含单一孔洞岩石形状效应数值模拟研究

为研究形状效应对含孔洞岩石强度特征、变形特征和破裂演化规律的影响,利用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对不同宽度孔洞岩石试样进行单轴压缩数值模拟。结果表明:随着试样宽度增大,完整试样峰值强度表现为逐渐减小的特征,而含孔洞岩石试样峰值强度先增大后又逐渐减小,当试样宽度为160 mm时,取得最大值;孔洞岩石试样的破坏模式随着试样宽度的增大逐渐由拉伸破坏演化为剪切破坏。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。     

多级围压下岩石三轴试验方法研究

作者在刚性伺服三轴试验机上通过简单的控制方式,采用单块或少量试件,实现多级围压作用下加载的三轴试验,并对砂岩、泥岩等试验结果进行了分析。使用该方法确定的粘聚力低于常规试验值而内摩擦角变化不大;同时该方法可以降低岩石试件间的差异对试验结果的影响。     

不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应

通过对3种厚度在20～50mm不等的圆柱形岩石试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法分析了试样厚度对岩石劈裂强度的影响,得出单轴抗压强度越大的岩石,巴西劈裂强度的尺寸效应越明显;不同岩石劈裂强度的尺寸效应各有不同,白色大理石劈裂强度随试样厚度增加呈线性减小,硅质砂岩劈裂强度随试样厚度增加呈线性增大,炭质泥岩劈裂强度随厚度增加呈指数增大.拟合这3种岩石劈裂强度与厚度关系的函数,相关系数都在0.99以上.试验结果还表明,不同岩石劈裂时横向应变和轴向应变也受试样厚度的影响,存在明显的应变尺寸效应.     

巷道围岩破裂范围与位移的新研究

考虑了岩石破裂后强度衰减（应变软化）和体积膨胀的重要特性，导出了巷道围岩破裂区半径、塑性区半径和周边位移的解析计算公式。研究表明，应变软化程度对围岩破裂范围有直接影响，进而影响巷道收敛；破裂膨胀性对围岩破裂范围影响不大，但对巷道收敛影响显著；围岩处于破裂状态时，巷道收敛主要是由处于残余强度状态的破裂区围岩的碎胀变形引起的。     

不同水温浸泡后粉砂岩破裂过程红外辐射特性研究

为探寻温度条件对粉砂岩破裂过程红外辐射特性,分别对50℃、100℃水中浸泡过的粉砂岩试样进行单轴压缩试验,通过平均红外温度(AIRT)、方差、欧氏距离三项指标对两组试样加载过程的红外辐射温度场特性进行定量分析,得出不同水温浸泡下粉砂岩破裂过程红外辐射特性。结果表明:三项指标对50℃、100℃水浸泡粉砂岩试件红外辐射温度场的刻画整体趋势大体一致,但100℃水浸泡试件在单轴加载破坏过程中裂隙的发育的剧烈程度远远低于50℃水浸泡试件,且发育过程趋向于平缓稳定发育,同时在一定程度上存在裂隙发育滞后的现象。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明：(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性...     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

混合花岗岩蠕变特性研究

岩石流变性是岩石重要力学特性之一.利用Instron-1342伺服刚性材料试验机,采用单体分级加载对混合花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验,获得了混合花岗岩的蠕变曲线,并对其力学规律进行了分析,在此基础上确定了混合花岗岩的长期强度.采用伯格斯模型描述了混合花岗岩的弹性性质,并确定相应的流变力学参数.     

单轴压缩条件下饱水粉砂岩红外温度场的分形特征研究

为探寻单轴压缩下饱水粉砂岩破裂过程中的红外辐射特性,引入分形理论,通过盒维数法计算出饱水粉砂岩红外温度场的分形维数,结合方差对单轴压缩下饱水粉砂岩的分形特征进行分析。结果表明:红外温度场的分形维数不仅能够表征饱水粉砂岩变形过程中裂纹发育的几何特征,同时也体现了裂纹发育过程中的动力学特征;较方差而言,分形维数对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感;分形维数在弹性阶段以及表征饱水粉砂岩试样破裂的红外前兆方面刻画效果优于方差。     

