考虑应变速率效应的煤岩能量演化和红外辐射特征分析研究

为了研究煤岩材料破坏的加载速率效应,利用岩石力学加载试验系统及红外辐射监测平台,开展不同等级速率的单轴压缩试验,并从破坏形态、力学性质、能量演化和红外辐射特征等角度进行分析。研究结果表明：随着应变速率增加,试样破坏形态由中、低速率下的剪切破坏向高应速下的全面剪胀失稳破坏转变;试样应变速率的对数与峰值强度呈正相关,可以采用二项式描述;应变速率与能量演化密切相关,存在塑性向脆性转变的临界速率;高应变速率试样0.75σ_c 时热像图上出现高温异常突变点,低应变速率试样0.98σ_c 时才出现高温异常区域;低应变速率试样最高温值出现在应力峰值前几秒,中、高应变速率试样最高温值与应力峰值几乎同时到达,临破裂前出现了“V”型异常转折现象。研究结果可以为岩石动力灾变预警提供参考。     

单轴压缩条件下含瓦斯煤样力学性质研究

为了研究瓦斯压力对煤样力学性质的影响,以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发单轴压缩条件下含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,设计不同瓦斯压力下煤样单轴压缩试验,并采用岩石破裂与失稳分析系统(rock fracture process analysis,RFPA)2D软件通过设置不同渗透参数,实现不同瓦斯压力煤样单轴压缩条件下受载破坏模拟试验。结果显示:1)室内试验发现,随着瓦斯压力的增加,煤样的抗压强度与弹性模量均呈降低趋势,瓦斯压力由0 MPa增加到2 MPa,煤样的抗压强度和弹性模量分别降低58.78%和49.03%;2)煤样的破坏是由微裂隙的发育、发展直至贯通形成宏观裂隙导致的;3)随着不同瓦斯瓦力的增加,模拟试样的峰值强度和弹性模量都呈现降低的趋势,模拟结果与试验结果表现的规律一致。     

混凝土破裂与渗水过程的红外辐射特征

 对内含水体的混凝土试样进行单轴压缩加载,利用红外热像仪并辅以声发射仪,观测加载过程中试样的红外辐射与声发射变化特征,研究混凝土破裂与渗水的红外异常前兆。实验结果显示,随着应力的阶段性发展,试样表面的红外辐射呈现早期整体性均匀上升、中期局部高温异常、后期低温异常的主要特征,声发射相应出现早期微量增加、中期均匀增加、后期快速增加的特征。加载中、后期红外热像出现的局部辐射温度“先升后降”现象是混凝土破裂–渗水的重要红外异常前兆,其出现的时间要早于应力和声发射前兆。整个破裂与渗水过程中,高温区域包围低温区域的温度场分布是热像的主要特征。基于实验结果,分析试样红外辐射阶段性变化以及破裂、渗水异常前兆的机制,讨论应力、红外及声发射灾变前兆时间差异性的原因。实验结果对水库大坝以及其他储水混凝土工程破裂与渗水的遥感监测与灾变预警具有重要的意义。     

岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探

硬脆性岩石的突发性失稳往往会带来灾难性的后果,因而研究硬脆性岩石突发性失稳破坏的前兆信息是十分有意义的。为此对红砂岩试样开展不同中间主应力条件下的真三轴加载试验,结合红外热像技术研究岩石破裂的热红外热像演化和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像技术分析岩石真三轴加载下的裂纹扩展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及破裂演化机制,提出基于热红外的非接触式岩石破裂前兆预警指标,可在岩石因破裂而导致的温度异常变化前对岩石的破坏做出预警。研究表明:岩石破裂前存在四类前兆信息,依次为热红外温度前兆、声发射前兆、热像异常前兆及岩石宏观裂纹前兆。热红外温度前兆和声发射前兆出现时间相对较早,能优先从时间上预警岩石的破坏,热像异常前兆和宏观裂纹前兆的出现时间则较晚,也距离试件破坏较近,热像异常能指示岩石未来潜在的破裂区域。从岩石的内部、外部、时间和空间上初步建立硬脆性岩石的热–声前兆信息链,研究成果可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

