层理对煤岩动态裂纹扩展分形特征的影响

对于煤岩类材料在不同应变速率下的裂纹扩展行为研究为采矿工程实践提供了重要的理论参考,然而该类研究难度较大。为了研究含层理结构各向异性煤样在冲击载荷下的裂纹扩展行为及发育机制,采用霍普金森加载装置对直切槽半圆形煤样进行冲击条件下的断裂特性测试,并采用高速摄像机对冲击过程中裂纹扩展发育特征进行拍摄。利用Matlab和Image J等图像处理软件,进一步分析了层理和加载速率对煤中动态裂纹扩展分形特征的影响。研究表明:层理结构对煤中动态裂纹扩展路径及速度均具有重要影响,45°层理煤样分形裂纹扩展速度最大,而层理倾角为0°煤样的分形裂纹扩展速度最小;层理倾角对裂纹扩展路径的分形维数也具有显著影响,45°时煤样中裂纹扩展路径分维值最大,其次为层理角度22.5°和67.5°,0°和90°最小;同一裂纹的速度峰值和加速度峰值交替出现,且加速度峰值出现在速度峰值之前,裂纹扩展的驱动力可由加速度指标间接表示。考虑瞬时效应和分形特征的若干煤样裂纹扩展速度测试值与瑞利波速接近,且22.5°,45.0°和67.5°层理角度的煤样测试时易出现最高峰值。该试验结果与先前理论假设相吻合,因此获取含结构面煤岩类材料动态...     

裂纹顶端的扩展准则

在过去几十年里,断裂力学处理纯I型或Ⅱ型或Ⅲ型裂纹问题取得了巨大的成功。然而由于裂纹的方位不对称、荷载分布不对称等原凶,存工程结构分析中经常遇到的是复合形式。凶此,对复合型裂纹研究具有更为重要的理论意义和实用价值。预测和模拟复合型裂纹扩展行为时,必须确定一个描述裂纹扩展方向角及裂纹扩展的临界条件的有效的裂纹扩展准则,结合理论分析和实验观察,人们建立了几种复合型扩展准则,如最大周向正应力准则、能量释放准则、应变能密度准则、等应变能密度线上最大周向正应力准则和塑性区最小半径准则等。从裂纹扩展时能量的守恒和转换中知道,裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素,裂纹扩展所用的塑性功与材料的断裂韧性有密切的关系。已经知道,平面应变的塑性区远比平面应力条件下的塑性区要小,因而平面应变远较平面应力容易发生脆断。应变能密度表征着材料构件受力变形过程中贮存的能量。塑性区内及其方向的应变能在一定程度上反映了材料的抗断裂能力。基于这种情况和想法并结合屈服条件进行研究,本文在应用断裂理论和塑性力学理论对裂纹顶端分析的基础上,提出了塑性区内方向应变能裂纹的概念,并建立了基于此概念的裂纹扩展准则。     

切缝药包微差爆破爆生裂纹扩展机理

为了研究切缝药包微差爆破孔间裂纹的动态力学行为特征,采用新型数字激光动态焦散线测试系统进行4组微差起爆实验。研究结果表明:随着延迟时间的增长先爆炮孔产生的裂纹长度依次增加,其受应力波作用前的扩展距离占总距离的比例依次增高,裂纹的贯通点逐渐靠近后爆炮孔,呈"牵手"状分布;应力波正压区的压缩作用和负压区的拉伸作用分别能够降低和提升对面裂纹的扩展速度v,延迟时间越长,裂纹扩展速度降低后的峰值越低,提升后的峰值越高,爆炸应力波在对面裂纹尖端产生的压应力场会降低其动态应力强度因子KdI,延迟时间越长,峰值越小;裂纹相遇时,扩展速度v和动态应力强度因子KdI都呈现增大趋势,且相遇越早,速度峰值越大;当微差时间满足一定条件时,先爆炮孔产生的应力波在后爆炮孔孔壁附近形成拉伸应力场,有利于裂纹萌生。     

