不同纤维掺量磷石膏胶结体损伤特性及本构模型研究

为了提高磷石膏胶结体的强度及韧性,开展了掺纤维提高磷石膏胶结体力学强度特性的试验,对聚丙烯纤维含量 分别为0、0.5％、0.75％、1％、1.25％的磷石膏基复合胶结体损伤规律进行了研究.研究发现:(1)随着聚丙烯纤维掺量的增大,磷石膏胶结体的峰值应变与抗压强度均呈现一定程度的提升,抗压强度与弹性模量均呈先增大后减小的趋势,最优纤维掺入量为0.75％;(2)不同纤维掺量的胶结体试件其应力应变曲线具有相似形态,而掺纤维胶结体与普通磷石膏胶结体在应力应变曲线上的差别表明,纤维的掺入能提高胶结体的峰后残余强度以及韧性,可明显改善磷石膏胶结体的抗压强度特性;(3)基于应变等价理论、统计损伤理论,引入了5种损伤修正系数,推导出了掺纤维磷石膏胶结体单轴受压损伤本构模型,建立了不同纤维掺量下磷石膏胶结体的单轴受压损伤本构方程及损伤演化方程;(4)将理论曲线与试验曲线对比,发现各曲线具有相似形态,且二者在峰值处吻合度较好,表明所建立的理论本构模型对不同纤维掺量磷石膏胶结体的分析和研究具有一定的参考价值.研究成果可为磷石膏基复合材料在固废胶结充填现场的应用提供一定的理论支撑.     

相似材料单轴压缩力学性能及强度误差来源分析

为提高相似材料模型试验的模拟精度,通过单轴压缩测试了2种不同材料(砂-石膏、砂-水泥-石膏)、不同配比试件的应力-应变特性,分析其力学性能、破坏特征,并探讨了相似材料模型制作及试件测试过程中的误差来源.研究结果表明:1)2种相似材料试件在加载过程中均能表现出良好的弹塑性性质,可针对不同试验岩体进行模拟仿真;2)2种相似材料试件峰后软化段平稳,残余强度稳定;3)由于相似材料体胶结不够充分,原发损伤多,加载过程中易出现异常卸压和应力波动,破坏特征主要以张裂和共轭双剪为主;4)相似材料模型制作过程中,人为因素影响较大,提出了配制和测试过程中的误差来源,应尽量避免以增加相似材料试验精度.     

岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。     

脆性相似材料的研制与新型模型应力测试方法

以石膏为胶结料,以云母粉为调节剂,通过试验研究不同配比的抗压强度、抗拉强度和压拉比,最终研制出一种脆性相似材料及配比,能够模拟不同脆性度的低强度到中等强度岩体。以此材料制作应力传感元件,通过将两组应变花预埋在应力传感元件内部,达到测量相似模型内部各个方向的应力的目的。将应力传感元件进行应力标定,元件表现良好的弹性特征,表明所研制的元件具有较高的可靠性,该方法可运用于测量相似模型内部各个方向的应力。     

远爆区爆破对胶结充填体损伤特性研究

在回采矿柱时,开采爆破可能造成充填体强度下降和失效,充填体强度对某些采矿方法能否有效应用起到决定作用。利用自制扰动流变效应实验装置对4种不同浓度的充填体试件进行多次低强度扰动实验,结合波速变化和数值模拟手段判断充填体损伤情况。研究结果表明:浓度和竖向受力大小是影响充填体抗扰动能力的重要因素;充填体在静置养护过程中,产生重力沉降,形成"梯度结构材料",在低强度动力扰动下,上部相对损伤最大,中部次之,下部最小。充填体受多次邻侧低强度动力扰动,塑性区发展主要在前期,集中部位主要为距爆源最近的暴露面上部和最远的暴露面下部区域。研究成果对降低矿柱回采贫化率和开采成本及提高采场安全稳定性具有重要的借鉴意义。     

