冲击荷载下石墨矿石破碎能耗特征

为了研究晶质石墨矿石试样在冲击荷载作用下的破碎能耗特征，采用?50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，设置气压间隔为0.1 MPa, 0.2～0.6 MPa共5组冲击气压，进行不同加载速率条件下石墨矿石试样冲击压缩试验，并分析石墨矿石试样破碎能耗规律。试验结果表明：在冲击荷载作用下，石墨矿石试样的动态抗压强度与平均应变率具有较强的三阶多项式关系，且石墨矿石在冲击荷载作用下具有动态硬化作用，其动态抗压强度随着应变率的增大呈非线性增大，呈现明显的应变率效应；石墨矿石试样破碎耗能与入射能具有显著的对数关系，随着入射能增大，试样破碎耗能也随之增大，但其试样破碎耗能所占比例随应变率增大逐渐由0.38下降至0.11;随着平均应变率增大，石墨矿石试样破碎耗能密度呈非线性增长，具有较强的应变率效应；石墨矿石试样的破碎平均粒径与破碎耗能密度具有显著的三阶多项式相关关系，随着石墨矿石试样耗能密度增加，石墨矿石试样破碎程度加剧，可以采用石墨矿石试样破碎块度平均粒径实现对石墨矿石试样破碎程度进行定量描述。     

动载作用下磁铁矿石破坏特性实验研究

利用分离式Hopkinson压杆试验装置,开展了不同应变率下的磁铁矿石冲击实验。分析了磁铁矿石在动载下的力学特性和破坏裂纹演化过程,揭示了磁铁矿石块度分布规律。研究结果表明:磁铁矿石的动态弹性模量与动态强度的应变率效应显著,在不同应变率下,应力-应变曲线峰后卸载速率以及卸载方式存在差异。随应变率的提高,软化因子(K)减小,磁铁矿石软化程度加深。磁铁矿石强度比例因子λ与■呈线性分布,比能量吸收与■呈线性分布。磁铁矿石破碎形态具有明显的自相似性,随着应变率提高,磁铁矿石平均块度减小,分形维数增大,磁铁矿石破碎程度加剧,分形维数与应变率、比能量吸收均呈线性分布。通过绘制全对数粒度特征曲线直观地表达了矿石碎块的粒度分布规律,结合块度分布系数(C),进而得出了实现矿石破碎的合理应变率范围。研究成果对于磁铁矿石动载破碎机理分析、破碎块度分布及能耗分析具有重要的参考价值。     

岩石劈裂拉伸试验的能量耗散分析

利用直径50 mm的霍普金森试验装置,对长径比为0.5的三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,分析了岩石试件在动态加载过程中能量的应变率效应、能量耗散特征和破坏形态。结果表明:反射能与入射能比值大于50%,透射能与入射能比值在10%以内,试件耗散能与入射能比值在10%~45%,因此,试件端部粉碎三角区的面积大小存在差异;在进行冲击试验过程中为提高岩石试件破碎的能量利用率,需尽量避开应变率200~300 s-1范围;岩石的抗拉强度、弹性模量、应力峰值的对数与能量耗散的对数具有显著线性关系。     

养护湿度对橡胶水泥砂浆动态压缩破坏特征及能量耗散的影响

为了探究养护湿度对橡胶水泥砂浆动态压缩破坏特征及能量耗散的影响,开展了95%和50%两种相对湿度养护下橡胶水泥砂浆的分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验。结果表明,试件的比能量吸收值与入射能和应变率均为线性正相关;增加橡胶掺量会减小比能量吸收值,但会显著增大平均破碎块度/减小分形维数;降低养护湿度会显著减小比能量吸收值以及减小平均破碎块度/增大分形维数,但随着应变率的增加,干、湿养护之间的平均破碎块度差值和分形维数差值逐渐减小;当比能量吸收值在1.0附近时,各组试件的破碎块度/分形维数相差最小,主要分布在10～25 mm/(1.85～2.20),当入射能在600～800 J时,试件的破碎块度和分形维数分布均比较集中。通过对SHPB试验中试件内部橡胶颗粒的耗能机制及试验中所伴随的不同能量进行讨论分析,印证了橡胶水泥砂浆良好的抗冲击破裂性,解释说明了在同一入射能水平下,由于橡胶颗粒的掺入和养护湿度的降低,导致反射能比率增大,透射能比率和破坏能比率均减小这一试验结果。     

