循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验。首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定。然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过程,分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征。结果表明:不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯通方向基本一致;根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系:倾角β≤45°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递减,倾角β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增;循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形,轴向累积残余应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段;试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的趋势,峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63% ~ 89%,反映了较为明显的劣化现象;在循环荷载作用下,剪切裂隙和张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点,在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙,对分析岩石变形破坏过程具有一定的参考意义。      

基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律

为研究不同含水状态岩石的动态损伤特性,制备干燥、半饱和、饱和3种不同含水状态的砂岩试样.采用分离式霍普金森压杆（SHPB）,以4种不同的低入射能对岩石进行损伤冲击试验.通过核磁共振测试实验对岩石试样进行孔隙扫描,获取岩石孔隙的T₂谱曲线、孔隙度以及孔隙成像等数据.通过试验发现：（1）冲击能量的增加导致岩石的平均应变率和强度的增大;（2）不同含水状态的岩石受到冲击后,孔隙度与孔隙度变化率均有不同程度的增加;（3）与冲击前相比,岩石的T₂谱曲线有明显右移趋势,同时出现谱峰增加的现象,而且冲击能量越大,孔隙谱峰增加越明显;（4）核磁共振成像显示岩石孔隙数量和尺寸有明显的增加,展现出岩石内部孔隙扩展和演化的过程.     

卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试

为研究卸荷岩体内部孔隙结构的细观损伤演化特征,以大理岩为岩样,分别进行初始围压为10、20和30 MPa,不同卸荷围压量的常规三轴卸荷试验和核磁共振测试实验,获得卸荷岩体的应力-应变曲线、横向弛豫时间T₂分布、孔隙度及核磁共振成像图像.随着卸荷围压比的增大,岩石由弹性变形转化为塑性变形,岩样内小孔隙的孔径增大,大孔隙的数量增多且孔径增大;卸荷围压比低于90%,岩体损伤主要由孔隙数量的增多引起,卸荷围压比高于90%,损伤由孔隙数量和孔径均急剧增大引起;岩样的孔隙度随着卸荷围压比的增大而增大,且增速越来越快;核磁共振图像直观地反映卸荷岩体内部孔隙数量、孔径及结构变化情况.     

循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性

为研究三轴循环加卸载条件下三山岛花岗岩细观能量演化规律,采用颗粒流理论确定了花岗岩的应力门槛值(起裂应力σci、损伤应力σcd和峰值强度σf),研究了应力门槛值对应的边界能、应变能(线性接触应变能和平行黏结应变能)、耗散能(摩擦能和阻尼能)、动能随围压变化的规律,并从能量角度建立了岩爆倾向性评价指标Wx.结果表明:三山岛花岗岩不同围压下相应的σci/σf位于37. 0%～44. 8%区间,σcd/σf位于81. 2%～89. 0%区间,随着围压的增大,起裂边界能、应变能和耗散能呈线性关系增加,损伤(峰值)边界能、应变能和耗散能呈指数关系增加;其中耗散能受围压影响最为敏感,增幅倍数最大,其次是边界能,最后为应变能.围压对起裂应变能比例影响不大,损伤和峰值应变能比例随围压增大缓慢减小,峰值应变能比例下降幅度最大.基于岩爆倾向性评价指标Wx可知,当围压在20 MPa内,三山岛花岗岩岩爆倾向性相对较小;当围压达到30 MPa时岩爆倾向性开始迅速增加.研究成果为岩爆倾向性的评价提供了新的参考指标,进一步为井下岩体工程的稳定性研究提供了新思路.     

循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性

为研究三轴循环加卸载条件下三山岛花岗岩细观能量演化规律, 采用颗粒流理论确定了花岗岩的应力门槛值(起裂应力σ_ci、损伤应力σ_cd和峰值强度σ_f), 研究了应力门槛值对应的边界能、应变能(线性接触应变能和平行黏结应变能)、耗散能(摩擦能和阻尼能)、动能随围压变化的规律, 并从能量角度建立了岩爆倾向性评价指标W_x. 结果表明: 三山岛花岗岩不同围压下相应的σ_ci/σ_f位于37.0%~44.8%区间, σ_cd/σ_f位于81.2%~89.0%区间, 随着围压的增大, 起裂边界能、应变能和耗散能呈线性关系增加, 损伤(峰值)边界能、应变能和耗散能呈指数关系增加; 其中耗散能受围压影响最为敏感, 增幅倍数最大, 其次是边界能, 最后为应变能. 围压对起裂应变能比例影响不大, 损伤和峰值应变能比例随围压增大缓慢减小, 峰值应变能比例下降幅度最大. 基于岩爆倾向性评价指标W_x可知, 当围压在20 MPa内, 三山岛花岗岩岩爆倾向性相对较小; 当围压达到30 MPa时岩爆倾向性开始迅速增加. 研究成果为岩爆倾向性的评价提供了新的参考指标, 进一步为井下岩体工程的稳定性研究提供了新思路.      

