冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积...     

循环动荷载作用下岩石动态响应分析

为研究循环动荷载作用下岩石的动态变化,利用SHPB装置对长径比为2.0的试件进行冲击作用,分析试件在0.04,0.06,0.08,0.10 MPa气压冲击用下应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变变化情况,结果表明:随着冲击气压的增加,试件反应出的峰值应力增加,试件受首次冲击的峰值应变减小。选用0.06 MPa气压对长径比为2.2,2.4,2.6的试件进行循环冲击作用,结果表明:长径比2.0的试件平均峰值应力为70.56 MPa;长径比2.2的试件为71.15 MPa;长径比2.4的试件为83.54 MPa;长径比2.6的试件为91.09MPa,且随着长径比增加,试件所能承受的动荷载次数减少。     

冻融循环作用下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征试验研究

为了探究冻融循环条件下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征,采用分离式霍普金森(SHPB)系统对冻融循环0次、10次、20次、40次的黄砂岩试件进行动态压缩试验,得到黄砂岩在冲击荷载下的动态压缩强度、能量耗散及破坏形态的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,受冲击后的黄砂岩破碎程度提高;相同冻融循环次数的黄砂岩试件,动态抗压强度随应变率的增大而增大,拟合系数接近1,二者近似成线性正相关关系;相同冲击气压的黄砂岩试件,随着冻融循环次数的增加,其动态抗压强度先增大后减小,具有较为明显的冻融循环效应;试件的耗散能量随着应变率的增大而增大,同时耗能提升的速度也加快,两者近似成幂函数关系;随着黄砂岩所经受冻融循环次数的增多,耗散能量出现了先增后减的趋势,整体上呈减少的趋势,两者表现出负相关性。     

深部岩体力学与开采理论研究进展

为研究石灰岩在多次冲击荷载作用下的安全性,采用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆装置对石灰岩试件开展不同应变率及不同冲击次数下的单轴冲击压缩试验,并结合超声波检测装置测量多次冲击荷载作用下岩体纵波波速,分析岩体纵波波速、损伤因子、峰值应力及能量耗散变化规律。结果表明：石灰岩试件纵波波速随冲击次数的增加而降低,波速降幅不断增大,损伤因子随之增大;0.25 MPa冲击气压作用下试件破碎需要6次,0.35、0.40 MPa冲击气压作用下试件破碎需要4次,冲击气压的增大使岩体产生破坏所用冲击次数减少;0.40 MPa冲击气压第2、3、4次冲击作用下试件峰值应力降幅分别为6.23%、14.00%、25.92%,冲击作用使试件峰值应力降低,且后期冲击作用下试件应力降幅增大;冲击荷载作用下岩体能量时程曲线分为3个阶段,岩体破碎耗能密度与冲击次数之间呈现良好的二次线性正相关关系,0.40 MPa冲击气压第2、3、4次冲击作用下岩体耗能密度是第1次的1.06、1.38、1.78倍,后期冲击作用对岩体的破坏作用更加显著。

     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

不同轴向静压下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性研究

为了研究在不同轴向静压条件下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿深部(900m)的矽卡岩试样进行动力冲击试验。试验结果表明:轴向静压对岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静压呈二次函数下降关系。随着冲击次数的增加,弹模整体呈下降趋势,不同轴向静压下,弹模随冲击次数表现出不同的变化特征;随着冲击次数的增加,峰值应力整体呈降低趋势,轴向静压对峰值应力的影响显著。不同轴向静压下,试样随冲击次数表现出不同的能量耗散规律,当轴向静压为75MPa时,试样出现了吸收能量的现象;当轴向静压为85 MPa和100 MPa时,试样在冲击作用下始终为释放能量,说明在高应力作用下,储存在试样内部的弹性应变能已经能够完全提供试样发生破坏所需要的能量,此时,岩石在动力扰动的诱导作用下极易发生破坏。这一现象为揭示深井开采过程中的岩爆发生机制提供了依据。     