高应变率条件下山西黑花岗岩的动态力学性能研究

采用分离式Hopkinson压杆试验技术,对山西黑花岗岩进行了一系列不同应变率(315.53s-1~1349.87s-1)的动态压缩试验。试验结果表明：山西黑花岗岩在高应变率条件下,动态抗压强度表现出突变特性：应变率从460.09s-1上升到860.20s-1的时候,山西黑花岗岩的动态抗压强度从272.33MPa提高到371.78MPa;在高应变率条件下,山西黑花岗岩材料的破碎机理为在初始冲击波作用区先产生体积破碎,而后在试样后半部分产生赫兹破碎;山西黑花岗岩在高应变率下的弹塑性变形能随应变率的增大而减小,高应变率条件下材料失效和裂纹扩展消耗更多能量,对应更加严重的材料破碎。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

动载下结晶灰岩动力学性能研究

针对保留围岩在爆炸荷载下的稳定性问题,基于SHPB、二波分析和分形理论等,对不同应变率加载下云南某矿区结晶灰岩的应力-应变曲线、破碎形态、分型维数及能量耗散特性开展相关研究。试验结果表明：应变率为49.64 s^-1时,岩石试件破坏模式主要为轴向劈裂破坏;应变率为87.05 s^-1时的破坏模式为劈裂-剪切组合破坏;在动态抗压强度方面,随着应变率的增加岩石的动态抗压强度与之呈明显的线性正相关关系,与静态抗压强度相比,动态强度增长因子由1.19增长至2.86;随着应变率增加,分形维数表现出逐渐增大的规律,应变率在30.37～138.18 s^-1时,D_f值从1.96增加至2.23,但随着应变率的增加D_f最终趋于某一阈值;耗能密度随入射能量呈指数增长。研究结果提供了不同应变率冲击荷载下结晶灰岩的动态破碎和耗能规律,为此类矿区安全高效的爆破施工及类似工程设计提供依据。     

灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

胶结充填体在动荷载作用下的响应特征

为掌握大红山铜矿井下在用的胶结充填材料对爆破荷载的响应特征,对质量浓度为72%、水泥含量为180 kg/m³的胶结充填材料开展了不同加载应变率下的常规单轴冲击试验。试验结果表明:CTB_(180)试件对入射冲击波的透射能力微弱,在较低的冲击应变率作用下即发生破裂;当■_s≥42.3 s3的胶结充填材料开展了不同加载应变率下的常规单轴冲击试验。试验结果表明:CTB_(180)试件对入射冲击波的透射能力微弱,在较低的冲击应变率作用下即发生破裂;当■_s≥42.3 s^(-1)时,试件韧性增加,试件瞬间被压密,增幅较■_s=30.3 s(-1)时,试件韧性增加,试件瞬间被压密,增幅较■_s=30.3 s^(-1)时明显提升,破坏应变量发生了突增;随着■_s的增加,反射能占比先减后增,透射能占比先增后减,但耗散能占比呈递增趋势;破坏形态上,当■_s≤20.7 s(-1)时明显提升,破坏应变量发生了突增;随着■_s的增加,反射能占比先减后增,透射能占比先增后减,但耗散能占比呈递增趋势;破坏形态上,当■_s≤20.7 s^(-1)时,试件仍保持其整体性,但当■_s≥42.3 s(-1)时,试件仍保持其整体性,但当■_s≥42.3 s^(-1)时,将整体失稳破坏。研究结果可以指导充填材料配比选型以及矿柱回采爆破参数优化。     

长径比和应变率对海泡石的破碎能耗影响研究

为了研究长径比和应变率对海泡石的破碎能耗影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对三组不同长径比的海泡石试样在不同应变率下进行动态压缩试验。结果表明：在同种长径比试样中,随着应变率的增加,海泡石试样的应力-应变曲线表现出不同的变化规律。当长径比相同时,应变率越高,海泡石试样的吸收能越大,使得压碎后的碎块尺寸更小且粉末增多。同等水平应变率下,随着长径比增加,海泡石试样的峰值应力不断减小且吸收能不断增大,破碎形态由劈裂变为压碎。当长径比越大且应变率越高时,海泡石试样的破碎程度越大且破碎效果越好。     

