受载岩土破裂过程声发射及数值模拟试验

为利用声发射技术评估岩土稳定性,采用试验和数值模拟方法研究了重庆黄泥包岩土单轴压缩及劈裂过程声发射特征。研究结果表明:岩土在单轴压缩及劈裂破坏过程中均有声发射产生,与压力对应良好;均匀受载时,岩土产生的声发射呈稳态发展趋势;微破裂处,声发射有明显响应;压力峰值处,出现声发射极值。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程呈脆性破坏,裂纹扩展从强度较弱的单元开始,逐渐贯穿形成45°主裂纹;声发射信号与应力对应良好。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程及声发射与试验结果接近,有助于深入了解岩土损伤过程的声发射特征。     

水岩作用下不同强度煤岩组合体力学特性损伤规律研究

在富水矿井中，煤岩体以及井下留设的隔水煤岩柱受到地下水的长期侵蚀，导致煤岩体在水岩作用下力学特性发生改变并受到损伤，直接影响到矿井的稳定及安全生产。因此，对泥岩-煤-泥岩(N-M-N)、砂岩-煤-砂岩(S-M-S)、石灰岩-煤-石灰岩(H-M-H)3种不同煤岩强度比的煤岩组合体开展饱水前和饱水后的单轴压缩试验，研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性演化规律和声发射损伤特征，并结合RFPA2D数值模拟分析水岩作用对组合体破裂形式的影响。研究结果表明：水岩作用对煤岩组合体抗压强度和弹性模量有明显的劣化效应；水岩作用使煤岩组合体的声发射计数和累计计数下降明显；水岩作用使煤岩组合体裂隙扩展及破裂形式发生明显改变，声发射事件数始终伴随有裂隙的产生与扩展。     

煤岩组合体峰后卸加载力学特性及支护作用机理

为深入研究煤岩组合体的峰后卸加载力学特性,采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件对其进行了模拟试验,分析了不同卸载应力水平、卸载速率和支护方案对其强度、弹性模量、峰值轴向应变、冲击能量指数及声发射等特征的影响。结果表明：煤岩组合体在峰后阶段已经产生损伤,其峰后卸加载强度、弹性模量、冲击能量指数和最大声发射撞击计数均低于峰前常规单轴压缩的结果。在相同的卸载速率下,峰后卸载应力水平越高,煤岩组合体峰后卸加载强度越高。卸载速率对煤岩组合体峰后卸加载有整体强化和局部弱化两方面的作用。在相同峰后卸载应力水平条件下,随卸载速率的增加,煤岩组合体峰后卸加载强度呈“先增大、后减小”的演化特征。支护能够显著提高破碎煤岩组合体的强度和弹性模量,但只有稳定的支护方式才能够有效降低其冲击能量指数。为提高破碎煤岩体的稳定性和降低冲击风险,应当选择具有高强度、高可靠性和大变形能力的支护系统并增加护表面积。工程示例证明研究成果对现场工程实践具有指导意义。     

不同含水状态砂岩三轴压缩声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验机对不同含水状态下的砂岩进行了三轴压缩声发射试验,得到自然状态及饱水状态下砂岩的应力-应变曲线、声发射振铃计数率、能量及振幅分布曲线。试验结果表明,在水的影响下砂岩的力学特性和声发射特征都有较大变化:饱水状态岩样的平均峰值强度为自然状态岩样的84.4%,且在试验过程中整体变形及弹性模量都较小;在岩样三轴压缩的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率、能量及振幅值均比自然状态岩样小;对比饱水岩样和自然岩样的宏观破裂时间及声发射信号最大值出现的时间,饱水状态岩样都存在"滞后"现象;此外,两种含水状态下岩样的声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍"滞后"于砂岩宏观破坏时刻。研究结果对含水岩层工程设计及施工具有指导意义。     

