松软煤体巴西劈裂试验研究及应用北大核心

为了获得厚径比和含水率对松软煤体劈裂强度的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,进行不同厚径比和不同含水率条件下型煤的巴西劈裂试验,并将实验结果代入考虑垫条与试样接触角的抗拉公式计算。试验结果表明:含水率相近时,随着试样厚径比的增大,抗拉强度逐渐减小,厚径比-抗拉强度曲线下降趋势不断减缓,厚径比大于0.6后曲线近似水平;厚径比相同时,随着含水率增加,煤样抗拉强度总体呈下降趋势。     

松软煤体巴西劈裂试验研究及应用

为了获得厚径比和含水率对松软煤体劈裂强度的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,进行不同厚径比和不同含水率条件下型煤的巴西劈裂试验,并将实验结果代入考虑垫条与试样接触角的抗拉公式计算。试验结果表明:含水率相近时,随着试样厚径比的增大,抗拉强度逐渐减小,厚径比-抗拉强度曲线下降趋势不断减缓,厚径比大于0.6后曲线近似水平;厚径比相同时,随着含水率增加,煤样抗拉强度总体呈下降趋势。     

操作参数对立式辊磨机产品粒度分布特性的影响

利用实验室立式辊磨机对3种不同粒度级配的矿渣试样进行了粉碎试验,基于分形理论研究了粉碎后颗粒粒度分布的分形行为,结果表明,3种不同级配矿渣试样粉碎后的粒度分布具有自相似和分形特征。考察了不同操作参数(液压缸压力、电机转速和含水率)对矿渣粒度分布和分形维数的影响,结果表明,随着液压缸压力增加、电机转速降低,各矿渣试样粒度分布趋于分散分布,分形维数逐渐增大,最终趋向定值。在低压力和高转速下,初始颗粒级配对分形维数影响显著;含水率1%时粉碎效果较好,随着含水率增加,分形维数迅速降低。在实际生产中,分形维数可以粗略评价立式辊磨机的粉碎性能。     

含层理面煤试样的巴西圆盘劈裂实验及数值模拟研究

对含层理的煤岩试样进行巴西圆盘劈裂实验和有限元法-离散元法(FDEM)数值模拟, 结果表明层理角度对劈裂破坏模式和抗拉强度有明显影响。 随着层理角度不断增大,可将劈裂 破坏模式划分为4类:垂直层理面的张拉破坏;折线形张拉-剪切复合型破坏;沿层理面的剪切破 坏;沿层理面的张拉破坏。 对抗拉强度值进行分析可知:当垂直于层理面加载时,层理角度影响 最小,抗拉强度等同于煤试样基质的抗拉强度;随着层理角度增大,抗拉强度逐渐减小;平行于层 理方向加载时,抗拉强度最小。 此外,从能量角度分析可知:随着层理角度增大,试样破坏所耗散 的能量越来越少,破坏越容易。     

基于尺寸效应的砂岩巴西劈裂声发射特征试验研究

利用SAW-2000岩石伺服压力机和SAEU2S声发射监测系统,对5组厚径比一定,直径不同的砂岩圆盘试样进行巴西劈裂试验,并对加载过程中的应变、声发射参数进行分析。结果表明:在试样同厚径比的条件下,试样的抗拉强度与试样直径符合一定的函数关系,岩石巴西劈裂的抗拉强度随尺寸的增大而减小,当尺寸达到某一阈值时强度趋于稳定;岩石巴西劈裂过程中尺寸效应对声发射(AE)能量的释放影响明显,小尺寸试样AE累计能量与时间的曲线呈现多个"台阶形"变化,随着试样尺寸的增大,AE累计能量与时间曲线前期变化平缓,临破裂前出现激增。     

空心圆柱试样水力劈裂特性研究

土石坝中的水力劈裂现象一直是影响坝体施工和运行期安全的隐患之一.为研究土体中发生水力劈裂时的机理及其影响因素,利用三轴仪对黏土心墙料进行了一系列的试验.通过试验认为,含水率和干密度以及试验时围压大小对试样的抗水力劈裂能力有一定的影响,土体中的水压楔劈效应对试样的水力劈裂有较大的影响,试样存在初始缺陷减弱了土体的抗水力劈裂能力,其破坏与均质的试样破坏有一定的区别.     