磁铁矿石双轴压缩破坏特征

为了充分了解磁铁矿石在深部开采过程的破坏特征,预防和控制岩爆的发生,保障井巷与采场的安全。基于双轴压缩破坏试验,运用声发射监测技术、扫描电镜试验和偏光显微镜观察的方法,从能量的角度研究磁铁矿石双轴压缩破坏特征。结果表明:随着水平应力的增大(10、15、20 MPa),磁铁矿石内部损伤密度与破坏程度逐渐增大,声发射类型依次为主振型、前振主振型和群振型。磁铁矿石内部不同区域的破坏机制不同,需要通过不同尺寸的碎块断面分析试件破坏的细观特征。矿石内部裂隙从矿石边界或从原生裂隙位置扩展的路径不同,但裂隙扩展方向总是指向结构强度较弱的区域,扩展过程中具有X型共轭交叉、延伸交叉、分支复合与分叉特征,结构弱面分布和低硬度颗粒嵌布特征是影响裂隙扩展形态的主要因素。研究结果在一定程度上丰富了深部岩体破坏理论。     

波阻抗对岩石动力学特性影响的模拟试验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对系列波阻抗的模型材料进行不同应变率下的冲击压缩试验。试验结果表明:岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率和冲击速度的影响。波阻抗相同时,反射波和透射波信号幅值均随冲击速度增大呈线性增大,同时应变率效应明显,随着应变率的增大:峰值应力呈线性增大,动态弹性模量增大,应变软化阶段延长;破碎程度增大,破碎块度分形维数呈线性增大。应变率相同时,随着波阻抗的减小:反射波幅值增大、透射波幅值减小;峰值应力减小,应变软化阶段延长,塑性段趋于明显,且有塑性流动现象出现;破碎程度增大,破碎块度分形维数增大。同时随着波阻抗减小,应变率增大对动态抗压强度的增大以及对破碎程度的加剧效果减弱,应变率效应减弱,逐渐趋于不明显。     

不同内径圆环砂岩试件温水耦合动态劈裂力学试验研究EI北大核心CSCD

煤矿巷道围岩经常处于地下水和温度共同作用环境中。由于岩石动抗拉强度远小于其动抗压强度,当受到掘进爆破等动载作用时岩体破坏往往取决于动抗拉强度,温水耦合岩石在动荷载扰动下动态抗拉力学性能值得深入研究。对不同内径圆环砂岩试件(外径50 mm,内径0~25 mm)进行温水耦合作用,开展X射线衍射和扫描电子显微镜试验,并利用霍普金森压杆试验装置进行动态劈裂力学特性试验研究。结果表明:温水耦合作用使砂岩试件产生损伤劣化,基本物理参数发生变化,动力学性能呈现出弱化现象;相同加载条件下,圆环砂岩试件内径增大,试件更易发生张拉破坏;劈裂后的半圆环发生了挤压断裂;相同内径时,温水耦合作用砂岩试件碎块更加明显;从能量耗散角度对试件破碎形态进行分析。     

碳化龄期对水泥砂浆动态力学特性影响试验研究

为了研究碳化龄期对混凝土动态力学性能的影响,利用碳化试验箱对水泥砂浆试件环向圆周面进行0d、3d、7d、14d、28d的碳化模拟,并采用直径Φ50 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置开展不同碳化龄期的水泥砂浆冲击压缩试验,得到了试件动态抗压强度、动态弹性模量、动态峰值应变和破碎块度与碳化龄期的关系.结果表明:由于碳化过程生成的CaCO3结晶充填水泥砂浆表面的孔隙形成碳化层,砂浆试件的动态抗压强度、动态弹性模量随着碳化龄期的延长而增加,从0 d到28 d,动态抗压强度平均值增加了2.06倍、动态弹性模量平均值提高了65.24％;随碳化深度的增加,碳化层的约束作用逐渐显现,碳化龄期14 d和28 d的试件表现出一定的应力增强效应;碳化层的脆性破坏导致其约束作用失效,使得试件的峰值应变随碳化龄期的延长而减小,降低了试件的变形能力,试件破坏形态随碳化龄期的延长逐渐趋于大块,冲击后试件大于7 mm的碎块质量比由碳化龄期0 d的47.65％增加到碳化龄期28 d的94.90％.     