不同瓦斯压力下煤岩声发射特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置配合声发射监测系统，进行不同瓦斯压力作用下煤岩在常规三轴压缩下的声发射(AE)特征试验。研究结果表明，瓦斯压力对煤岩起到软化作用，随着瓦斯压力的增加煤岩在加载过程中的脆性减弱，延性增强，抗压强度和弹性模量随着瓦斯压力的增加呈现出减小的趋势。根据试验所得煤岩声发射特征与应力-应变以及声发射累积振铃数与应变关系，得出在常规三轴压缩破坏过程中不含瓦斯煤岩的破裂类型为突然破裂型，含瓦斯煤岩的破裂类型为稳定破裂型。在同时考虑应力和瓦斯压力引起煤岩损伤的基础上，建立不同瓦斯压力作用下，由声发射累积振铃数表示的煤岩损伤关系式，并对所建立的损伤关系式进行验证，验证结果表明建立的基于声发射的煤岩损伤关系式从某种程度上真实地反映了含瓦斯煤岩的破坏过程及强度特征。     

岩石加载过程中红外辐射温度场演化的定量分析方法

为探讨岩石加载过程表面红外辐射温度场演化的定量分析方法,引入分形、熵和统计学理论,提出用特征粗糙度、熵和方差作为指标定量描述岩石加载过程中红外辐射温度场的演化特征,并以含孔岩石试样加载过程热成像观测试验结果为例,对3种指标的定量刻画能力及特点进行对比分析。结果表明:(1)3种指标都能较好地定量刻画岩石加载过程中红外辐射温度场的演化与分异特征,在岩石加载过程中随着应力变化出现阶段性变化特征,在破坏前出现红外异常前兆,且效果均好于以往使用的指标AIRT;(2)3种指标有不同的特点,熵对于试样加载过程红外辐射的阶段性特征刻画较好,随应力增加各个阶段的红外辐射变化分界明显;而特征粗糙度和方差在临近岩石破裂时发生大幅度突然性升高,对于岩石破裂的红外前兆的识别更具优势。研究结果为岩石受力与灾变过程红外辐射的定量分析提供了新的方法。     

含缺陷花岗岩破坏过程中的红外热像试验研究

在实验室通过红外热像仪对7块含相同预制单裂纹缺陷的花岗岩板状试样单轴压缩载荷下破裂过程的红外热像进行了试验研究(其中有一块试样中途折断,没有取得红外热像特征)。试验结果表明:试件加载过程中,微破裂越强,其红外辐射也就越强;在主破裂时,试件在局部破坏区域会产生高温条带的红外热像特征。试件受压过程中的红外温度异常表现为3种类型:(1)先降温,临破裂升温;(2)温度交替升降,破裂前升温;(3)缓慢升温,破裂前快速升温。同一种岩石,其破坏时的红外辐射表现不一定相同。     

冲击载荷瞬时扰动原煤试样破裂演化及瓦斯放散特征研究

为了揭示冲击扰动煤体瞬时破坏及瓦斯异常涌出机制，采用含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统，开展冲击载荷下三维含瓦斯煤冲击破坏及瓦斯放散测试，研究冲击载荷瞬时扰动下原煤试样破裂演化特征及瓦斯放散规律，分析轴向静载、围压、瓦斯压力和冲击载荷速度4个受载因子对初始最大瓦斯放散速度的影响。结果表明：在低围压或高冲击载荷条件下，三维含瓦斯煤呈现粉碎式破坏，其他试验条件下煤样呈现轴向拉伸破坏模式，裂纹尺度和数量随着轴向静载、围压、瓦斯压力和冲击载荷数值大小而有所不同；冲击载荷作用瞬间，原煤试样瓦斯放散速度瞬时达到最大，随后呈幂指数形式衰减；瓦斯放散持续时长基本在2.00 s之内，随受载因子变化而略有不同；冲击瞬间最大瓦斯放散速度随轴向静载呈指数函数增加，随围压呈线性降低，随瓦斯压力和冲击载荷速度呈线性增加趋势。通过单位尺度受载因子变化对原煤试样最大瓦斯放散速度的贡献度，确定影响煤体瓦斯放散的受载条件重要度为r(冲击载荷)>r(围压)>r(轴向静载)>r(瓦斯压力)。基于乌斯基诺夫式煤粒瓦斯放散模型，建立冲击扰动原煤瓦斯放散模型，对比不同冲击载荷速度下放散模型计算的放散速度理论值与实验值，...     