轴向静荷载下受频繁动力冲击时软/硬岩力学特性试验研究

为了对比研究软岩和硬岩在轴向静荷载受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿的矽卡岩(硬岩)和大理岩(软岩)开展了动力冲击试验。试验结果表明:轴向静荷载对两种岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静荷载呈二次函数下降关系。大理岩和矽卡岩动态峰值应力均随冲击次数的增加而降低,矽卡岩动态峰值应力与冲击次数呈指数函数关系,大理岩动态峰值应力与冲击次数呈线性函数关系。随着冲击次数的增加,动态弹模整体呈下降趋势,矽卡岩在轴向静荷载为75 MPa和90 MPa时动态弹性模量呈现阶段性特征,并出现冲击疲劳期。大理岩动态弹性模量与矽卡岩在轴向静荷载为110 MPa时的变化规律一致。矽卡岩在75 MPa时,在冲击后期出现了吸收能量的现象,但在90 MPa和110 MPa时,整个冲击过程均为释放能量状态,而大理岩在冲击作用下均为吸收能量状态。     

冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性

通过在分离式霍普金森压杆装置上对含孔洞砂岩试件进行冲击试验,探究孔洞尺寸对砂岩动态力学性能的影响。基于试验结果,首先分析孔洞对砂岩岩样的强度和变形特性的影响规律;其次进行能量分析,揭示反射能量比、透射能量比和能量耗散比受孔径大小的影响;最后利用高速相机记录试件裂纹萌生、扩展、贯通直至破坏的全过程,探讨含不同孔径砂岩的裂纹扩展特征。试验结果表明,含孔洞砂岩岩样的力学参数(峰值应力、峰值应变)均显著低于完整岩样,降低幅度与孔洞直径密切相关,随着孔洞直径的增加,含孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈小幅减小趋势;在相同入射能量的条件下,随着孔径的增大,反射能量比增大,透射能量比减小,能量耗散率线性增大;随着孔径的增大,承受冲击加载后的试件其内部形成的贯通裂纹增多,试件的破碎块数也增多,且碎块尺寸减小。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度(8、15、16、17 MPa)和围压梯度(1、2、3、5、7 MPa),开展冲击气压梯度(0.5、0.6、0.8、1.0 MPa)的三维组合加载试验。研究表明:在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

循环冲击作用下岩石能量耗散特征及损伤研究

为研究玄武岩在循环冲击作用下的能耗特征及损伤，采用带围压装置的霍普金森压杆(SHPB)系统设置5种冲击气压梯度对玄武岩试样开展单轴冲击试验和两种围压状态下的循环冲击试验。研究发现，随着循环次数增加，试样单位体积吸收能呈现前期匀速缓慢增长，临近破碎时增长速率急剧攀升的趋势，玄武岩试样单位体积吸收能与冲击气压值呈正相关；施加围压可大大增加玄武岩抵抗外部冲击的能力，破碎时累计比能量吸收值比无围压状态提升10倍以上；随着循环冲击次数的增加，损伤因子D先匀速上升，而后上升速率加大，临近破碎时，岩石吸能效率下降，损伤因子又趋于平稳；损伤因子D达到0.4左右时，玄武岩试样出现较为明显的剪切裂纹。     

基于SHPB试验的磁铁矿石破碎特性与能量耗散研究

为掌握磁铁矿石在冲击载荷作用下的破碎特性,基于霍普金斯(SHPB)压杆装置,开展不同气压对磁铁矿石冲击压缩试验,探究磁铁矿石动态应变率和动态抗压强度与冲击气压的变化规律,解析磁铁矿石在高应变率下的破碎形态和能量规律。研究表明:随着冲击气压的增加,磁铁矿石动态抗压强度先增加后减小,冲击气压为0.6 Mpa时,动态抗压强度最大,其对应平均应变率为102.71s^-1;磁铁矿石平均应变率和峰值应变率均随着冲击气压均呈幂指数形式增加(εe=230.57p^1.46,εm=311.33p^1.81);进入入射杆的能量中,反射能所占比例为29.93%~57.95%,透射能所占比例为3.66%~25.11%,吸收能的能量利用率为36.09%~44.96%。冲击气压为0.5MPa时,磁铁矿石试样破碎效率最佳,能量利用率最高为44.96%。     

循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,本文采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律.研究结果表明,以90 M Pa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则先减小后...     