含垂直层理介质在切缝药包爆破下裂纹扩展行为的试验研究

岩体中层理对切缝药包爆生裂纹的扩展有重要影响。 本文采用焦散线方法研究垂直层 理介质在切缝药包单孔/双孔爆破下爆生裂纹的扩展规律。 结果表明:与无层理介质相比,在垂 直层理介质中,切缝药包单孔爆破下爆生裂纹的扩展速度下降,炮孔一侧裂纹扩展的最终长度降 低约15.5% ;爆炸应力波在层理处产生的反射波使相向扩展爆生裂纹尖端的应力强度因子KdⅡ增 大、Kd Ⅰ降低,抑制了爆生裂纹的扩展,且炮孔距离层理越近,层理对该侧炮孔处裂纹的阻碍效应 越强;切缝药包双孔同时起爆时,相邻炮孔产生的爆炸应力波对相向扩展的爆生裂纹有促进作 用,使裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均显著提高,裂纹直接穿过垂直层理继续扩展, 提高了层理岩体中爆生裂纹定向扩展的能力,裂纹扩展的最终长度较单孔爆破时增大50% 以 上。 研究结果为层理岩体中开展切缝药包定向断裂爆破提供参考。     

单向静载下柱状药包爆破裂纹扩展规律及机制

将岩体内柱状药包爆破简化为平面应变问题,采用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算,研究单向静应力对爆破裂纹的影响规律及机制。结果表明:无静应力时,爆破裂纹区形状大致为圆形;而施加单向静应力后,裂纹区形状演化成椭圆形,椭圆的长轴方向与静应力方向相同,且随着静载荷增加,裂纹区长轴基本保持不变,短轴长度降低。这是由于随静载荷变化,沿着加载方向单元的最大主应变基本不变;而垂直加载方向单元的最大主应变随着静载荷增加而减小,从而导致该方向裂纹长度降低。     

层理方向对含预制裂纹页岩Ⅰ型断裂特性的影响

层状页岩受内部层理方位分布特征的影响,其力学性质常表现出明显的各向异性特征。为了探究层理方向对层状页岩Ⅰ型断裂特性的影响,针对不同层理倾角β、预制裂纹角度为0°的半圆盘试件开展三点弯曲静态压缩试验和数值模拟试验。试验结果表明,试件的Ⅰ型标准化应力强度因子Y_Ⅰ会随着层理倾角的变化呈现出明显的差异性,并与层理倾角呈现出良好的三次函数关系,且仅在层理倾角β为0°和90°时,试件表现为纯Ⅰ型断裂模式,即层理倾角的变化会改变试件的断裂模式。同时,试件的Ⅰ型断裂韧度随着层理倾角的增大而逐渐减小,并与层理倾角呈二次函数关系;当层理倾角与预制裂纹角度垂直时,试件的Ⅰ型断裂韧度最大;而当层理倾角和预制裂纹角度平行时,试件的Ⅰ型断裂韧度最小。另外,基于扩展有限元法(XFEM),对半圆盘层状页岩试件的破断机制进行研究,验证了试验和计算结果的准确性。     

煤Ⅰ型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟研究

为研究冲击速度、层理角度及切缝深度对煤样Ⅰ型动态断裂裂纹扩展速度与扩展路径等断裂特性的影响,结合分离式霍普金森压杆(SHPB)试验和基于连续-非连续单元方法(CDEM)的数值模拟,对3种切缝深度的直槽半圆弯曲煤样(NSCB)开展不同层理角度和多种加载速率下的Ⅰ型动态断裂测试与数值模拟研究。得到煤样在冲击载荷下裂纹萌生、演化、扩展及贯通的渐进破坏全过程,模拟与试验结果吻合较好,证明CDEM数值模拟方法能够较好地模拟煤样Ⅰ型动态断裂从连续到非连续的渐进破坏过程。研究表明:煤样裂纹瞬时扩展速度随时间变化波动性较大,前期扩展较快,后期扩展较慢,可将试件裂纹扩展分为高速扩展阶段和稳速扩展阶段;冲击速度对裂纹平均扩展速度影响最大,切缝深度次之,层理角度影响最小。裂纹平均扩展速度随冲击速度增大而增大,但渐趋于平缓,而随切缝深度增加逐级降低。并在忽略层理角度影响的情况下,得出冲击速度与切缝深度对裂纹平均扩展速度的双因素预测模型;冲击速度越大,裂纹起裂时间越短,但其对裂纹扩展路径影响很小。层理角度对裂纹起裂时间基本没有影响,但对裂纹扩展路径影响较大。层理角度为0°和90°时,煤样裂纹最为平直,层理角度为...     