多暗色矿物类岩石单轴加载过程中红外辐射定量研究

对首都圈地区的多暗色矿物类岩石(花岗闪长岩、辉长岩及片麻岩)进行了单轴加载至破裂过程的热红外遥感监测实验,发现:(1) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与应力呈线性正相关关系;(2) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与所受机械功呈三次曲线关系;(3) 应力峰后-破裂过程中,岩石沿剪切破裂带辐射温度升高,而在应力松弛或张性区,辐射温度有所降低;(4) 损伤岩石在单轴加载过程中红外辐射温度变化与完整岩石相比总体规律相似,但波动性较大。基于实验分析,建立了岩石应力与红外辐射温度以及机械能与红外辐射温度的定量关系;并对地震遥感及其热红外前兆的物理-力学机制进行了讨论。     

煤岩多孔介质及其充瓦斯后的电特性研究

电性质是煤岩的重要物理性质。开展煤岩多孔介质及其充瓦斯后电性质的研究，对煤与瓦斯动力灾害的有效预防及煤层气的勘探开发具有重要的意义。研究了煤岩多孔介质及其充瓦斯后的交流导电性。研究表明：煤岩多孔介质电导率随瓦斯压力的增大而增大，不含瓦斯时的电导率明显低于含瓦斯时的电导率：无论是否含瓦斯，电导率都随温度的升高而增大，并且相同条件下，含瓦斯比不含瓦斯的电导率要大；电导率与外加电压无关：随着频率的增大，电导率也相应增大，煤的交变电导率与频率问存在分形关系。     

瓦斯压力对砂岩力学特性影响的试验研究EI北大核心CSCD

利用自行研制的"煤岩热流固耦合试验系统(THM–2)",以砂岩为研究对象,进行不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴加载试验,探讨瓦斯压力对岩石力学特性的影响,结果表明:3 MPa瓦斯压力下三轴抗压强度和弹性模量均比无瓦斯条件下小;相同应力下,含瓦斯岩石的应变较大。瓦斯压力对岩石的力学特性起到了弱化作用,使三轴抗压强度表现出一定的非线性特征。采用抛物线型、Hoek-Brown(H-B)等型式的强度准则对岩石的非线性强度特征进行研究,提出考虑瓦斯压力作用的修改型H-B强度准则,经验证修正后的强度准则与试验数据吻合良好,可以作为瓦斯压力作用下岩石破坏的强度判据。     

混凝土的微波辐射和红外辐射随应力变化的实验研究

对混凝土的微波辐射和红外辐射在实验室进行了加载实验，发现混凝土的微波辐射能量和红外辐射能量随混凝土应力状态变化而显著变化，且混凝土试件临破裂前，微波辐射和红外辐射出现多种破裂前兆异常。这表明微波遥感和红外遥感可用于混凝土工程应力和应力场分布测量，并可用于混凝土工程因应力集中造成工程可能发生危险或遭到破坏时的监测和预报。     

遥感-岩石力学(I)——非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之一即非连续组合断层破裂发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对雁列和同线非连通这两种非连续组合断层在双轴加载破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了模拟实验研究。研究表明：双轴加载过程中岩石表面红外辐射温度的变化对应岩石应力变化，具有阶段性规律，包括初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂5个阶段。自弹性阶段开始至解锁阶段，岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)的动态曲线表现为“上升-下降-再上升”的演变特征：而断层雁列区和非连通区在解锁阶段其热像出现高温异常条带，非连通区的高温异常条带还具有“增强-减弱(平静)-再增强”的演变特征。其地震前兆的时空意义为：(1)构造地震活动区卫星遥感AIRT的上升趋势可作为地震中期预警指标；(2)热像局部正异常条带预示未来震源位置；(3)AIRT下降与热像局部热异常条带的减弱(平静)一起，可作为构造地震的短临前兆。     

