结构性煤体间歇性破坏行为的实验及数值模拟研究

不连续结构弱面广泛分布于煤岩材料内部,导致其在单轴压缩条件下获得的应力–应变曲线在峰前阶段反复出现应力突降现象。为探究富含不连续结构弱面煤岩材料受载后产生间歇性破坏行为的内在机制,自大同塔山煤矿选取层理裂隙较密集煤块,加工标准煤样,进行单轴加载测试,并实时监测单轴加载过程中煤样声发射信号,从应力及能量演化、声发射特征、宏观破坏形态等角度分析煤样间歇性破坏行为;依据煤样结构性特征建立颗粒流数值模型,探究煤样在间歇性破坏过程中的内部破裂行为及裂隙演化规律,并将数值模型与实验室煤样破坏形态进行对比分析。研究表明:(1)弹性变形能演化趋势与应力–应变曲线形态相似,在峰值强度时达到最大,试件破坏后完全释放;能量耗散量在应力突降时激增,试件破坏后增长至与输入总能量相等。(2)声发射事件振铃计数及能量演化规律与应力–应变曲线具有良好对应关系,应力平稳上升时,声发射事件较少,且多为低能级事件;应力突降时,大量高能级声发射事件丛集。(3)声发射b值及分形维数D反映微破裂尺度分布及其有序性,临近破坏前二者剧烈震荡,表明煤样内部不同尺度裂隙交替出现,由无序向有序反复调整,完全丧失承载能力前存在多次间歇性局部破坏。(4)数值计算发现,原生裂隙尖端最先产生张拉破裂,当应力突降时,颗粒间黏结及裂隙数量激增,微破裂相互沟通形成大尺度裂纹,或裂纹向试件表面迅速扩展。不同空间位置的局部破坏造成峰前应力–应变曲线锯齿张爬升,大尺度裂纹的产生将试件切割成为独立承载的结构单元,破坏试件承载整体结构,是试件强度劣化的内在原因。     

不同加载模式下煤样损伤与变形声发射特征 对比分析

 煤样损伤、变形与动态失稳之间具有内在的相关性,大尺寸煤样破坏试验成为分析采空区围岩动力失稳孕育过程的基础手段。西部的华亭煤矿曾发生过严重矿震,通过深入调查并精心选取不同尺寸煤样品,在圆柱体小煤样单轴压缩试验基础上,完成2个大尺寸(195 mm×110 mm×206 mm,195.0 mm×195.0 mm×11.5 mm)且结构与均匀程度不同(平行与垂直层理)的立方体煤样试件损伤、变形与破坏的声发射(acoustic emission,AE)特征试验,获得丰富的损伤演化信息,利用统计物理学且对连续场进行描述的态矢量原理定量地描述煤介质破坏的进程及其破坏程度,定义了损伤程度百分比,将其作为定量指标反映煤样局部损伤与破裂密集程度,对不同加载模式下煤介质损伤变形应力–应变与AE特征进行对比分析,为理论分析、数值模拟及提高动力失稳及采矿安全预报的时、空、强精度提供必要的条件。     

混凝土四相复合模型的三维细观破坏模拟

考虑到混凝土内部细微裂隙的存在对混凝土强度和变形的重要影响,提出将混凝土视为砂浆、骨料、界面和随机缺陷组成的四相复合材料模型。混凝土细观单元服从应变空间内增量形式的弹塑性损伤本构,采用破坏单元网格消去法模拟混凝土裂纹扩展,数值模拟了三维混凝土单轴压缩和不同均质度试样的单轴拉伸弹塑性损伤破坏过程。结果表明：文中建立的混凝土四相复合材料模型中增加随机缺陷的模拟,一定程度上符合混凝土成形实际情况;随机缺陷的体积百分比是决定弱化混凝土宏观强度程度的主要因素;均质度低的单轴拉伸试样裂纹咬合明显,均质度高的试样断裂更     

重塑膨胀土干湿过程中细观结构变化试验研究

为了研究水分对膨胀土裂隙演化的影响，对重塑膨胀土进行了无约束条件下的湿干循环试验，并在试验过程中对土样进行CT扫描，跟踪试样裂隙生成以及闭合情况。研究结果表明：无约束条件下增湿和干燥都能引发裂隙的产生的和闭合；在增湿过程中小裂隙会闭合而大裂隙会扩展；在干燥过程中小裂隙会扩展而大裂隙会收缩。基于CT细观数据定义了损伤变量，建立了湿千循环过程中土的损伤演化方程。     

煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究

煤是远古地表腐植物沉积演化的一种岩类矿物。煤岩力学性质试验研究成果较为匮乏,特别是考虑强度离散性基础上的系统、全面地反映煤岩的力学性质,在不同应力状态下强度及变形特征的试验研究成果则更为少见。在进行相关煤岩力学行为方面的数值计算及理论研究时,大都采用非煤岩石的试验资料及本构模型,因而缺乏煤岩试验资料的验证和支持,并制约井下煤体破坏和矿山压力研究的科学性和合理性。煤在微细观结构和组分方面和其他岩石有较大差异,采用可靠的试验手段进行不同应力状态下煤岩强度、变形及压缩破坏的微地震特征试验研究,对于合理分析煤岩体破坏失稳、预防矿山灾害发生具有重要的理论及实际意义。采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统进行大量煤样单轴压缩、三轴压缩、循环荷载及全应力-应变过程的渗透性试验,同时进行煤样压缩破坏过程的声发射试验及煤矿井下采场覆岩破裂失稳的微地震监测,对煤岩强度、变形及微震特征进行较系统地分析研究。取得了以下主要成果:(1)通过扫描电镜测试和力学性质试验分析,发现煤岩在力学性质上表现出明显的不连续性、各向异性和非均质性特征。煤岩原生孔隙裂隙面积率可用原生损伤变量加以描述,原生损伤变量对煤岩强度和变形有显著影响。(2)大量煤样超声波速度和相应的力学参数测试结果表明,煤样强度与其纵波由速度间呈现出置信度很高的指数函数关系,为进行强度等对比性试验前合理选择煤样提供了依据。(3)煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。由于原生损伤发育,在围压作用下,煤岩孔隙裂隙被压密闭合,故刚度增加,弹性模量与围压之间符合二次多项式关系。根据试验结果及模型简化拟合出常规三轴压缩条件下煤岩的分段本构方程。煤岩三轴压缩破坏符合Coulomb强度准则,但由于其内部存在大量微裂隙,煤岩沿随机裂隙剪切破坏偏离θ0=45°+?/2的可能性很大。(4)同坚硬致密的岩石相比,循环荷载作用下煤岩更容易发生疲劳破坏。煤岩疲劳破坏"门槛值"与其结构和组分等有关,其变形破坏过程与其损伤累计发展过程一致。(5)煤岩渗透率-应变曲线与其相应的应力-应变曲线总体变化趋势基本一致,但表现出相对"滞后"的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关;同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程。根据试验结果拟合出具体煤岩的渗透率-应变关系分段曲线方程。(6)通过声发射参数时间序列的最大Lyapunov指数计算,证明采用声发射参数描述的煤岩压缩破裂演化系统的变化趋势不是完全依赖于初值的混沌状态,而是可以预报的。通过离散小波系数分解,发现采用不同尺度上声发射参数最先出现的Lipschitz指数α负值所对应的时间作为煤岩压缩破裂预报时间,与实际情况吻合较好。(7)通过对采场覆岩破坏微震的定位分析,证实微震发展演化与采场覆岩运动过程密切相关。根据岩体失稳破坏前微震事件频数、能量和距离的1～4阶差分的变化规律,能够较准确地预报岩体破裂,这对于采用微震监测技术解决矿山岩体破坏失稳预报、预防灾害发生具有重要的指导意义。     

重塑膨胀土干湿过程中细观结构变化试验研究

为了研究水分对膨胀土裂隙演化的影响,对重塑膨胀土进行了无约束条件下的湿干循环试验,并在试验过程中对土样进行CT扫描,跟踪试样裂隙生成以及闭合情况.研究结果表明:无约束条件下增湿和干燥都能引发裂隙的产生的和闭合;在增湿过程中小裂隙会闭合而大裂隙会扩展;在干燥过程中小裂隙会扩展而大裂隙会收缩.基于CT细观数据定义了损伤变量,建立了湿干循环过程中土的损伤演化方程.     

忻州窑烟煤Ⅰ型和Ⅱ型断裂特性的半圆弯曲试验对比研究

为研究切缝深度和层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂特性的影响差异,采用半圆弯曲测试法对SCB煤样开展3种切缝深度和5种层理角度下的Ⅰ,Ⅱ型断裂测试,分析切缝深度与层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷、断裂韧度及裂纹扩展路径的影响规律;并对煤样加载过程中的声发射信号进行实时监测,获取煤样变形破坏过程中的微裂纹损伤演化及宏观破坏特征。研究表明:测试煤样的Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度均大于Ⅰ型断裂峰值载荷与断裂韧度,且KⅡC/KⅠC=1.02;煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷随无量纲切缝深度a的增加逐级降低,断裂韧度K_(ⅠC)和K_(ⅡC)均随a的增加先增大后减小。Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度随层理角度的增加均先减小后增大,呈"对勾"型分布;煤的Ⅰ型断裂裂纹扩展路径近似为直线,而Ⅱ型断裂裂纹扩展路径为曲线。层理对Ⅱ型断裂裂纹扩展路径影响较大,层理角度为22.5°,45°和90°时,裂纹出现沿层理面扩展的现象;煤样的Ⅰ,Ⅱ型断裂破坏过程分为压密、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展3个阶段。总体表现为拉伸裂纹主导的拉剪复合型断裂,拉伸微裂纹最先发育,之后拉剪复合型微裂纹急剧扩展,并最终造成试样的宏观失稳破坏。     