砂岩单轴压缩破裂过程声发射特性颗粒流分析

通过室内砂岩单轴压缩声发射监测试验,结合颗粒流数值模拟分析,研究了单轴压缩条件下砂岩力学特性、声发射特征的演变过程。研究表明:砂岩声发射峰值强度和峰值应力呈现一定的滞后性;砂岩在单轴压缩初始阶段拉伸破坏事件和剪切破坏事件随机发生,继续加载则破坏事件具有一定的贯通方向性;宏观上看,试样表现出剪切破坏,在剪切面上下端发生部分拉伸破坏,试样部分剥落。此外,不同荷载阶段对应不同的声发射释放阶段,峰值强度后,声发射事件密集发生,且声发射累积数高于峰值强度前。离散元模拟试验结果与室内声发射试验结果基本一致,验证了颗粒流模型表征砂岩声发射特性的可靠性。     

水平应力加载下煤岩的声发射特征试验研究

为研究水平应力加载下煤岩声发射规律,在实验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:煤岩声发射信号随着应力水平的增大而增大,且轴向应力σ_v相对于水平应力σ_h对声发射信号影响效果更为显著;为比较复杂应力水平下煤岩声发射特征,定义"等效围压"表述应力水平,根据不同应力水平下真三轴压缩试验声发射能量特点将煤岩试件破坏过程划分3个阶段:弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段;随着等效围压增大试件破坏时的声发射信号显著增强,声发射计数峰值数量增多,峰值强度滞后更加明显,而应力水平对峰前平静期现象没有直接影响。通过理论及试验研究不同应力条件下煤岩试件的声发射特征可预防煤岩动力灾害的发生。     

煤岩卸荷破坏声学特性及变形破坏机理

我国很多工程建设逐渐向深部扩展,深部岩体复杂的结构和高应力等诸多因素对于工程安全提出了严峻的考验.本文以深部煤岩为研究对象,分别进行了单轴、三轴和三轴卸荷等试验下的声发射研究,得到以下结论:(1)单轴压缩下,声发射参数表现为前期平稳,塑性阶段后跳跃式发展.(2)三轴压缩下,试样整体更加稳定,声发射能量参数值先增后减再增,围压越大,试样出现相同破坏所需能量越大.(3)三轴卸荷与三轴压缩在卸荷之前声发射规律一致,卸荷后试样破坏加剧,声发射参数值增加.(4)分形维值D能很好地反应煤岩内部裂纹演变的规律.     

碟盘刀具振动切削煤岩的理论力学模型与载荷特性

针对煤岩机械刀具破碎煤岩寿命和效率低的问题,提出一种具有轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法,为探明碟盘刀具在轴向振动与径向切削破碎煤岩的力学特性,通过分析煤岩崩落面积、当量崩落角、载荷的集中力及其作用位置角,以单位断裂面上受力极限强度和最小能量法的准则,构建碟盘刀具破碎煤岩力学模型。基于扩展线性Drucker-Prager塑性本构模型,采用ABAQUS软件模拟碟盘刀具破碎煤岩的应力云图和载荷特性,在振动切削试验台上通过设定振动频率和振幅等参数测试不同切削厚度下的碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱,提取数值模拟和试验碟盘刀具破碎煤岩的载荷特征,对比分析理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值和数值模拟峰值的均值。结果表明:碟盘刀具破碎煤岩的破裂范围呈现月牙状,由中间向两侧递减;振动切削煤岩时其径向载荷明显小于单作用径向切削煤岩的载荷;碟盘刀具在轴向振动与径向切削时不同切削厚度径向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.12%,与试验载荷峰值均值的平均误差为4.88%;轴向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.25%,与试验载荷峰值均值的平均误差为8.34%。通过数值模拟和试验研究验证了碟盘刀具理论模型的准确性。     

预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究

为了揭示煤岩动力灾害物理模拟的细观损伤机制,利用YYW-Ⅱ单轴压缩试验仪及PCIE-8声发射(AE)监测系统,探究了含不同长度预制单裂隙的砂岩相似材料试样在单轴压缩条件下的力学特性、破坏特征和损伤演化特性.结果表明:随着预制单裂隙长度的增加,试样的峰值强度和残余强度近似线性减小,分别由746.84 kPa和199.11...     

