量的降低值越大;③循环荷载在岩石极限强度30%以内时,完全卸荷后岩石变形模量降低30%左右;循环荷载为岩石极限强度的30%～100%时,完全卸荷后岩石变形模量降低30%～60%左右;④不同围压下,卸荷时岩石变形模量降低量和卸荷量呈很好的线性关系.     

单轴压缩条件下冲击煤岩声发射特性实验研究

为了更深入地了解具有冲击倾向性煤体声发射特性,利用RMT150B试验机对冲击煤体在单轴压缩条件下全过程声发射特性进行研究,得出煤岩体破坏时应力、声发射特性参数之间随时间的变化曲线,并将整个过程分为5个阶段。研究发现声发射参数在试样屈服阶段出现了"平静期",标志煤样破坏前兆。通过比较不同弹性模量试样的声发射特性,发现随着弹性模量的增加,声发射特性的平均水平越高。煤岩在加、卸载时,当加载至弹性阶段时卸载,煤样在压密阶段的声发射信号比相对应的卸载阶段明显要强,而在弹性阶段声发射基本相同。当加载至屈服阶段时卸载,声发射在整个加载阶段都要比卸载时强,且越接近临界载荷卸载越明显。     

煤岩重复加载力学特性试验研究

利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统,对运河煤矿煤岩试件在重复加载作用下的特性进行研究。研究结果表明,在重复加载作用下,煤岩强度极限较常规单轴压缩强度极限降低约23.65%;二次加载时弹性模量较初次加载时弹性模量增大约21.08%。由于煤岩含有大量原生损伤裂隙并且强度较低,在重复加载过程中,煤岩内部原生裂隙和新生裂隙的闭合与张开以及不可恢复的宏观裂纹的产生为煤岩弹性模量的增大、强度极限的降低给予较为合理的解释。在重复加载作用下,有超过1/3的能量以内部裂隙的闭合,材料的屈服、破坏、损伤、断裂以及裂隙面的滑移摩擦等形式消耗掉。煤岩的破坏过程经历了从压密、应变硬化到软化的变化过程。     

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。     

瓦斯对突出煤力学特性影响试验研究

以具有突出倾向的原煤粉制备的型煤试件为研究对象,对其含瓦斯后煤样加、卸载过程中的力学性质和瓦斯对煤样力学性质的影响进行了试验研究.结果表明:含瓦斯煤加、卸栽过程中产生的残余变形量较大,加载过程变形模量明显要小于卸栽过程,加卸栽曲线形状具有较强的关联性,不同含瓦斯煤样的卸载阶段变形模量变化较大；瓦斯对煤样力学性质的影响主...     

不同卸荷速率下北山花岗岩力学特性试验研究

为探讨在增轴压卸围压的应力路径下不同卸荷速率对甘肃北山花岗岩力学性质的影响,对北山花岗岩进行了不同速率、不同围压条件下的卸荷试验,并与循环加卸载试验强度方面的数据对比分析,研究花岗岩的强度变形特征和破坏特点。研究结果表明:1围压效应明显,峰值强度随实时围压升高而增强;卸荷试验峰值强度包络线在循环加、卸载试验峰值强度包络线上方,且随着卸荷试验速率的升高,岩样峰值承载能力增强。2随着卸荷速率的增加,黏聚力增大,但内摩擦角变化较小且无明显规律;相比循环加卸载试验,卸荷试验的黏聚力降低了8%~20%,内摩擦角提高了9%左右。3随着围压的增加,卸荷试验峰值点至峰后应力跌落点的横向应变增量先减小后增加;不同围压下的卸荷起点至卸荷峰值点的横向应变增量在0.5~2.0 MPa/min卸荷速率区间内有相同的增减趋势。4随着卸荷试验速率的增加,岩样破裂面贯通程度增加;随着围压的升高,主破裂面破裂角增大,且破裂面更加平直。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

矿渣粉掺量对高水材料物理力学性能的影响研究

为了降低高水材料充填体成本、提高充填体强度,并有效开发利用矿山工业固体废弃物,开展了掺入有活性成分的矿渣粉对高水材料浆液和充填体物理力学性能及晶体微观结构影响的试验研究。结果表明,随着矿渣粉掺量增加,浆液初凝时间缩短,试件的含水率降低、容重增大,且含水率与峰值抗压强度及容重与峰值抗压强度均具有较好的二次相关关系;随着矿渣粉掺量的增加,试件的峰值抗压强度与残余强度均先减小后增大,掺量为10%时,峰值抗压强度与残余强度均达最小值;从材料的微观结构可以看出,矿渣粉的掺入促进了钙矾石晶体和硅酸钙凝胶的生长发育,改变了晶体发育形貌及网状结构形态。在试验掺量范围内,掺加20%的矿渣粉可使试件晶体空间网状结构最为致密,在宏观上表现为峰值抗压强度达最大值。