煤样三轴压缩下变形和强度分析

基于在伺服试验机对煤样的常规三轴压缩和三轴卸围压试验,分析了煤样在不同应力条件下的强度和变形特征。煤样在围压作用下裂隙闭合后利用摩擦仍可以承载,并且所有煤样峰前变形特性基本一致。三轴卸围压试验峰值处出现屈服平台,与常规三轴相比峰后塑性明显增强,煤样破坏时的轴向应变量受常规三轴压缩全程应力–应变曲线控制。常规三轴压缩和三轴卸围压试验的峰值强度与围压均成线性关系,围压影响系数基本相同,内摩擦角能够表征材料力学性质,与加载方式没有关系,但相同围压下三轴卸围压时试样的承载能力比常规三轴加载时明显偏低,表明煤样经历较高轴向载荷作用后存在局部损伤。     

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段，由于岩石损伤高度局部化，声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。     

应力–冻融耦合作用下砂岩变形与损伤特征研究

寒冷地区工程岩体承受应力和冻融循环的共同作用。在长期应力–冻融耦合作用下,岩石力学性能会产生显著弱化,造成工程岩体灾害。为了研究应力–冻融耦合作用下砂岩的变形和宏细观损伤特征,首先采用砂岩试样开展冻融循环试验,研究无应力作用下砂岩冻融循环过程中的冻融变形规律。然后提出一种基于颗粒流和颗粒膨胀的岩石冻融循环数值模拟方法,并采用该方法开展应力作用下岩石冻融循环数值模拟,研究轴向应力作用下岩石冻融过程中的变形和破裂演化规律。研究结果表明：无轴向应力时,随着冻融循环次数的增大,砂岩的轴向和径向应变先增大后基本保持不变;冻融循环过程中砂岩试样轴向和径向应变存在显著差异,试样径向应变大于轴向应变,砂岩试样轴向和径向应变的差异随着冻融循环次数的增多先增大后减小;轴向应力不为0时,试样轴向应变随冻融循环次数的增大逐渐减小,径向应变随冻融循环次数的增大逐渐增大;在冻胀力作用下,试样表面附近的裂纹密度大于试样内部的裂纹密度;冻融循环过程中,轴向应力会抑制裂纹沿与试样轴线夹角较大的方向起裂和扩展;冻融循环过程中,试样内的破坏以拉伸破坏为主;基于颗粒流和颗粒膨胀的数值模拟方法能够较好的模拟冻融循环过程中砂岩的...     

裂隙岩体动态损伤演化与体积扩容方程

 与时间相关的岩石扩容现象源于岩体内部大量微裂纹的张性扩展。从断裂力学的裂纹研究出发,探讨不均匀加卸载过程中,岩体内部微裂纹在应力集中源附近的局部拉应力作用下,裂隙萌生和扩展的动态过程,并利用散布损伤力学手段描述裂纹体系的动力行为,建立起微观断裂与宏观扩容之间的联系。试验结果分析表明：本文所建立的扩容方程能够有效地描述加卸载过程中裂隙岩体的动态损伤演化和体积扩容全过程,与已有的形变方程一同构成深部岩体变形破坏动态本构模型的完备方程组。     

循环载荷下突出煤样的变形和渗透特性试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井——天府煤业有限责任公司三汇一矿K1煤层原煤制备的煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统,进行固定瓦斯压力及不同围压情况下突出煤试样循环载荷下渗流试验研究。研究结果表明：在循环载荷作用下,煤样产生塑性变形,煤样的弹性模量和渗透率随着循环次数增加呈下降趋势,且在第一循环下降最为明显;卸载过程中渗透率逐渐增大,加载过程中渗透率逐渐减小,卸载和加载时的渗透率–应变曲线围成一个封闭环,与轴向应力–应变曲线形成的封闭滞回环相对应,说明渗透率的变化与煤样的损伤变形密切相关;渗透率变化率和损伤变量呈正相关变化,前几个循环变化较为明显,经过之后几个循环,其数值趋于稳定。     

