岩石破坏全过程中的能量变化分析

分析了用能量的方法研究岩石破坏问题的合理性,指出能量是岩石破坏的原动力,从能量的角度进行研究,就有可能发现岩石破坏的机理。进而详细分析了岩石变形破坏过程中,各种耗散能和释放能的种类、大小、以及对岩石破坏所起的不同作用,并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中,岩石能量耗散与释放问题。作者认为能量耗散导致岩石强度的降低,而能量释放造成岩石的灾变破坏,从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,可以避免分析复杂的变形过程,有利于简化问题,找到岩石破坏的真正原因,为实际工程提供参考。     

高水压对岩石动态能量耗散和破坏特性的影响

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,极易引发涌突水等事故,严重影响地下工程的安全稳定性。为研究水压力与地应力对岩石能量耗散和破坏特性的影响,笔者利用自主研发的高水压高地应力岩石动力学试验系统,设置多组水压力和轴向静应力用于模拟地下水压力和地应力环境,对岩石进行冲击试验。基于试验得到的入射波、反射波与透射波计算岩石的耗散能,研究岩石能量耗散率与水压力与轴向静应力的关系。对冲击后的岩石试件进行筛分,计算其质量分形维数,用于表征岩石试件的破坏程度,研究水压力和轴向静应力对岩石分形维数的影响规律。改进孔隙裂纹扩展模型,研究岩石微裂纹扩展的变化规律,探索水压力与轴向静应力对岩石破坏特性的影响机理。结果表明,岩石能量耗散率随水压力的增大呈现先上升后下降的变化趋势,表明水压力对岩石能量吸收起到先促进后抑制的作用。能量耗散率随轴向静应力的增大持续增加,表明轴向静应力有利于增强岩石的能量利用率。相同轴向静应力工况下,岩石的质量分形维数随水压力的增加逐渐减小,即其破坏程度不断降低;相同水压力情况下,质量分形维数随轴向静应力的增加逐渐增大,即其破坏程度逐渐提高。改进的孔隙裂纹扩展模型可以直观表征水压力...     

非静水压条件下深部岩石能量耗散规律及破坏特征试验研究

深部岩石常处于非静水压初始应力场,岩石所处应力状态的不同导致其对动态荷载的响应有所差异,为研究非静水压及动载耦合作用下岩石的动力学行为,利用分离式霍普金森杆试验系统,开展多种初始应力组合下的岩石动态压缩试验,分析不同非静水压条件对岩石能量耗散及破坏规律的影响规律。通过试验结果发现,轴压和围压均对岩石动态强度产生显著影响,以8 MPa时为临界点,岩石动态强度随着轴压提升呈先增加后减小的趋势,但岩石动态强度随着围压的增加持续增大;岩石耗散能随着轴压的增加逐渐减小,但随围压变化趋势较为复杂,在轴压较低时,耗散能随着围压的增加而减小,在轴压较高时,耗散能随围压提升表现出先增加后减小的特征。根据试样的表观及内部破坏形态,结合分形理论及CT扫描技术,分析不同非静水压力条件下岩石的破坏模式发现,岩石表观裂纹与轴围压比存在显著关联,当轴围压比较低时,岩石侧面及端面裂纹较少,随着轴围压比的提高,岩石表观裂纹明显增加。通过对岩石扫描后横向及纵向切片分析发现,岩石内部同时存在环向和径向裂纹,且岩石破坏由贯穿型剪切裂纹控制。同时可以发现,非静水压条件下岩石的破坏可分为中心圆台形岩块和周边破碎岩块2部分,当轴压...     

压裂煤岩分区破坏能量耗散机理与应用

针对陕北侏罗纪煤层非典型顶板冲击灾害和硬煤压裂软化等问题,基于断裂力学与损伤力学理论,建立了压裂煤层能量耗散力学模型,研究了压裂煤岩破坏过程中能量演化机理,分析了煤层顶板压裂对大采高工作面煤层分区破坏规律的影响.研究发现:压裂裂隙扩展耗散能与水压及煤层损伤程度成正比.煤层压裂能形成压裂裂隙区-塑性软化区-弹性区.煤层中...     