岩体爆破裂纹扩展影响因素分析

为了改善高地应力条件下岩体爆破破碎效率较低的问题,基于理论推导和ABAQUS动力有限元计算分析了不同埋深和侧压系数条件下岩石爆破裂纹的扩展规律.计算结果表明:岩体初始应力和侧压系数对爆炸载荷作用下的最大裂纹长度和主裂纹扩展方向具有较大影响,随着初始应力的增大,裂隙扩展半径减小;随着侧压系数的增大,岩石有效破碎面积也相应减小;裂纹扩展主方向趋于最大压应力方向;裂纹扩展主方向与最大压应力方向一致.     

爆破参数对预裂爆破裂纹扩展规律研究

预裂爆破是一种控制爆破,为保证预裂爆破的良好效果,需要对岩石裂纹扩展情况进行研究。通过数值模拟的方法,对孔距和不耦合系数等爆破参数对岩石双孔爆破裂纹扩展规律进行研究。研究发现：随着不耦合系数的增加,主裂隙的平均长度先增大后减小,孔壁所承受的冲击压力显著减小;双孔连线中点处的拉伸应力随孔间距的增大而降低。但是随着不耦合系数及孔距增大,双孔裂纹难以贯通,不能够达到预期的预裂效果。合理确定不耦合系数以及孔距,这对矿山爆破严格控制装药量,科学布置炮孔等采取合理的爆破参数精确的控制爆破效果具有重大意义。     

岩石受载破坏裂纹扩展带电特性

为了研究岩石破裂过程电位分布特征及其产生机理,利用预制裂纹岩石试样实验测试了裂纹扩展途径的电位信号变化规律及裂纹两侧电位分布特征。结果表明,扩展裂纹的尖端和新形成的裂纹壁面是产生自由电荷的主要位置,在裂纹扩展路径上距离裂纹尖端近处产生的电位信号强度较高,距离远处产生的电位强度较低,裂纹扩展产生的最大电场强度为0.42 V/m;在裂纹扩展过程中裂纹两侧产生的电位信号极性呈正负对应变化,表明裂纹两侧产生的自由电荷性质相反,并交替变化;在裂纹扩展中新生裂纹两侧壁面电荷分离是自由电荷及电位的主导产生机制。裂纹壁面电荷的正负交替及裂纹扩展中两侧壁张翕运动引起的电场变化是煤岩产生电磁辐射的原因。     

瓦斯吸附作用下煤体爆破裂隙扩展规律研究

为了探究不同瓦斯压力作用下煤体爆破裂隙扩展规律,基于含瓦斯煤体力学性质异于普通煤体的研究成果,利用LS-DYNA有限元软件,在普通煤体物理力学参数的基础上进行强度修正以确定含瓦斯煤体力学参数,对不同瓦斯压力作用下的煤体爆破裂隙扩展进行模拟,并对应力场在普通及含瓦斯煤中传播、衰减规律进行分析。结果表明:煤体粉碎区、裂隙区半径随瓦斯压力增大而增大,裂隙分布更加密集;在爆破近区,含瓦斯煤体单元峰值压力随瓦斯压力增大略微降低,在爆破中远区,单元峰值压力升高,且含瓦斯煤体中应力场衰减速度低于普通煤体,应力作用时间增长,促使煤体破碎。     

不同距离裂隙对爆炸裂纹扩展影响的试验研究

为了研究不同距离裂隙对爆炸裂纹扩展的影响规律,以有机玻璃为试验介质,分别研究了裂隙距炮孔距离l=20、30、40、50、60 mm时,爆炸空腔、径向裂纹、层裂裂纹、翼形裂纹的形成及扩展规律。研究结果可为优化裂隙岩体的爆破参数提供参考。     

炮掘工作面爆破震动波传播特性

以工作面爆破掘进时激发的震动波为研究对象,对爆破震动波在煤岩体中的传播过程进行了理论分析,提出了基于爆破震动波传播特性的煤岩体稳定性评估方法。现场测试并分析了爆破震动波中P波与S波传播时差、能量以及波形等特性。结果表明:炮孔数和爆破药量对P波和S波能量均有不同程度的影响;P波波形变化不大,S波呈现明显的3个阶段,各阶段的能量分布可以反映煤岩体结构的变化情况;纵波与横波走时差值的变动幅度可以较好地表征工作面附近煤岩体结构的变化程度。     

基于静态耗氧实验的煤低温氧化反应

利用Agrawal近似法从化学动力学角度推导了煤低温氧化耗氧速率方程,得出O2浓度与温度的理论关系式,并利用柴里气煤静态耗氧实验数据,通过最小二乘法得到柴里气煤在各温度阶段的反应级数;由斜率和截距求得各阶段活化能E和指前因子A,并借用Tolman对活化能的定义,解释了柴里气煤低温氧化过程中活化能与温度、反应速率的关系,以及负的活化能的形成.     

