真三轴应力路径下花岗岩岩爆特征试验研究

为分析高应力条件下开挖卸荷对巷道围岩破坏特征的影响,利用真三轴岩爆试验系统,通过三向六面加载、单面快速卸荷的方法对花岗岩的破坏形态、能量演化特征和声发射基本特征参数进行研究.试验结果表明:岩石破坏过程分为小颗粒弹射、岩板劈裂、板折剥落、块状弹射４个阶段.试样在卸荷面形成“V 形”岩爆坑,内侧出现剪切裂纹,其整体破坏形态在空间分布上呈二元分布;通过对岩爆能量的研究发现,卸荷过程前岩石所吸收的能量主要以可释放的弹性应变储蓄在岩石自身,在卸荷过程后所累积的弹性应变能释放,促进岩石的破碎;声发射 AF 和RA 特征值的变化规律表明,试验过程中岩石试样产生张拉裂纹和剪切裂纹,且以剪切破坏为主.岩石的损伤变量曲线与应力曲线有较好的对应关系,可以反映岩石内部结构的破坏程度,为深部工程灾害监测提供一定的理论依据.     

真三轴加卸载下砂岩力学特性的速率效应

为研究砂岩力学特性的速率效应,开展砂岩真三轴加卸载试验.试验结果表明:加、卸载速率对砂岩力学特性有明显影响,随着加载速率的增大,岩石弹性增强,三轴抗压强度增大,变形发育更充分,岩石破坏时围压水平提高,破坏更加迅速,所需时间减少,破坏时应变增大;而随着卸荷速率的增大,岩石的弹性承载能力减弱,强度降低,破坏时卸载方向变形增大,岩石破坏时围压水平降低,但卸载速率越小,岩石最终破坏时裂纹发育越充分;加卸载过程中,岩石变形模量逐渐劣化损伤,加载速率越大,卸荷速率越小,变形模量的劣化损伤变慢.     

不同卸荷条件下砂岩力学特性试验研究

岩体开挖的卸荷效应研究对巷道围岩的稳定性、支护和设计等具有重要意义。为揭示不同卸荷时机和卸荷速率对岩石力学性质的作用效应,利用单轴压缩伺服试验机对砂岩开展单轴不同卸荷时机和不同卸荷速度试验。试验结果表明,同一卸荷时机下,岩石的强度和弹性模量随加卸载速度的增加而升高,相同卸荷速率下,卸荷时机越大,岩样的强度也越大;卸荷时机较小时,岩样破裂网络比较发育,岩样破碎程度较高,破碎岩块呈片状;在卸荷时机较大时,岩样破坏较简单,岩样破碎程度较低;低加卸荷速率下,岩样破坏较复杂,在高加卸荷速率下,岩样破坏较简单,在相同的卸荷速率下,破坏角随着卸荷时机的增加而增加;在相同的卸荷时机下,高加卸荷速率下岩样的破坏角比低加卸荷速率大;不同卸荷时机和卸荷速度下砂岩的声发射特征差异化明显。此研究为巷道开挖造成岩石失稳破坏的预测或判断提供参考依据。     

围压卸荷对矿柱破坏模式影响分析

利用东北大学岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),研究了围压卸荷对矿柱破坏模式的影响。通过对不同围压卸荷方式中岩石试件的应力积累、裂隙扩展及整个破坏过程进行分析,得出了围压卸荷条件下矿柱的破坏规律。数值计算结果表明,当轴向载荷超过岩石试样的单轴抗压强度时,对试件围压实施一次卸荷容易引起岩石剧烈的脆性破坏,而对试件实施围压逐步卸荷,岩石试件则呈现出较明显的延性特征,其内部积累的能量随着卸荷步骤逐渐释放出来,能避免岩石发生剧烈脆性破坏。这一结果对指导采场开挖过程中,保护采场以及矿柱的稳定具有重要的理论意义。     

砂岩真三轴加卸载能量特征的速率效应

基于不同加卸载速率真三轴试验,研究砂岩加卸载能量特性的速率效应。结果表明:不同加卸载速率下的能量-应变曲线总体趋势基本相同,即输入的总能前期主要储存岩石弹性能,后期主要转化为用于岩石变形破坏的耗散能;加卸载速率对能量特性存在显著影响,高加载速率或低卸载速率下,岩石破坏时的总能、弹性能、耗散能增大;加载速率越大或卸载速率越小,破坏时的应力越大,卸荷比越小,变形破坏越剧烈,当卸荷比接近最终临界值时,总能与耗散能急剧增大,此时继续少量卸载σ_3就会引起岩石剧烈变形至破坏;加卸载速率改变了岩石的能量分配。     