组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究

大量理论研究和物理试验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号,因此研究坚硬顶板–煤体–底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有重要的意义。采用MTS815伺服加载以及Disp–24声电测试系统对组合煤岩变形破裂所产生的电磁辐射及声发射信号进行了测定,试验结果表明,试样在发生冲击破坏前,电磁辐射强度呈小幅度上升的波动趋势,且冲击破坏前兆会产生突变;而声发射信号计数率在试样冲击破坏时将急剧增加并达到最大值,随后产生突降。电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间并不同步,电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段,而声发射信号的最大值位置则出现在试样的峰值强度处。电磁辐射信号出现峰值时声发射相对较弱,且声发射信号出现峰值时其电磁辐射强度也相对较弱。依此规律,可以对冲击矿压的危险性进行正确地评价和预测预报。     

不同瓦斯压力条件下原煤剪切破裂细观特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展不同瓦斯压力条件下原煤在剪切荷载作用时裂纹演化细观特性试验研究,分析裂纹开裂扩展与形态演化模式及其受瓦斯压力的影响规律。研究结果表明：煤岩裂纹的开裂扩展及破坏后形态受其原始裂纹影响;分析放大素描图发现,最终形成的宏观破裂是由一系列倾斜裂纹(主要从左下角至右上角)在剪切荷载作用下贯通形成的,并且随着瓦斯压力的增加,倾斜裂纹的扩展范围增大。不同瓦斯压力下剪切荷载–剪切位移曲线和开裂荷载水平Pk及贯通荷载水平PG对比分析表明,随着瓦斯压力增加,煤岩损伤加大,破裂加剧,完整性降低,开裂后破坏速度加快;对裂纹的开裂角度分析发现,在没有原始损伤的区域开裂时,裂纹开裂方向与剪切荷载作用方向呈一定角度相交但随着瓦斯压力的增加有减小的趋势,最终形成的宏观破坏方向也不完全与剪切荷载作用方向一致,而以一定角度相交。     

遥感-岩石力学(Ⅷ)--论岩石破裂的热红外前兆

岩石破裂存在多种前兆，它是岩石力学和岩石工程中的一项重要研究内容。在总结多年遥感一岩石力学基础实验研究的基础上，对岩石破裂的热红外前兆进行了系统总结与分析，包括：前兆表现形式及其类型、前兆的时间及空间特征、前兆的机理等。研究表明：(1)岩石破裂的热红外前兆有平均红外幅射温度．时间曲线异常和热像异常2种形式，分别反映前兆的时空特征；(2)热像异常分为高温条带和低温条带两种类型，平均红外幅射温度．时间曲线异常分为降温、升温加速和降温转升3种类型：(3)前兆出现在岩石载荷峰前δ=(0．77～0．87)δp的应力区间内，与微破裂带的形成密切相关：(4)高围压和压性强的剪性破裂出现前兆的几率要大于低围压和压性弱的剪性破裂，而随着破裂向纯剪过渡，前兆出现的几率降低，且前兆发生的时间越接近岩石破裂时刻：(5)岩石破裂热红外前兆机理是岩石热弹和摩擦热效应的综合。     

遥感－岩石力学（IV）—岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义

完整岩体压剪破裂失稳是构造地震的另一种可能孕震机制。以此为模拟对象，采集中国首都圈地区的5种典型岩石，进行了岩石压剪破裂过程的红外辐射成像实验。研究发现：(1)岩石压剪破裂过程存在热弹和摩擦热两种热-力耦合效应，且压剪作用越强，压剪破裂过程中红外辐射升温现象就越明显。(2)压应变占优势时，岩石压剪破裂存在红外辐射异常破裂前兆。(3)压剪破裂前兆有明显的“时空”特征，即：时间上，当载荷增加到约80％破坏应力时，沿剪切区域的平均红外辐射温度开始出现加速升温前兆，且压剪比越高，出现前兆的时间越早；空间上，破裂前沿剪切区域出现的高温异常条带具有前沿推进即“由一端向另一端迁移、扩展”的特点。本研究结果对地震、岩爆、矿爆、边坡滑移等自然与岩石工程灾害的遥感与预报具有重要的基础意义。     