层状组合砂岩强度及变形特性试验研究

为研究煤矿层状砂岩顶板失稳破坏机理,明确岩石的厚度比对岩石力学性质的影响,选取两种强度比为1∶1.12的砂岩进行了不同组合的单轴压缩试验。结果表明:不同组合的砂岩,随着红砂岩厚度的增加,抗压强度、弹性模量变化范围较小,但红砂岩占比0.8的组合砂岩,上下端部存在10mm的较软岩石,消除了端面效应,吸收部分能量,改变了试样的破坏模式,导致其强度高;最先产生裂纹的位置受交界面的影响,无粘结试样的裂纹最初产生在交界面,有粘结试样的裂纹最初产生于端部,峰后破坏呈现明显的阶段性特征;组合砂岩的破坏模式主要有剪切滑移型、折线剪切劈裂型、贯通劈裂剪切型破坏3种;白砂岩厚度大的试样,破碎分维与抗压强度成正比,红砂岩厚度大的试样,破碎分维与抗压强度成反比。     

不同界面角度煤充结构体劈裂破坏特性与机理

柱旁充填中煤柱与充填体之间的界面为煤充结构体的薄弱环节,对煤充结构体的劈裂特性具有重要影响。本文开展了不同界面角度情形下煤充结构体试样破坏的巴西劈裂试验,分析了煤充结构体试样的劈裂特性、破坏模式与受力状态,并揭示了其劈裂破坏机理。结果表明：煤充结构体可简化为由煤体元件和充填体元件共同组成的复合承载体,其劈裂力学特性与界面角度密切相关。煤充结构体试样整体抗拉强度随界面角度增加呈先增大后减小的变化趋势,表现出明显的各向异性。煤充结构体试样的破坏模式表现为：类型Ⅰ:裂纹主要沿煤充结构体试样界面扩展;类型Ⅱ:裂纹主要沿煤充结构体试样加载方向扩展;类型Ⅲ:裂纹沿煤充结构体试样界面方向和加载方向扩展。煤充结构体劈裂破坏机理体现在：界面上所受载荷达到界面抗压、抗拉或抗剪强度,使试样内部产生沿界面贯通的裂纹,发生Ⅰ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,最早产生拉伸裂纹;随着载荷持续增大,充填体元件所受载荷也达到自身抗拉强度,最终沿加载方向在试样内产生贯通型拉伸裂纹,发生Ⅱ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,产生拉伸裂纹;随着载荷不断增大,先后或同时达到界面强度和充填体元件抗拉强度,使试样内形...     

含不同预制裂隙相似试样的注浆诱发劈裂裂隙扩展规律研究

为了研究煤岩中不同位置、角度和尺寸的裂隙对注浆诱导裂隙劈裂的影响,采用物理相似模拟试验的方法,在煤岩相似试样中设置不同的预制裂隙进行注浆试验,并基于相似试样断面情况、声发射监测结果和泵压曲线,对含预制裂隙相似试样的裂隙劈裂扩展规律进行研究。研究表明:预制裂隙与注浆孔不相交时,含预制裂隙的煤岩相似试样注浆劈裂裂隙的发育过程包含劈裂贯通、浆液填充、裂隙劈裂、劈裂扩展4个阶段;随着预制裂隙尺寸的增大,劈裂裂隙越易向着预制裂隙的方向发育;与预制裂隙贯通后,新发育的劈裂裂隙更倾向沿着预制裂隙的角度向外扩展;相交时,无劈裂贯通阶段;预制裂隙位置、角度和尺寸影响甚至决定着劈裂裂隙的发育方向。     

冬瓜山铜矿深部硬岩SHPB动态巴西劈裂实验

利用中南大学SHPB试验系统,并结合高速摄影技术,对冬瓜山铜矿深部采集的矽卡岩进行了动态劈裂实验,分析并验证了影响实验结果的影响因素,运用Flac_3D数值模拟软件分析了在动载荷下试样内部的应力分布,验证了实验的有效性。实验研究了矽卡岩在动态劈裂下的应变率和破坏强度、破坏应变之间的相互影响规律。实验结果表明,应变率对试样抗拉强度的影响较为显著,岩石试样的劈裂强度体现出一定的率相关性,动态抗拉强度随着应变率的增加而增大;结合高速摄影分析了试样内部裂隙萌生、发展规律;随着应变率的增加,试样的破坏应变也随之增加。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