爆破动载下全长锚固玻璃钢锚杆累积受力特征研究

针对全长锚固玻璃钢锚杆在多次爆破冲击作用下的损伤失效问题,依据金川三矿区玻璃钢锚杆支护参数及爆破振动现场实测数据,基于应力波反射拉伸破坏理论简化了锚杆动载受力模型并建立了数值计算方案,研究了单次及多次爆破动载下的全长锚固玻璃钢锚杆轴向受力特征,并通过全长锚固玻璃钢锚杆冲击试验结果验证了数值计算结果的可靠性。研究表明:在动载强度不变的情况下,不同爆破次数下的全长锚固玻璃钢锚杆轴向应力均沿杆体长度方向呈指数型下降,且锚杆最大轴向应力始终在孔口位置;随着爆破次数的增加,锚杆各部位轴向应力均不断增大,锚杆最大轴向应力增加更为明显,且轴向应力分布范围不断向锚固段深处延伸;随着爆破次数增加,玻璃钢锚杆最大轴向应力持续增大直至破坏,但金属锚杆轴向应力快速增大至一定数值后便趋于平稳,两者具有明显差异性;随着动载强度的增大,玻璃钢锚杆失效前的最大受力次数整体上呈先快速下降后缓慢下降的指数型变化特征。研究结果可为爆破冲击作用下的玻璃钢锚杆支护设计及爆破控制提供理论依据。     

露天矿台阶爆破扰动下浅埋采空区稳定性研究

为了研究弓长岭露天矿台阶爆破扰动对台阶下方浅埋采空区稳定性的影响;根据弓长岭露天矿真实的工程地质条件和施工方案,基于细观损伤力学理论,采用FLAC^3D对台阶爆破扰动下采空区损伤演化过程进行了数值模拟,研究了台阶爆破扰动对露天矿浅埋采空区稳定性的影响。结果表明：施加爆破扰动后,采空区顶板变形量增加,而施加爆破扰动位置距离采空区越近,顶板变形增加量也越大;在距离采空区75 m处施加爆破扰动时,采空区顶板有失稳破坏的风险。     

高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤数值模拟研究

深部巷道围岩在频繁爆破扰动作用下微裂隙不断产生、扩展与贯通,形成宏观破裂,岩体失稳灾害日益突出。本文采用FLAC3D软件,考虑不同侧压力系数,开展高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤规律研究。结果表明：应力环境明显影响巷道围岩的损伤特征。初始应力条件决定巷道围岩的破坏区域和破坏形态分布,爆破扰动会加剧巷道围岩的损伤,加快破坏速度。与初始应力状态相比,爆破扰动造成巷道围岩松弛区变厚、应力集中程度和影响范围增大,同时改变围岩中位移的分布特征和范围,并增大围岩的最大位移量。巷道围岩所受双向载荷差值越大,爆破扰动作用后塑性区的深度就越深,破坏增量也越大,巷道围岩塑性区的范围远大于松弛区。支护工程应控制松弛区围岩,避免其发生垮落。研究为深部巷道围岩控制提供支撑。     

爆破扰动对巷道围岩损伤的数值模拟

深部巷道围岩在频繁爆破扰动作用下微裂隙不断产生、扩展与贯通,形成宏观破裂,岩体失稳灾害日益突出。本文采用FLAC3D软件,考虑不同侧压力系数,开展高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤规律研究。结果表明:应力环境明显影响巷道围岩的损伤特征。初始应力条件决定巷道围岩的破坏区域和破坏形态分布,爆破扰动会加剧巷道围岩的损伤,加快破坏速度。与初始应力状态相比,爆破扰动造成巷道围岩松弛区变厚、应力集中程度和影响范围增大,同时改变围岩中位移的分布特征和范围,并增大围岩的最大位移量。巷道围岩所受双向载荷差值越大,爆破扰动作用后塑性区的深度就越深,破坏增量也越大,巷道围岩塑性区的范围远大于松弛区。支护工程应控制松弛区围岩,避免其发生垮落。研究为深部巷道围岩控制提供支撑。     