单轴压缩下煤岩损伤演化及声发射特性研究

声发射是研究煤岩损伤演化的重要手段,通过开展煤岩单轴压缩声发射试验,分析了其微观裂纹演化规律,结果表明：(1)煤岩损伤演化前期为压剪破坏,后期为竖向和剪切组合破坏;当声发射参数RA（上升时间/振幅）与AF（平均频率）比例为1:70时,煤岩剪切裂纹占比大于拉伸裂纹,两者相差6.4%。(2)通过RFPA数值模拟,煤岩破坏前期主要为压剪破坏,后期拉伸破坏线性增长,压剪破坏线性减小,最终压剪破坏累计声发射事件数大于拉伸破坏,两者相差6.1%。(3)对比室内试验与数值模拟,验证了模拟结果的可靠性,为煤岩稳定性监测预警提供一定参考。     

阳泉矿区煤样不同应力状态下声发射特性分析

为探索原煤煤样的力学性能和不同应力状态下的声发射活动特性,对阳泉矿区新景矿、平舒矿主采煤层的煤样进行了单轴、三轴压缩和巴西劈裂的声发射试验,分析了2种煤样力学性能及不同加载过程的声发射活动规律。证明通过监测声发射(微震)活动分析煤样或煤岩体内部破坏状态是一种方便有效的手段。     

三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验,对不同加载条件下煤样的声发射特征进行分析。分析结果表明：在常规三轴压缩过程中声发射能量、累计计数和累计能量随时间变化趋势基本一致,均能较好反映煤样内部的破坏过程;在煤样循环加卸载过程间隔出现声发射信息,其能量、计数和幅值变化趋势一致,与煤样所受应力相吻合;煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在峰值应力的85%左右,可以作为判定煤样破坏的前兆;在循环加卸载过程中Felicity效应较明显,Felicity比值FR远小于1,随着循环应力水平提高,FR值不断降低,表明循环加卸载过程中声发射记忆具有超前特征,Kaiser效应的记忆效果较差,Kaiser效应作为煤体稳定性指标需谨慎。     

含水率对泥质粉砂岩强度损伤及声发射特征影响的研究

煤系沉积岩体原生及采动裂隙为水-岩作用提供了渗流通道,且受其组分和胶结类型等因素的影响,水作用下煤系沉积岩体力学性质改变显著。采用X射线衍射仪、无损浸水试验装置和煤岩力学性质测试系统,分析了泥质粉砂岩矿物组分,测试了其含水率随时间变化规律,并探讨了含水率影响下泥质粉砂岩强度损伤演化特征。研究结果表明:泥质粉砂岩中高岭石、伊利石和绿泥石等黏土矿物占矿物成分的62%;根据岩样含水率随浸水时间的变化趋势,将其划分为快速增长(0~25 h)、缓慢增长(25~85 h)及恒定(85 h~)3个阶段;由干燥到饱和,岩样的单轴抗压强度降低了47.72%,弹性模量降低了18.36%;随着含水率的增加,岩样破坏形式由剪切破坏逐渐向拉张破坏转化;应力、累计AE计数与时间变化关系曲线能阐明裂隙扩展的各个阶段,其中,裂隙不稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活跃;除含水率1.6%的岩样外,声发射定位结果与岩样实际破坏迹线大致相符;加载初期,岩样内部在中心位置产生剪切裂隙并扩展,裂隙和能量逐渐向外围扩散,后期产生拉剪复合裂隙。研究成果对于煤矿地下水库坝体设计、富水巷道顶板岩层控制等工程中涉及的水岩作用问题研究提供了有益参考。     

基于数字图像处理的含不同开度裂隙组合花岗岩破裂规律研究

为了研究不同开度裂隙组合花岗岩破裂规律,通过RFPA-DIP数值模拟软件,基于花岗岩真实细观结构建立含不同开度裂隙组合模型,进行单轴压缩数值试验。分析了模型的应力-应变曲线特征,峰值强度特征,裂纹扩展规律和声发射特征。结果表明：应力-应变曲线上升与跌落次数随裂隙开度的增加而增多;1 mm裂隙随着加载的进行而闭合,对模型力学特性影响较小;当两裂隙开度大于或等于2 mm时,出现岩桥区成核现象;开度较大的裂隙其裂纹扩展优先于开度较小裂隙;随着开度增加,峰值抗压强度、裂纹贯穿时声发射次数和总次数呈减小趋势。研究结果对含裂隙岩体地下工程建设具有一定的参考价值。     