围压作用下水射流破岩损伤机理的数值模拟研究

采用显示动力学软件对水射流冲孔过程进行数值模拟,探究煤岩在高压水射流冲击下的破碎规律及裂隙发育状态,分析射流水柱冲击有/无围压的煤岩时,掏槽成孔的过程及机理,论证了煤岩体受拉伸力和剪切力的作用下导致横纵向裂隙形成并逐渐延伸成裂隙网的过程。研究结果表明:水射流冲击煤岩形成孔洞的同时,会在周围煤岩形成供瓦斯运移的裂隙,且成孔损伤范围受围压的影响;射流参数一定时,围压作用会阻碍孔深和孔径的扩展,但会使得周围裂隙的发育范围进一步扩张,20 MPa围压作用下扩张范围约增加40%。     

含瓦斯煤岩卸围压变形特征及瓦斯渗流试验

运用自制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流试验,研究其卸围压过程中的变形和瓦斯渗流特性。研究结果表明,卸围压试验煤样破坏形式是以剪切破坏为主的张剪复合破坏。卸围压过程中,含瓦斯煤岩围压-应变曲线可以分为3个阶段：屈服前阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。渗透率-应变曲线与围压-应变曲线呈现出明显的对应关系,表明围压对煤岩的变形和渗透率有重大影响,煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关。卸围压后,含瓦斯煤岩的泊松比立即转为向变大的方向发展,变形模量立即转为向变小的方向发展,并在卸围压过程中发展的趋势保持不变。     

不同围压作用下煤-岩组合体破坏行为及强度特征

通过MTS815试验机对钱家营矿煤-岩组合体进行常规三轴压缩试验。研究表明:围压作用下煤-岩组合体压密阶段较短,具有明显的线弹性及塑性屈服阶段,且随着围压的增大,峰后延性特征明显;根据峰值应变、弹性模量、破断角、强度的变化规律,10~15 MPa为组合体变形减缓的临界区间;煤样破坏主要以单斜面剪切破坏为主,并且个别岩体部分产生与煤样一致的剪切面,破断角处于14.1°~38.8°,均值为26.84°与理论破断角28.31°相差不大;随着围压的增大,残余强度有增高趋势,岩石强度衰减系数与之相反。围压从0~5 MPa,强度衰减系数降幅最大,体现出对围压的敏感性,随后围压继续升高,强度衰减系数呈线性递减;利用Hoek-Brown和广义HoekBrown准则对煤-岩组合体强度进行分析,讨论了适用于煤-岩组合体的参数m,s值。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

单轴压缩条件下胶结型汞矿渣细观破坏机理研究

胶结型汞矿渣在我国贵州省广泛分布,具有结构疏松、粒径相差大等特点,对其力学特性及破坏机理进行研究具有重要意义。选取代表性胶结型汞矿渣,进行单轴压缩—CT扫描试验,并基于颗粒离散元PFC3D程序开展了与室内试验相应的数值试验,研究了单轴压缩条件下的细观破坏规律、机理。结果表明:试样应力—应变曲线具有应变软化特征,在峰值强度前,试样结构趋向紧密,峰值强度附近开始出现裂纹,应变软化阶段,结构急速破坏;裂缝数在峰值强度前呈平缓增长,峰值强度后出现急剧增长,总体呈台阶状变化特征;随轴向应力的增大,位移量不断增大,位移等值线方向与水平面的夹角逐渐变大,最终趋于45°,并行粘结键上所受的力逐渐变大,至最终破坏时才有所减少;靠近上端部颗粒位移矢量,在峰值强度后出现杂乱现象;颗粒接触数在初始阶段有一定的增加,但随轴向应力的增大,颗粒接触数逐渐降低,并在峰值强度后急剧减少。     

基于围压恢复加固理论的软岩巷道支护机理研究

以首云铁矿为工程背景,针对其矿岩水理性差、稳定性差等特点,采用室内试验、理论分析、现场实践和监测分析等综合方式,提出了长短锚杆结合的锚喷网支护,配合强化的护表结构和支架的联合支护方式。结果表明,临时支护有效地封闭了围岩,避免了开挖巷道的进一步破坏,长短锚杆相结合充分利用了深部围岩稳定性,将开挖区应力进行了转移,以钢筋条带和喷浆进行的护表结构对上部围岩提供了有力支撑。监测表明,巷道表面位移累计量不超过30mm,有效地抑制了巷道变形,所得结论对软破岩巷道支护具有重要的借鉴意义。     

不同侧压下沉积岩石变形与强度特征

基于沉积岩石类型,系统地研究了在不同侧压条件下不同岩性岩石的力学特性。研究表明,沉积岩的变形和强度以及破坏机制与其所承受的有效侧压大小有关,不同岩性岩石的刚度和强度均随侧压的增大而增大;不同岩性岩石的应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。