深部巷道群高静载低扰动冲击矿压发生机制及防治技术

针对深部巷道群高静载低扰动下突发性冲击矿压的难题,以某煤矿一盘区大巷为工程背景,通过力学分析和数值模拟研究了深部巷道群高静载低扰动诱发冲击矿压的发生机制。结果表明：大巷之间相互影响,导致巷道间煤柱区域应力叠加,高能量积聚在巷道顶底板内;巷道围岩蠕变使得围岩的长期强度降低,引起诱发冲击矿压的临界应力值降低,进而高静载水平下较小的动载扰动即可使叠加应力达到岩体承载极限,在能量达到岩体破坏的最小所需能量时,岩石产生自发性破坏,破坏后巷道围岩系统中的弹性余能转化为动能,造成巷道群冲击矿压发生。根据一盘区巷道群应力和能量分布区域和集中程度,采用大直径钻孔卸压和爆破卸压措施后,降低了应力和能量集中水平,卸压效果明显。     

煤岩巷道爆破开挖围岩松动破碎研究

为了进一步控制煤岩巷道爆破开挖质量,减小爆破开挖对围岩的破坏程度,对雅典煤矿回风巷道煤岩体力学性质进行分析,利用电子内窥摄像仪观察围岩破碎状况,并建立模型研究不同参数下爆破应力在围岩中传播及分布状况。结果表明:煤岩体强度较小,具有明显的力学薄弱向;煤岩巷道围岩破碎特性明显,纵向裂缝凸出;在一定工程条件下爆破应力在围岩中的传播规律相似;不同的爆破参数对爆破振动具有一定影响,存在最佳理论爆破参数值,使爆破围岩振动达到最弱。     

矩形软岩巷道爆破掘进的振动特性研究

煤矿软岩巷道的岩体强度低、胶结程度弱,在爆破掘进过程中易受爆破卸载效应的影响,导致围岩变形量增大、巷道支护承载力降低等现象。以新上海一号煤矿112051工作面矩形软岩巷道的掘进爆破工程为背景,通过FLAC3D的非线性动力平台进行分析,研究了矩形软岩巷道的振动损伤、应力状态、变形规律与能量响应等动力反应特性。结果表明:软岩巷道两帮为拉剪破坏,顶、底板部位为剪切破坏;爆破自由面上围岩的动力扰动更加强烈,受影响的巷道长度为24~28 m;水平纵向波的振动速度最大,且振动频率集中于70~90 Hz之间,可以将其作为巷道爆破的安全控制指标。     

卸压爆破振动下锚索支护全煤巷道动力响应特征

针对目前参数不合理的卸压爆破常损伤巷道围岩,减弱防冲效果的问题,基于PASAT-M型便携式微震系统实测的卸压爆破振动参数,并引入爆源模型对爆破震源进行描述,由此在FLAC3D4.0平台上研究了卸压爆破下巷道围岩的损伤破坏模式以及锚索支护的振动特征。研究发现:剪切破坏是爆破振动下巷道围岩的主要破坏模式。爆破振动下近场围岩应力水平出现小幅增加,其中顶板内水平应力增幅约为8%,爆破帮内垂直应力增幅在8.3%,爆破后近场围岩的弹性应变能得到一定的释放。卸压爆破通过造成支护结构锚固段附近煤体变形损伤,而导致锚索支护轴力的降低。利用三维全景钻孔窥视方法对巷道围岩裂隙带进行现场实测,验证了数值模拟结果的可靠性。     

采动应力路径下深部煤体扰动特征

为研究采动条件下工作面前方煤体应力变化规律与扰动破坏特征,以平煤十二矿己15-31030工作面为研究对象,通过现场原位实验与三维数值模拟研究,给出了不同应力状态下的扰动强度判别指标,以煤体主应力为中间量,将采动应力与工作面前方煤体破坏特征联系起来,得到了采动应力演化规律及采动应力路径下煤体变形特征。原位单轴实验表明工作面前方煤体采动应力不是单纯的增加,而是经历了原岩应力、缓慢上升、急剧升高、突然卸荷4个状态,而三维数值实验得出侧压力系数大小与扰动状态具有一定的相关性。根据已有的应力路径,数值再现了单向、三向采动应力状态下煤样的变形规律和塑性分布状态。     

岩石爆破损伤中水不耦合系数变化效应研究

为研究水介质不耦合装药时不耦合系数变化对爆破损伤的影响,通过理论分析、相似模型实验和数值模拟相结合的研究方法,对水介质不耦合装药下混凝土模型中爆炸所产生的损伤效果进行分析。研究结果表明:在相同药量下,不耦合系数K分别为1.25、1.5、2.0、2.5、3.0和3.375时,其对应的爆破应力波的衰减速度整体呈现先增加后缓慢的趋势,爆破漏斗的体积大小随着K值的增加呈现减小的趋势。通过分析爆破后粉碎圈和裂隙圈随不耦合系数变化而变化的规律,结果表明水不耦合系数K为1.5时爆破效果达到最佳。     

扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制

地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏,对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验,研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律,分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:①单面瞬时卸荷时,轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象,轴向应力越大,回弹量越小,压缩量越大;②随着第二主应力的增大,破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程,第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏,第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素,在第二主应力为10 MPa时,试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹,随着第二主应力的增加,试样内部剪切现象逐渐消失,出现的劈裂裂纹增加,在第二主应力为20 MPa时,试样内部基本全部处于劈裂破坏;④动静组合作用下,静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素,同等扰动条件下,当静载为破坏强度的80%时,破坏强度为148. 6 MPa,静载为破坏值的90%时,岩样的整体破坏强度为142. 4MPa,静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低,静载相同时,随着扰动振幅、频率的增加,岩体的破坏强度越低,对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。     

高瓦斯低透气煤层松动爆破有效影响范围确定

利用ANSYS/LS-DYNA软件对松动爆破有效影响范围进行了计算机数值模拟,分别建立了爆破孔间距为5、6、7 m的爆破数值计算模型。通过对模拟结果分析得出：爆破应力波以爆源为中心向四周传播;应力波强度会随着传播距离的增加而不断衰减;在应力波传播的过程中,会发生应力叠加现象;爆破孔间距越大,叠加后应力强度在传播过程的衰减幅度就越小;通过数值模拟和现场检验,最终得出爆破孔间距为6 m时爆破效果最佳。     

水泥石试件早期损伤特性与后期力学行为分析

水泥石早期强度较低,较小扰动易受到损伤破裂,而早期水泥石损伤特性表现复杂,且不同损伤程度对其后期承载力学行为影响较大。基于对早期水泥石损伤特性的理论分析,采用相同比例水泥浆液预制100 mm×100 mm×100 mm的水泥石试件5组,在实验室利用刚性试验机,对筛选的5组10个水泥石试件进行3 d早期不同应力比损伤单轴压缩与28 d后期承载力学特性试验,分析了早期水泥石损伤机制及基本特性,引入了早期水泥石损伤系数概念,建立了早期水泥石试件全应力-应变曲线条件下的损伤量求解方程,确定了早期水泥石损伤阈值,研究了早期水泥石不同损伤(损伤量或应力比)对后期强度、变形的影响规律以及与弹性模量、泊松比的关系,提出了基于早期水泥石损伤的后期承载失稳模式。结果表明:早期水泥石损伤曲线分为压密损伤、损伤累积与损伤爆发3个阶段,单轴压缩破坏过程中存在典型全应力-应变曲线各阶段特征,水泥石试件完整损伤模型方程可分为两段式进行描述,能较好表征早期水泥石不同应力比条件下的损伤特征;随着早期水泥石试件应力比增加(75%～100%),早期水泥石试件的轴向应变、横向应变、泊松比与损伤量呈增加趋势,且横向应变增幅大于...     

爆破地震波作用下含断层结构面高陡边坡动力响应分析北大核心

为了防止白马铁矿及及坪采场含断层的岩质边坡受爆破振动作用发生失稳,利用小波分析对现场监测点爆破地震波进行频谱能量分析,得到断层影响下高陡边坡爆破振动波传播规律,同时根据实际边坡建立边坡模型,分析在爆破振动作用下边坡断层岩体劣化效应对边坡动力响应及损伤规律的影响。结果表明:1)当爆破地震波在含断层结构面的高陡边坡中传播时,断层结构面对爆破地震波在边坡中的传播规律影响显著;2)爆破振动波在断层岩体区域传播时,断层岩体力学强度对振动波的传播有明显的影响,断层力学强度越低,对振动波的传播阻隔效果越明显。断层岩体力学强度的劣化加速了爆破振动波传播的衰减;3)不同断层岩体参数劣化工况下爆破振动下边坡损伤有明显变化,随着断层岩体力学强度的劣化,边坡抵抗变形能力减弱。     

爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。