不同加载模式下煤岩破坏特性试验研究

利用煤岩力学伺服三轴压缩试验系统,辅以声发射监测手段,对彬长矿区胡家河矿煤岩进行不同加载模式的试验,对比煤岩在单轴、常规三轴及动静载组合试验条件下的宏观力学表现与损伤特征探究诱发冲击地压的机制问题。结果表明：在常规三轴条件下,随着围压的增大,煤岩强度逐渐提高,煤岩内部的储能能力逐渐增大|施加动载后,随着动载频率的增加,煤岩强度劣化越明显,煤岩经动载扰动后由塑性变形转变为脆性破坏|动载损伤较静载损伤更加剧烈、迅速,使得煤岩在破坏形式存在明显差异。单轴压缩条件下煤岩破坏为劈裂破坏,存有围压破坏时为剪切破坏,而在施加动载后煤岩纵横裂缝交错,为压剪组合破坏形式。     

循环载荷下深部花岗岩的破坏机理研究(增刊)

在深部地下环境,随着温度升高和围压增大,花岗岩等硬岩呈现出从脆性到塑性转变的特性。同时,其力学行为和本构关系也会发生重大变化。岩石在循环载荷作用下,内部裂隙分阶段扩展,破坏过程受到裂隙空间分布、力学行为和加载条件等的影响。本文以水厂露天矿混合花岗岩为研究对象,通过三轴压缩试验和声发射监测试验,得到了岩石破裂各阶段的声发射特征值和相应的应力水平,获得了裂隙初始应力、裂隙贯通应力、峰值应力和残余应力的强度包络线,分析了深部花岗岩的破坏机理,确定了声发射信号和岩石破坏特征之间的对应关系,为工程应用提供了依据。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

复杂地质条件下预应力注浆锚索全长锚固技术研究与应用

随着煤矿开采深度的不断加大,深部支护的矛盾逐渐突出。针对平煤矿区某矿-700 m高位瓦斯巷掘进支护过程中随着地应力的不断增大、施工中支护难度加大的实际问题,采用不同的注浆材料可以改变岩土结构及力学性质的理论方法,进行了注浆锚索锚注支护机理及施工工艺的研究,并通过采取“注浆＋中空注浆锚索联合支护”施工技术,解决了深部软岩掘进巷道缩帮、缩顶、蠕动变形的技术难题,有效提高了深部围岩的抗压强度和自承能力,从而改善巷道的区域稳定特性。实践证明,采用锚注支护,可以有效控制软岩巷道深部围岩的变形与破坏,增强巷道的稳定性,取得了良好的支护效果,改善了现场支护环境,为同类工程施工提供了技术借鉴。     

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明：① 加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度,在加卸载过程中,主应力差有一个明显增加趋势,卸载第2阶段速率越大,其曲线斜率也越大,但峰值强度越小,对应的径向应变ε3 、体积应变εV增加速率也越快,而到峰值后破坏阶段,均呈下降趋势。② 加卸载过程中,煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段,初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升,持续一段时间后,渗透率出现急剧陡增趋势。③ 煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关,渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。     

不同加载速率下煤岩采动力学响应及破坏机制

研究煤岩在不同加载模式与不同加载速率下采动力学响应及破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。基于塔山煤样,先后设计与开展了单轴拉伸与压缩、常规三轴及采动力学试验。获得了不同加载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性。进一步对比分析了常规三轴试验与采动力学试验煤样变形特征的差异。得到煤样破坏前吸收能量密度随着轴向加载速率的关系,揭示了应力偏量是造成试样破坏强度和吸收能量密度提高的原因,是破坏产生的本质原因,但其受控于围压的临界值,及煤样损伤发生具有的时间效应。建立了采动力学条件下考虑加卸载过程中材料损伤的煤岩黏弹性模型屈服准则,包含有效体积应力的影响、应力差的影响、轴向加载速率的影响及围压卸载速率的影响,新的黏弹性模型屈服准则可以很好地解释加卸载速率引起的材料屈服强度变化。