高温后砂岩静、动态力学特性研究与比较

 通过在SHT4206电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统上对高温作用后砂岩分别进行静、动载荷加载试验,系统地分析比较了热作用后砂岩在静、动载荷加载下的破坏模式、峰值强度和峰值应变的差异,并从微观角度探讨温度对岩石力学性质的影响。研究结果表明：(1) 高温后砂岩的动态力学特性与静态力学特性相比变化显著,随着温度的升高,静载荷时岩石破坏模式表现为劈裂破坏并伴随着脆性断裂,而动载荷作用时岩石破坏模式表现拉伸破坏;(2) 静、动载荷作用下的峰值强度随着温度的升高而明显降低,且基本呈线性关系,静载荷作用下,平均峰值强度从126.37 MPa降到64.76 MPa,降低幅度为48.8%,动载荷作用时,平均峰值强度从176.3 MPa降到83.1 MPa,降低幅度达到了52.9%;(3) 静、动载荷作用下的峰值应变都随温度的升高而增大。温度引起的热应力和微结构的变化导致砂岩力学性质发生改变,以及不同加载方式引起试样内部孔隙扩展和微裂纹的生成方式不同,导致其抵抗外力变形的能力存在差异。     

不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究

 利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,进行不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究。研究结果表明：从力学的角度来看,卸围压开始后煤岩会经历一个应力平台阶段,然后发生失稳破坏。卸围压速度越大,煤岩维持在应力平台阶段的时间越短,煤岩越容易发生失稳破坏。卸围压开始后煤岩应力平台阶段的时间与卸围压速度呈幂函数关系。从瓦斯渗流的角度来看,煤岩的渗透率的变化与煤岩的变形损伤密切相关,煤岩体积应变的变化趋势能很好地体现煤岩渗透率的变化趋势。卸围压开始后煤岩渗透率的变化经历4个阶段,且渗透率一直在增大。卸围压速度越大,煤岩的渗透率增大的越快。卸围压开始后煤岩在应力平台阶段的渗透率与卸围压时间呈指数函数关系。     

高应力下含瓦斯原煤三轴压缩力学特性研究

 利用改制后的煤岩吸附–渗透–力学耦合试验系统,以淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤样作为研究对象,进行高应力下含瓦斯原煤常规三轴压缩力学特性的研究。结果表明：(1) 含瓦斯原煤偏应力–轴向应变曲线主要有弹性、屈服、破坏或峰后软化段构成。其中,弹性段连续、光滑性较差,多呈现出应变“软化–硬化”的波动起伏特点。(2) 峰后脆性破坏特征明显,且在相同初始瓦斯压力下,随着初始有效围压的升高,脆性向延性转化的趋势较弱;而在相同初始有效围压下,初始瓦斯压力越大,脆性破坏特征则越显著。(3) 偏应力–侧向应变曲线与轴向相比,峰前连续、光滑性更好,且几乎均呈线弹性;而峰后变化则趋同。(4) 偏应力–体应变曲线,在低有效围压下表现出扩容机制,且始于峰前;而在高有效围压下,则从峰前越至峰后,始终向右延展,呈现出体积不断收缩的趋势,且瓦斯压力越大,收缩特性越显著。(5) 在相同有效围压下,随着瓦斯压力的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及峰值强度、泊松比均呈增大趋势;而弹性模量则呈降低趋势。(6) 相同瓦斯压力下,随着有效围压的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及泊松比均呈降低趋势;而峰值强度、弹性模量则呈增大趋势。(7) 随着围压或瓦斯压力分别升高,峰值强度均呈线性增大趋势,煤样破坏模式以剪切破坏为主,且强度参数黏聚力和内摩擦角分别为14.02 MPa,25.93°。