岩石加荷破坏弹性能和耗散能演化特性

开展大理岩、灰岩和砂岩的常规三轴试验,研究岩石变形过程的能量非线性演化特征。结果表明:岩样屈服前外力功大部分转化为弹性应变能存储于岩样内部,耗散能增加的很少,屈服点后耗散能快速增加,弹性能增速变缓。岩石的极限存储能具有围压效应,随着围压增加,岩石破坏时的极限存储能逐渐增加。极限存储能还与岩石本身的性质有关,岩石的强度越高,脆性越强,极限存储能愈大。灰岩极限存储能最大,大理岩极限存储能次之,砂岩极限存储能最小。根据弹性能和耗散能的演化规律,构建了岩石变形破坏过程中弹性应变能的非线性演化模型,理论模型与3种岩石的试验结果吻合较好。     

岩石变形破坏过程的热力学分析

岩石在变形破坏过程中始终不断与外界交换着物质和能量,岩石的热力学状态也相应的不断发生变化。根据非平衡热力学理论,从理论上解释了岩石变形破坏过程的能量耗散及能量释放特征。在岩石的变形破坏过程中,热量供给和岩石体积元的形状及位置变化作为岩石体积元内塑性硬化、微缺陷形成等的能量源,导致弥散在岩石内部的微缺陷不断演化,从无序分布逐渐向有序发展,形成宏观裂纹,最终宏观裂纹沿某一方位汇聚形成大裂纹导致整体失稳(灾变)。从力学角度而言,它实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程。从热力学上看,岩石(岩体)这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程,包含能量耗散和能量释放。岩体总体灾变实质上是能量耗散和能量释放的全过程,而灾变瞬间是以能量释放作为主要动力。     

岩石失稳破裂的能量原理分析

岩石是一种含有初始微缺陷的天然工程材料,其内部结构和变形过程十分复杂,通过分析指出如果月能量的观点研究岩石的破坏问题,就有可能发现岩石破坏的物理机理。基于这一思路,认为岩石在变形初期阶殳具有能量耗散的特点,用耗散结构理论研究这一过程;受力超过峰值点,岩石发生突然破坏,瞬间释放出大量的惶量,这一过程可以用灾变理论进行研究。最后指出了岩石能量原理需要研究的主要内容。     

充填开采过程中岩体能量释放规律研究

充填法开采过程中充填体与岩体的耦合力学作用是一个能量耗散过程。分析了岩石破坏比能,采用有限元方法研究了矿床开采过程中岩体能量的释放规律。研究表明,随着开挖体积的增加,岩体能量释放率逐渐增大,且随开挖体积呈二次曲线增长,采场充填对于减小岩体能量释放率具有显著的效果。     

基于能量耗散理论的黏性土坡破坏发育机理研究

针对自重作用下黏性土坡开挖过程中滑坡失稳的渐进破坏过程,采用PFC2D 颗粒流数值模拟,再现了黏性土坡从发生到发展、演化再到最终失稳破坏的整个过程。结合能量耗散结构指出自重服役下的滑坡破坏过程本质是由于能量释放驱动下的能量耗散所引起的一种状态失稳现象,能量释放和能量耗散的共同作用是引起滑坡渐进破坏的内在原因。把滑坡的整个过程划分成3 个阶段,即蠕变损伤、强度丧失,裂隙发展、滑坡加速,滑体减速、滑面渐宽;并从颗粒细观尺度给出了基于能量释放的边坡强度失稳准则,进一步解释了滑坡整体破坏的本质原因。     

岩石热力损伤破坏的能量准则研究

采用MTS 810液压伺服试验系统及MTS 652.02高温炉对高温下(常温～1 200 ℃)花岗岩的宏观力学特性进行了较为系统的研究。基于不可逆热力学理论,采用连续损伤力学方法,推导了岩石热力耦合粘弹性损伤余能释放率的理论表达式,建立了岩石热力耦合损伤破坏的能量准则。研究表明,花岗岩的峰值强度和弹性模量随温度的升高总体呈下降趋势,岩样损伤余能释放率随温度的升高和时间的延长而增大,时间对岩石破坏进程产生了较大的影响, 在进行理论分析时应考虑时间效应。这比用传统的单一结构损伤参量所建立的损伤破坏准则更全面,更适用于处理岩石热力耦合损伤破坏行为。研究成果为核废料的存储、煤与油页岩的现场气化、深部资源开采、地热资源开发、煤层瓦斯的安全抽放和综合利用等重大工程中的岩石热力学问题提供了有益的研究资料。     

应力波穿越节理时能量耗散过程与机理研究

通过SHPB对含节理岩石的动力加载试验,详细剖析了应力波穿越节理岩石时的能量耗散过程和能量耗散机理,研究显示：波型的多样化与应力状态的复杂性是导致系统发生能量耗散的根本原因;对SHPB冲击加载过程中系统能量耗散方式的探讨结果表明,能量耗散主要有3种类型：分别是塑性势能、表面能以及热能,并从微观层面解释了上述3种能量耗散...     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

锤式破碎机破碎煤岩时内能消耗功率研究

通过LS-DYNA的SPH法建立动力学仿真模型,根据仿真结果和仿真数据,利用SPPS软件作数值回归分析,推导出锤式破碎机破碎煤岩时内能消耗功率大小的计算公式,为锤式破碎机设计功率的选取提供了理论依据。     