动力扰动下充填体内预留巷道稳定性分析

巷道的稳定性是矿山安全高效生产的保障,在动力作用下实现充填体内预留巷道的稳定性预测,是指导工程实践的关键。为了研究不同扰动下充填体内预留巷道的动力响应规律,以某矿山工程为研究对象,采用3DEC数值模拟技术,建立了巷道动力稳定性分析的三维数值模型,并进行了数值模拟分析。研究结果表明：对于马蹄形巷道,同一水平的动力扰动对侧帮的影响较大。随着动力扰动距离的增大,巷道周围质点振动的差异性越来越小。采用钢丝绳+钢筋网的预留巷道开采方式,能够合理有效地对巷道外爆破动力扰动进行很大程度上的削弱,这对于巷道稳定性的保持是非常有利的。     

岩石细观损伤演化与宏观变形响应关联研究

基于岩石全息干涉图的判读和统计分析,高精度定量获取了单轴压缩变质砂岩、板岩和花岗岩岩石试样变形破坏各阶段的细观裂纹演化及其与应力应变的对应关系,分析了岩石细观损伤演化对宏观变形的贡献;在岩样裂纹演化统计值与宏观力学响应的定量研究基础上,建立了试样表面裂损度和宏观变形响应之间的关系,岩石细观损伤引起变形特性的改变可以通过计量岩石表面裂损度加以描述,直观演示了岩石细观损伤演化与宏观力学响应的关联,能够有效地为岩石工程稳定性评价提供理论支撑。     

温度影响下花岗岩宏、细观力学性质演化规律

在地下工程中,温度变化对岩体力学性质有着极大的影响,而宏观力学性质与细观微裂隙发育损伤密不可分。为探究在温度循环条件下岩石细观损伤机理与宏观力学性质之间的关系,对花岗岩进行不同温度下的高温水冷循环试验,并采用低场核磁系统进行细观孔隙参数检测,同时开展了单轴抗压强度试验。结果表明：（1）温度的上升和循环次数的增加均会导致花岗岩弹性模量和单轴抗压强度力学性质的降低,400℃是花岗岩性质变化的临界点;（2）核磁检测可以获取试件的孔隙分布参数,由该参数及试件宏观性质变化可以得出,200～600℃时温度循环所引起的细观损伤规律有明显差异;（3）花岗岩损伤值随着温度的升高而升高,但温度循环引起的多次损伤随温度的升高呈现出先增加后减小的趋势。微裂隙尺度、含量与试件单轴强度、应变的相关性分别为-0.943和0.935。     

高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性

为进一步揭示深部岩体受到开挖爆破等动力作用时的破坏机理,利用基于SHPB装置的动静组合加载试验系统,首次对中高应变率下矽卡岩在高静应力和频繁动力扰动共同作用时的变形特性、能量规律、破坏模式等进行了研究.随着冲击次数的增加,岩石的弹性模量先增大后减小,而每次冲击时的最大应变整体表现出先减小后增大的趋势,最后一次冲击时弹性模量骤降,最大应变突增,岩石试样发生破坏.单位体积岩石能耗为负值,说明在冲击动载的作用下岩石试样表现出释放能量的特性,这是由于高静应力作用产生的弹性应变能受动力冲击作用诱导而释放;随着冲击次数的增加,单位体积岩石释放的能量先增大后减小.结构致密、强度较高的矽卡岩试样随冲击次数的增加表现出劈裂破坏模式.     