循环冲击下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律。研究结果表明：以90 MPa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则正好相反,第一次冲击有助于提高红砂岩的抗压强度;随着入射幅值的增大,当以100 MPa、110 MPa、120 MPa入射应力冲击时,动态强度、变形模量和循环次数逐渐减小,最大应变和平均应变率逐渐增大,基于Weibull分布的损伤模型可以反映此材料的损伤演化特性,累积损伤随着冲击次数的增加而增大,累积单位体积吸收能与累积损伤规律具有较好的一致性,岩样出现失稳破坏为大块时的累积损伤均在0.8左右,没有明显的变化。研究结果为矿山岩体安全防护及正确评价岩石稳定性提供理论依据。     

煤冲击破坏力学特性试验研究

为了探究煤在冲击破坏过程中表现出的力学特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对平煤十矿1/3焦煤试样进行了不同冲击速度下冲击破坏压缩试验。结果表明:煤样在冲击速度为3.287～12.399 m/s,试验测得的最大应变率变化范围为85.25～168 s-1,应力极限值变化范围为15.84～47.33 MPa;随着冲击速度的增加,煤试件材料出现了应变硬化和应变软化现象;随着冲击速度的增加,煤试样的平均应变率值先快速增加,然后增加趋于缓慢,采用二次多项式拟合相关性较好,最大应变率值先快速增加,达到一定值后增加趋于缓慢,并呈现出稍微下降趋势,采用三次多项式拟合相关性较好。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

基于3D扫描的深部砂岩动态破碎块体尺度特征与能量耗散规律试验研究

在不同的冲击荷载下,岩石会破碎成不同尺寸的块体或颗粒。为了对动态荷载下岩石的吸能特性和动态破碎块体的尺度特征进行定量研究,采用分离式霍普金森压杆系统(SHPB)对煤矿深部砂岩进行了动态压缩试验。得到了不同冲击荷载下岩石试件的动态压缩强度规律,分析了入射能对试件吸收能的影响和应变率效应。在此基础上,利用3D扫描技术、数字图像处理技术得到破碎块体的三维扫描模型,探讨了砂岩试件破碎块体尺度特征与吸收能量的关系。研究表明：砂岩试件的动态抗压强度和吸收能都具有明显的应变率效应,动态抗压强度和动态应变率近似呈线性关系,而吸收能则呈指数型关系;在不同的入射能量下,试件吸收的能量有所不同,吸收能随入射能呈线性增长;在应变率为54～221.9s^-1范围内,3D扫描技术能对砂岩破裂块体进行高精度数字重构;随着冲击荷载和输入能量的增大,试件破碎块体的形状逐渐丰富,破碎块体的粒径逐渐减小,比表面积逐渐增大,试件的破碎形态由大块体破断向小块体破碎转变。砂岩材料的破碎成形和能量耗散是材料的率效应机制。     

落锤冲击下饱冰裂隙砂岩动态力学性能研究

为了研究饱冰裂隙砂岩的动态力学特性，通过落锤冲击试验与PFC数值模拟相结合的方法揭示了裂隙倾角对饱冰裂隙砂动态力学特性及裂纹扩展过程的影响规律。试验结果表明，不同倾角饱冰裂隙砂岩的应变时程曲线形式一致，裂隙倾角仅影响峰值应变的大小，其中裂隙水平时的峰值应变最小，且随裂隙倾角的增大峰值应变增幅超过40%。试样的宏观破坏模式均以张拉为主。数值结果表明，循环冲击会影响饱冰裂隙砂岩应力-应变曲线的形态和斜率。试样的起裂应力与起裂应变的大小以及微裂纹数量均随裂隙倾角的增加呈先增后减的变化过程，而峰值应力则随裂隙倾角的增加而线性增大。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC–2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明：(1)在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力–应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快–慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹–剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。(2)揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律：孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地...