不同应变率下岩-煤-岩组合体冲击动力试验研究

为了研究岩-煤-岩组合体动态力学性质,利用直径为75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)在5种不同应变率下对组合体试件进行单轴动态冲击压缩试验。研究结果表明:气压与子弹速度之间、冲击速度与应变率之间、应变率与动态弹性模量之间、应变率与动态抗压强度之间、应变率与分维数值之间都近似呈线性关系;σ-ε曲线在近似直线上升到峰值应力的75%左右时,随着应力的增加,曲线斜率逐渐降低,直至达到应力峰值,试件破碎后,呈现跳崖式下降现象;岩-煤-岩组合体在应变率较低时沿着加载方向轴向劈裂破坏,但伴随着应变率的升高,岩块分布也逐渐呈现细粒化,破碎程度也随之增强,块度分维数值也呈线性升高。     

一维动静组合加载下深部石英片岩破坏研究

为研究锡铁山铅锌矿深部石英片岩的力学特性,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对埋深863¹ 264m的试样进行25、30、35MPa轴压下的一维动静加载实验,和采用LS-DYNA软件模拟了25、30、35、40、45、50 MPa轴压情况下的冲击实验。研究结果表明:在冲击作用下,试样的一维动态抗压强度和破坏所需的入射能随着埋深的增加而增加,并呈现出常见的压剪破坏模式;当轴压40MPa左右,埋深1 428m的岩石动态抗压值达到最大;当轴压低于40 MPa时,轴压的增大能加强试样的抗压能力;当轴压大于40MPa时,轴压的增加反而减弱了试样的抗压能力。     

磁铁矿石双轴压缩破坏特征

为了充分了解磁铁矿石在深部开采过程的破坏特征,预防和控制岩爆的发生,保障井巷与采场的安全。基于双轴压缩破坏试验,运用声发射监测技术、扫描电镜试验和偏光显微镜观察的方法,从能量的角度研究磁铁矿石双轴压缩破坏特征。结果表明:随着水平应力的增大(10、15、20 MPa),磁铁矿石内部损伤密度与破坏程度逐渐增大,声发射类型依次为主振型、前振主振型和群振型。磁铁矿石内部不同区域的破坏机制不同,需要通过不同尺寸的碎块断面分析试件破坏的细观特征。矿石内部裂隙从矿石边界或从原生裂隙位置扩展的路径不同,但裂隙扩展方向总是指向结构强度较弱的区域,扩展过程中具有X型共轭交叉、延伸交叉、分支复合与分叉特征,结构弱面分布和低硬度颗粒嵌布特征是影响裂隙扩展形态的主要因素。研究结果在一定程度上丰富了深部岩体破坏理论。     

充填材料对节理岩石动力学性能影响的模拟试验

采用相似材料模拟制作与真实节理岩石性质相同的节理模型试件,通过在大直径(50 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)装置上对人工制作的节理岩石试件进行冲击试验,探究节理充填材料对岩石动态力学性能的影响。试验结果表明:随着充填材料强度的降低,节理试件动态弹性模量降低,动态抗压强度呈指数形式衰减,软材料充填的试件呈现塑性破坏,试件整体破坏形态与充填材料性质相关。能量分析,反射能量比随充填材料强度降低呈增大趋势,透射能量比降低,耗散能量比与充填材料性质相关,由能量表征的损伤变量与冲击速度呈弱幂函数关系,满足d=-0.11v2+1.31v-3.01,试件破坏时的损伤d=0.458。     

一维动静组合加载下深部石英片岩破坏研究

为研究锡铁山铅锌矿深部石英片岩的力学特性,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对埋深863~1 264m的试样进行25、30、35MPa轴压下的一维动静加载实验,和采用LS-DYNA软件模拟了25、30、35、40、45、50 MPa轴压情况下的冲击实验。研究结果表明:在冲击作用下,试样的一维动态抗压强度和破坏所需的入射能随着埋深的增加而增加,并呈现出常见的压剪破坏模式;当轴压40MPa左右,埋深1 428m的岩石动态抗压值达到最大;当轴压低于40 MPa时,轴压的增大能加强试样的抗压能力;当轴压大于40MPa时,轴压的增加反而减弱了试样的抗压能力。