动力扰动下深部出矿巷道围岩的变形特征

以冬瓜山铜矿井下900 m深处的出矿巷道作为研究对象,基于“隔一采一充一”阶段凿岩、分段崩落的回采方案,利用FLAC^3D数值模拟软件研究了静动态开挖过程中出矿巷道围岩的变形特征。模拟相关岩体力学参数由三轴压缩及频繁冲击扰动试验数据折减获得,采用Mohr-Coulomb模型进行静态开挖分析,结合Strain-Softening模型进行动态扰动影响模拟分析。研究结果表明：爆破产生的扰动促使围岩变形加剧,但不会改变静态开挖时围岩变形演化的规律;开挖时巷道周边产生应力卸荷现象,且顶板出现拉应力,靠近采场巷道两帮应力离散性大,造成顶板易产生拉伸破坏,靠近采场巷道两帮易发生片帮;结合深部出矿巷道实际稳定情况,推测巷道顶板及靠近采场部位易产生破坏,需加强支护,其余部位稳定性相对较好。     

循环荷载作用下胶结充填体声发射特征试验研究

随着开采深度的增大,采场地压显现日趋严峻。胶结充填体作为充填采矿法中采场的重要结构单元,对维护采场稳定具有重要作用,因此了解认识胶结充填体在外界荷载作用下的响应特征具有重要的意义。通过进行单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加载阶段的声发射特征,以及声发射“平静”期的分形特征。结果表明:胶结充填体存在明显的压密阶段。在压密阶段初期,声发射能率较大。而后随着应力的增大,声发射能率又逐步降低,并最终维持在较低的水平;在弹性阶段,声发射事件率和能率随应力的增大而增大,并且声发射事件率普遍大于其余加载阶段;在加载应力达到胶结充填体峰值应力前,声发射会出现“平静”期。在此时期,声发射能率出现剧烈波动,且声发射分形维数是不断减小的;试验中,下级加载声发射能率大于上级加载,并且声发射能率对充填体损伤程度的敏感性大于声发射事件率。      

低温条件下边坡岩石动态力学特性实验研究

我国多年冻结区和季节性冻结区面积广泛,在这些地区进行工程建设和矿产资源开采必须考虑特殊的地质和气候条件,其中寒区边坡的稳定性问题值得研究.以位于西藏自治区的玉龙铜矿为例,矿区平均海拔约4000 m,最冷月日平均最低气温约-20℃,冻结期长,边坡稳定性受冻融作用显著,冻结岩层给爆破开挖带来诸多困难,制约了矿山生产效率.为研究低温条件下边坡岩石的动态力学特性,从西藏玉龙铜矿边坡钻取了大理岩试样,借助含低温控制系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对常温干燥、常温饱水和低温冻结三种状态的岩样进行了动态拉压力学实验,以探究温度、含水量对岩石动态力学性质的影响.试验结果表明:(1)受低温水冰相变和岩石基质冷缩的共同影响,-20℃冻结岩样的平均单轴动态压缩、拉伸强度较常温下有所增大.其中,岩石基质的冷缩现象是造成冻结岩石强度显著提高的主要原因.四种应变率下,压缩应力分别增大1.30、1.62、1.41、1.43倍,拉伸应力分别增大1.36、1.28、1.22和1.29倍;(2)受孔隙水软化影响,饱水岩样动态强度小于干燥岩样,因此同一应变率下的实验数据满足规律,即冻结岩样强度最高,干燥次之,...     

富水风化花岗岩地层工程特性试验研究

以云南凯腾锡矿斜井施工工程为例,对富水风化花岗岩基本物理力学指标和水稳定性能进行了试验研究,并对试验结果数据进行了分析;总结了富水风化类岩体施工特性,为在该类岩层进行地下工程开挖和支护等提供了科学的依据.     

地震波输入角度对大型脱硫塔结构动力影响的实验研究

对某电厂大型脱硫塔结构模型进行了模拟地震的振动台实验研究.以缩尺比例为1∶15的薄壁钢结构脱硫塔为模型,在多角度输入正弦波、天津波和日向滩冲地震波的前提下,对塔体加速度峰值反应及最不利激励波输入角度进行了研究探讨.结果表明:激励波输入角度对结构动力反应的影响以与结构成30°角方向为最大,60°角方向最小,结构在地震波作用下,塔体加速度峰值的分布明显不同于正弦波情况;脱硫塔结构的复杂性会对结构的动力反应产生较大的影响,塔顶重量较大是引起结构加速度峰值沿塔高分布严重不均匀的主要因素之一.