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。     

帷幕体单轴压缩破裂声发射空间演化规律与分形特征研究

基于岩石破裂声发射事件空间定位技术和分形几何理论, 对以研山铁矿东帮砂砾卵石为骨料经胶结制作的帷幕体试块进行了单轴压缩试验研究, 探讨了不同含水率下帷幕体试块的强度特性、AE事件累积计数特点、声发射事件空间演化规律及分形特征。研究结果表明：帷幕体试块破裂受到卵石骨料等成分的空间分布非均匀性影响和内部存在的各级结合缝控制, 破裂空间分布呈现非均布向均布演化特征。一定的含水量可以提高帷幕体的强度; AE事件随应力增加逐渐活跃, 其空间分布逐渐由区域中心向外扩散, 渐呈均布趋势聚集于试件中部, 且AE事件大部分产生于应力峰值前; AE事件空间分布分形维数随应力变化表现为先升维后降维, 在峰值应力附近达到最大值, 然后出现分维突降现象。分形维数降低可以作为预测帷幕体失稳破坏的前兆。     

低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较少。锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从0.001～0.100 mm/s等5种低应变率加载速度工况下的单轴压缩试验。试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹。进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传递不能发挥作用。研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广"锚支卸"联合防冲支护措施。     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

注浆对岩体节理面加固作用的试验研究

为了确定裂隙注浆后对围岩理化性质的影响,通过现场采样,制作了5个红砂岩尺寸相同试件,在试件进行模拟注浆,借助激光扫描仪对试件在不同配比注浆材料和保养天数后,注浆材料对注浆岩体的节理面影响。结果表明:随水灰比的增大,红砂岩试件的最大剪切应力呈不断减小的趋势,且养护天数越长剪切应力越大,水泥—岩体的黏聚力先增大后减小,而内摩擦角先减小后增大;对试件施加的法向应力越大剪切应力越大,相同法向应力下添加减水剂的水泥—岩体大于未添加减水剂的最大剪切应力;节理面注浆宽度越大,红砂岩试件的最大剪切应力越大,且随水泥水灰比的增大试件的最大剪切应力逐渐减小;随结构面粗糙度的增大,剪切应力呈不断上升的趋势。     

铜丝电爆炸载荷下红砂岩破裂行为实验

金属丝电爆炸破碎岩石是一种环保且有前景的爆破技术。为进一步认识岩石在金属丝电爆炸载荷下的破裂行为,基于高压脉冲放电实验平台,开展了直铜丝电爆炸破碎红砂岩的模型实验研究。借助超高速相机观测了试件表面裂纹的起裂和扩展过程,探讨了放电电压和爆源位置等因素对岩石破裂效果的影响,具有一定的创新性。结果表明,随着放电电压增加,岩石破裂程度变得更加严重。30 kV电压下,金属丝发生电爆炸,但并未有效破裂岩石;40 kV电压下,试件出现数条宏观裂纹,红砂岩破裂成碎块状。此外,爆源到试件表面的距离越近,试件表面的裂纹越发育,试件的破碎程度越严重。     

红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

以标准红砂岩试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置结合自行开发的煤岩 细观力学特性测控软件,对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究,并 基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象。结果表明:载荷大小对红砂岩剪切蠕变力学特性具有 明显的影响,直接决定着加速剪切蠕变阶段的有无、试样的破坏与否和试验时间对其剪切蠕变力学特性的 影响程度;存在2个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ₁、τ₂,它们将红砂岩剪切蠕变类型分为3种, 即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏;红砂岩试样破裂带的形成过程表现为渐进式,破坏过程表现为渐 进式与突发式结合,破裂面附近区域为裂纹结构丰富区且该面为非平直剪切面;不同载荷水平作用下岩石剪 切蠕变力学特性可以用来解释边坡失稳发育过程中的现象,认为边坡内潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变 破坏是边坡发生失稳的力学机理。     

含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度试验

为了研究冻结条件下西部地区裂隙岩体的力学性质,以西部中生代地层典型的红砂岩为试验对象,通过数码显微镜观察分析了红砂岩的颗粒、孔洞分布特征,并在-5~-15 ℃条件下,对无裂隙冻结红砂岩和裂隙倾角β为0°,15°,30°和45°的冻结裂隙红砂岩进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明：冻结红砂岩和冻结裂隙红砂岩的强度都随围压的增加而线性增加。冻结裂隙红砂岩强度随着裂隙倾角的增加而非线性递减,在裂隙倾角大于30°后,强度降低的幅度不大。含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度和侧向变形主要受裂隙冰控制,因此工程中需要了解裂隙的角度分布特征。