基于静态耗氧实验的煤低温氧化反应动力学分析

利用Agrawal近似法从化学动力学角度推导了煤低温氧化耗氧速率方程,得出O2浓度与温度的理论关系式,并利用柴里气煤静态耗氧实验数据,通过最小二乘法得到柴里气煤在各温度阶段的反应级数;由斜率和截距求得各阶段活化能E和指前因子A,并借用Tolman对活化能的定义,解释了柴里气煤低温氧化过程中活化能与温度、反应速率的关系,以及负的活化能的形成。     

煤体爆破漏斗的试验研究

通过相似材料配比试验得到煤体相似材料及4组配比关系,根据配比制作煤体模型进行爆破漏斗试验。对爆破漏斗半径、可见爆后漏斗深度和爆破体积爆破漏斗参数等试验数据进行分析,得到了相同药量和埋深下,一般煤体(第Ⅱ组)较岩体(第Ⅰ组)容易爆破、不同药量和埋深下煤体爆破漏斗特性曲线及其关系式,1—4组爆破最佳埋深分别为0.092、0.096、0.094和0.100m。试验结果可为煤体爆破作用研究和煤体中爆破参数合理选择提供参考。     

含瓦斯煤体爆破损伤模型研究

含瓦斯煤体是一种复杂的力学介质,瓦斯气体的存在使煤体的物理力学性质发生改变,对煤体的爆破作用具有积极作用。爆破作用下煤体将发生变形并改变瓦斯气体的赋存状态,这都引起煤体的孔隙率发生相应的改变。在Taylor方法的基础上,利用孔隙率定义含瓦斯煤体爆破损伤变量并确定其损伤演化方程,利用有效应力原理建立了含瓦斯煤体动态本构方程和爆破损伤模型。     

探地雷达和超声波相结合的爆破损伤实验研究

应用探地雷达和超声波相结合的方法,对混凝土模型不同装药结构进行爆破损伤检测。结果表明：探地雷达用于混凝土爆破损伤定位是可行的,与超声波技术相结合,还可实现爆破损伤的定量评价;混凝土的爆破损伤主要出现在混凝土初始损伤（缺陷）的位置,即混凝土爆破损伤主要是初始损伤(缺陷)“长大”的结果;探地雷达剖面图损伤面积与爆破前后声波速度降低量呈现良好的对应关系。     

磷块岩在动静加载作用下的破坏特性研究

在磷矿掘进开挖过程中,磷块岩在深部围岩开挖的扰动下,处于动静结合的应力状态,呈现不同程度的 开采破坏现象。 通过在室内展开不同预静载作用下的动静组合三轴试验,分析磷块岩在不同加载环境下的应力—应 变曲线与破坏模式,研究磷块岩在不同动静加载作用下的破坏特性。 结果表明:①动力扰动后的,磷块岩三轴抗压强 度比其在常规三轴静荷载试验下测得的强度低;②磷块岩所受围压相同时,随着其所受预静载水平的提高,磷块岩受 动载扰动程度逐渐降低,且变形破坏程度更明显;③磷块岩所受轴向预静载力相同时,随着其所受的围压越大,磷块 岩在动静组合下的抗压强度越大。     

矿井煤岩爆破损伤范围探测方法分析

为了确定矿井煤岩体爆破后的损伤范围,优化矿井爆破作业设计方案,对现有的、主要的爆破损伤探测方法进行总结,包括钻屑法、电磁辐射法、瞬变电磁法、微震检测法、采集对比瓦斯或CO浓度、地震CT技术、钻孔窥视仪观测等7种方法.分别对这七种方法的原理及适用条件进行说明,为相关工程人员选择时提供参考依据.