峰前卸荷大理岩变形演化规律及破坏耗能特征

变形是岩石卸荷破坏过程中的重要特征,岩石中积聚能量的耗散则是卸荷破坏的本质。利用MTS 815.3岩石力学试验系统探究大理岩在峰前卸荷条件下的变形演化规律及破坏耗能特征,主要考虑了应力路径、卸荷速率和卸荷点等因素的影响。结果表明:围压卸至0处体积应变为正时,可制备卸荷损伤破裂岩样,体积应变在卸荷过程中分为3个阶段:稳定阶段、缓慢减小阶段和显著扩容阶段;卸荷过程中,剪胀角与卸荷点呈正相关;变形模量(或广义泊松比)先缓慢减小(增加),随后快速降低(增加),卸荷点越大变形模量(或广义泊松比)转折点处对应的围压越大,卸荷路径对变形模量和广义泊松比影响较小;耗散能与卸荷点呈正相关,升轴压卸围压耗散能>恒轴压卸围压>卸轴压卸围压;不同卸荷路径下吸收能和耗散能随卸荷速率的增加差值逐渐减小,趋于稳定的吸收能和耗散能大小约0.27 MJ/m³和0.16 MJ/m³;卸荷速率控制试样破坏形态,低卸荷速率下,破坏形态以张拉剪切为主,破坏试样表面张拉裂纹和环向裂纹显著;较高卸荷速率下,表面张拉裂纹减少,破坏形式主要为伴随岩块崩落的剪切破坏;卸荷路径和卸荷...     

岩石卸荷破坏的变形特征及本构模型

对闪长岩试样进行了加轴压、卸围压试验,研究了卸荷条件下闪长岩的变形和破裂特征.结果表明：与加载试验相比,卸荷试验中岩样轴向应变没有明显的应变强化过程,轴向应变峰值较小,弹性模量与围压呈非线性关系降低,泊松比与围压呈非线性关系增加,岩样破坏特征以主剪切破坏为主.基于试验认识,采用损伤力学理论,通过岩石强度的随机分布假设和摩尔-库仑强度理论,引入比例系数,建立了一个能够反映岩石卸荷特征的三维损伤本构模型.基于试验结果给出模型参数, 模型能够反映岩石卸荷条件下的强度及脆化特征,理论结果和试验结果吻合较好.     

扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制

地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏,对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验,研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律,分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:①单面瞬时卸荷时,轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象,轴向应力越大,回弹量越小,压缩量越大;②随着第二主应力的增大,破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程,第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏,第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素,在第二主应力为10 MPa时,试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹,随着第二主应力的增加,试样内部剪切现象逐渐消失,出现的劈裂裂纹增加,在第二主应力为20 MPa时,试样内部基本全部处于劈裂破坏;④动静组合作用下,静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素,同等扰动条件下,当静载为破坏强度的80%时,破坏强度为148. 6 MPa,静载为破坏值的90%时,岩样的整体破坏强度为142. 4MPa,静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低,静载相同时,随着扰动振幅、频率的增加,岩体的破坏强度越低,对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。     

类岩石加锚试样单轴压缩力学性质及破坏机制

目前锚杆作用于完整岩体的锚固机制研究较少,以加松香的水泥砂浆和铜丝制成类岩石加锚试样,进行单轴压缩试验研究.与无锚试样相比,压缩试验的加锚类岩石单轴抗压强度明显提高,轴向锚固的弹性模量比横向锚固的弹性模量提高约48%,类岩石锚固体试样为剪切破坏或拉剪综合破坏,而无锚类岩石试样以劈裂张拉破坏为主.加锚类岩石抗拉强度有所提高,加锚试样压拉比大于无锚试样.类岩石加锚试样因锚杆锚固作用会形成等效围压,宏观上会提高围压与主压应力的比值,细观上使主裂纹产生挤压流动和塑性变形而不易形成拉伸翼裂纹,从而提高类岩石加锚试样的强度和改变类岩石加锚试样的破坏模式.     

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.     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

深孔爆破数值模拟及其在煤矿顶板弱化中的应用

分析了钻孔爆破对岩石的破坏过程,提出了岩石钻孔爆破过程的“动静压”破坏原理.利用AUTODYN软件对钻孔爆破进行数值模拟,得出钻孔爆破的岩石破裂过程.分析了钻孔不耦合装药爆破的规律,实现了理论分析及数值模拟结合到现场实施的煤矿顶板弱化成套技术,用现场钻孔观测爆破裂隙及矿压规律监测方法验证了研究结论.     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

采用SDAES型数字声发射仪和岩石参数动态测试系统,对云南大红山铜矿2组岩石进行了单轴压缩条件下的声发射实验,研究岩石在单轴加载过程中声发射活动随时间和应力、变形等内在规律,比较2组岩石声发射规律的异同,在此基础上分析了岩石的破坏机理。实验结果表明：2组岩石声发射活动规律大体相同。除加载初期外,岩石声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与试样体积变形的主要原因。岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率不完全一致,声发射能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感,更适合用来预测岩石的破坏。     