浅埋高强度开采回撤巷道煤柱受载特征及累积损伤机制

为解决浅埋高强度开采回撤巷道护巷煤柱的长期稳定性问题,以锦界煤矿31409工作面末采段回采任务为工程实例,采用力学测试、数值模拟和现场监测等手段,探究开采扰动期间工作面超前支承压力叠加效应和渐进受载条件下通道煤柱的应力演化和累积损伤机制。设计三级循环加卸载条件下煤样强度弱化和损伤破坏实验,揭示末采段采动应力转移历程,构建工作面末采段采动应力响应数值计算模型。研究表明：(1)循环加卸载损伤煤样单轴压缩强度降低至14.14 MPa(无损煤样单轴抗压强度为18.40 MPa),变化率为23%,峰后承载段有载荷波动现象(有别于瞬间破损),在峰值载荷前累积损伤煤样单轴压缩声发射参数保持低值浮动状态,相比循环加卸载3次时裂隙发育活动性略有衰减;(2)末采段采动应力历经常规回采段煤壁超前支承压力反复叠加、临近通道段支承压力持续转移、贯通段多重累积应力释放3种状态,且通道煤柱载荷在辅回撤巷道和采空区间呈现采掘联合影响、不均匀分布特征,获得煤柱稳定临界损伤度评价参数ω;(3)末采段回采空间前后的上覆岩层或煤体内存在支承压力衰减区、极限平衡区和累积增加区,随工作面继续推进采动应力影响范围扩展至覆岩关键层位...     

基于相场方法的岩石弹塑性损伤模型研究及其数值实现

岩石材料损伤破坏的研究对岩体工程的稳定性评价至关重要,基于热力学原理,在经典相场损伤模型框架中引入塑性本构模型和硬化准则,借助塑性耗散能驱动下的塑性硬化阶段和峰后软化阶段损伤演化方程,建立一种岩石弹塑性相场损伤模型,并给出其数值实现。通过对比相场损伤均质响应模拟结果和解析解,验证塑性损伤耦合条件下该模型的正确性和可靠性。采用该模型,模拟岩石二维和三维复杂裂纹扩展,研究含预制裂纹岩石试样的塑性剪切损伤破坏过程,计算结果与已有试验结果吻合较好。该模型能自动、准确地跟踪岩石复杂裂纹扩展路径,有效描述岩石的损伤演化规律以及塑性变形与非局部相场损伤之间的耦合效应,可进一步应用到模拟实际工程岩石损伤破坏及稳定性问题。     

显微工业CT的受载煤样裂隙动态演化特征与分形规律研究

为观测受载煤样裂隙演化过程,利用受载煤岩工业CT扫描系统对煤样单轴压缩破坏过程进行CT实时扫描实验,将CT扫描图片导入VG Studio MAX图像分析软件进行煤样的三维数字化模型重建,得到煤样内部裂隙空间的分布情况。运用MATLAB软件通过分析和计算得到了煤样内部结构的灰度直方图和裂隙分形维数,综合分析煤样裂隙的动态演化特征和分形规律。研究结果表明:利用灰度直方图和VG Studio MAX软件分析结果能有效地定性和定量描述受载煤样内部裂隙动态发展的总体变化规律;全应力应变过程中,受载煤样的断面裂隙面积、断面裂隙谱峰面积和三维裂隙体积总体上呈先减小后增加的变化趋势,真实客观地反映了煤样内部裂隙结构的动态演化规律,充分体现了外部载荷和变形对裂隙发展的控制作用;裂隙分形维数主要经历了缓慢降低、平稳增加、大幅突增和缓慢升高4个发展阶段,有效刻画了受载煤样内部裂隙的演变发展过程,其变化规律与裂隙动态变化规律保持了良好的一致性,可用于受载煤样失稳破坏的预测。     

加载速率影响下含雁行裂纹–钻孔煤体变形破坏特征研究

为研究加载速率影响下瓦斯抽采钻孔孔周煤体变形破坏特征,开展不同加载速率下含雁行裂纹–钻孔复合缺陷煤样单轴压缩试验,结合数字图像相关技术,分析不同加载速率下复合缺陷煤样的力学特性、破坏模式与表面变形场演化规律。通过计算机视觉技术,进一步研究加载速率影响下钻孔破坏和雁行裂纹扩展特征,揭示含复合缺陷煤样变形破坏的加载速率效应。结果表明：(1)雁行裂隙–钻孔复合缺陷试样在不同加载速率作用时表现出低加载速率下高强度、高加载速率下低强度的特性,0.2 mm/min为试样的临界加载速率,在临界加载速率处试样的峰值应力、峰值应变、弹性模量的变化趋势发生改变。(2)不同加载速率下试样均呈现渐进性破坏特征,破坏形式以张拉剪切混合破坏为主,随着加载速率增加拉伸作用逐渐占到主导地位。在雁行裂隙诱导下,低加载速率时表现为沿着新生裂隙与雁行裂隙形成贯通面发生剪切错动破坏,高加载速率时表现为沿着新生裂隙水平张开发生拉伸破坏。(3)引入钻孔张缩量C来定量表征钻孔变形程度。在低加载速率下钻孔张开,C>1,随加载速率增加C逐渐降低,在高加载速率下钻孔先张开然后迅速塌缩,最终C<1。(4)雁行裂隙在加载作用下发...     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。