散体云母片岩击实破碎特性试验研究

以某露天矿散体云母片岩为研究对象,对散体岩石物料开展不同级配和含水率条件下的击实试验,分析散体物料的击实特性,以及最大干密度、最优含水率和孔隙比随粗颗粒含量的变化关系;在此基础上,引入Bg颗粒破碎指标,探讨击实过程中散体颗粒的破碎特性。研究表明:1)随粗颗粒含量的增加,散体云母片岩的最大干密度呈现先增大后减少的非线性变化关系,最优含水率和孔隙比则相反;2)当粗颗粒含量为60%～70%时,最大干密度值出现峰值,且试样含水率和孔隙比最小,说明该级配条件下散体物料压实度最好;3)当粗颗粒含量在10%及其以下时,在相同击实功作用下颗粒将不再发生破碎,与此同时,破碎率也不会随着含水率的改变而发生变化;4)粗颗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素,但相对于含水率而言,粗颗粒含量对破碎率的影响要更加显著。     

高跨比对层状顶板稳定性的影响

根据梁的受力理论,对层状顶板的破坏进行了力学分析。通过层状顶板破断的演化过程来研究其破断机理,探讨了层状顶板的应力分布状态。运用东北大学岩石破裂与失稳研究中心的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)对高跨比对复合层状顶板稳定性的影响进行了数值模拟计算,得出了不同高垮比对巷道稳定性的影响情况。     

隧道开挖过程中层状围岩稳定性分析

结合工程实例，基于块体的失稳条件和层状岩体的破坏条件，分析不同地质构造形态岩层下，隧洞开挖过程中围岩的稳定性。并根据洞室围岩产状与开挖几何边界的关系，提出围岩易破坏点的位置确定方法。最后，通过对工程实例中围岩塌方的统计，分析塌方围岩原因，进一步验证层状岩体中围岩的稳定性评价。     

深部围岩分区破裂化模型试验研究

为研究深部巷道围岩破裂机理,在"深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置"进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行,在较大轴向压力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,使得在围岩内产生较大的径向拉应变,其产生的拉伸断裂是出现分层破坏现象的关键,分布特点是随着轴向应力的增加其拉应变值增加,随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在较大的轴向压应力持续作用下,拉伸破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域,即分层破裂现象。     

The influence of equipment settings and rock properties on high voltage breakage

High voltage breakage is a novel comminution method that relies on highly energetic electrical pulses to weaken or fully fragment rocks. The potential of this technology to improve liberation and increase the grindability of ores has been demonstrated previously, but the fragmentation process is not fully understood. In this study a total of 20 rock types were treated in a SELFRAG Lab device to determine the influence of equipment parameters on breakage. Rock mass properties and Bond Work Index were determined for each rock type to identify their relation to breakage behaviour. Results show how, by influencing total applied energy, the number of discharges and voltage are the two major influences on the resultant product size. It has also been shown that coarser feed sizes are more amenable to high voltage breakage. Acoustic impedance, porosity and quartz content were found to relate to breakage but Bond Work Index only correlates loosely.     

Image based modeling of rock fragmentation

In the mineral extraction industry, comminution modeling is not only interested in maximum rock strength, but also, or much more, in the energy required to induce rock fracture and, most significantly, into the effect of energy application on the produced rock fragments size distribution. An additional aspect of rock breakage, specific to the mineral extraction industry, is the modeling of liberation of particular mineral grains from the host rock matrix. These aspects of rock behavior make comminution modeling a unique field of rock mechanics.From a traditional engineering point of view (mining and civil), rock samples are considered to be homogenous. Although the mechanical properties of individual minerals can vary significantly, the properties of the minerals and of the mineral boundaries interact randomly enough to assume that in the size of rock samples mechanical properties can be considered homogenous. However, from a comminution point of view, heterogeneity caused by a difference in the properties of minerals are crucial and therefore rock material, even in the scale of a few centimeters, should be considered as heterogeneous. The comminution response of such rock will be influenced by the textural parameters of the rock as well as mechanical properties of constitutive mineral grains.Image based numerical modeling is a useful tool for investigation of the pattern and dynamics of the rock breakage process. Its usefulness rests on the fact that a difficult step of building a faithful model of rock texture and composition, as a pre-requisite for modeling of rock breakage, is removed. Numerical modeling based on the use of classified digital image of the rock surface, could be particularly effective in the mineral extraction industry, where one of the key objectives is liberation of specific minerals, by providing inside view of mechanisms that are responsible for liberation of valuable minerals embedded into specific ore matrix.