深井巷道底板岩体破坏机理及变形过程研究

为对深井巷道底鼓进行有效防治,需对底板岩体变形破坏机理进行研究,掌握底板岩体运移演化规律。利用弹塑性力学理论计算了巷道底板岩层的抗弯刚度和压曲临界载荷,得出了不同底板裸露长度、不同底板厚度情况下的压曲临界载荷曲线;以滑移线场理论为基础,以煤矿现场实测数据为参考,分析了底板岩层塑性区内岩体的运移演化过程,得出了塑性区内岩体的运移路径。     

岩石冲击破碎块度分形与能量耗散特征研究

为研究冲击荷载作用下岩石能量吸收与破碎分形特征,应用霍普金森试验系统对0.6、0.8、1.0、1.2、1.4长径比花岗岩进行动态冲击试验,分析了应变率效应和尺寸效应对花岗岩试件的破碎能耗和破坏形态的影响;在考虑时间因素的基础上,提出一种新的能时密度指标来评价能量耗散,结合分形维数计算与能时密度分析,研究岩石在冲击过程中的能时密度与分形特征。结果表明：0.6 ~ 1.4长径比花岗岩试件的应变率和能时密度均符合乘幂关系,同种长径比试件的能时密度随应变率增大呈递增趋势;在48.8 ~124.2 s_^-1应变率区间内,分形维数随应变率增加显著增大;花岗岩试件在动荷载下的能时密度和分形维数符合乘幂关系,单位时间内岩石吸收能量越多,分形特征就越明显;引用能时密度结合岩石破碎块度的分形维数计算,能够定量研究岩石单位时间内的能量吸收规律。     

岩石剪切带形成与发展细观模拟及破坏机制研究

 资源整合过程中时常出现影响煤矿安全生产的小断层,这些小断层往往又是瓦斯、水等灾害的诱导因素,因此有必要研究其存在的机理。岩体由于不均匀性、各向异性和不连续性,其力学性质与其它材料相比要复杂得多。岩石概化为宏观均匀连续体,采用弹塑性理论描述岩石力学性质,而这些模型无法深入了解岩石在外力作用下内部微裂隙萌生、扩展演化,直至宏观裂隙带形成,促使岩石失稳破裂的整个过程,更无法反映岩石破坏过程中表现出来的剪切变形局部化等基本特征。因此,进行岩石微、细观结构的模拟对于了解岩石宏观破坏机理是非常有意义的。本文从岩石材料的细观尺度研究了岩石剪切变形过程及机制等岩石力学基本问题。研究结果表明：剪切带在岩石试样峰值应力后,峰值点附近形成。岩石受力产生弹性变形,引起结构性的颗粒错动排列变化,导致岩样局部应力集中,使垂直剪切带方向产生拉应力,从而引起岩石的拉裂破坏,这些拉裂隙与剪切破坏产生的裂隙共同发展和贯通,形成宏观的裂隙带,即剪切带,在剪切带内拉裂缝占主导地位。体积应变的剪胀现象是这种拉裂缝的张开,扩容引起的。剪切带形成后,岩石材料表现了明显的结构软化行为,可以认为岩石是结构软化而非连续介质的材料软化。     

厚表土层薄基岩条件下分层开采覆岩破坏规律研究

运用实测和模拟研究的方法,研究了厚表土层薄基岩条件下厚煤层分层开采时煤层顶板上覆岩层破坏规律以及导水断裂带的发育高度。一分层回采结束后实测导水断裂带发育高度为34.7 m,经过3.5 a后实测断裂带高度降为30.7 m;下分层开采结束后断裂带发育高度为41.51 m。测试结果表明,随着工作面停采时间的增加,采动裂隙尤其是上部的微小裂隙将会部分闭合,致使导水断裂带发育高度降低;当基岩柱厚度较小时,导水断裂带发育高度也较小;同时厚煤层分层开采随分层数的增加,断裂带的高度增长幅度逐渐降低。     

深井大采高工作面覆岩破坏过程数值模拟研究

以唐口煤矿1305工作面为工程背景,采用RFPA2D数值模拟软件,对埋深1 000 m,采高5.5 m条件下大采高工作面覆岩破坏过程进行了反演,得到了深井大采高条件下上覆岩层运动的主应力、位移矢量变化规律以及声发射特征,为类似工程地质条件下工作面的安全开采和支护设计提供了理论依据。     

硬岩矿床岩爆防治的能量释放控制措施

讨论了在岩爆防治中能量释放控制的重要性，在以能量释放率作为衡量指标对冬瓜山铜矿深埋矿床采场结构参数和开挖步骤进行数值分析的基础上，提出控制能量释放的合理采场结构参数和开挖步骤，结合该矿岩爆现场调查资料，采矿方法以及支护原理，分析并提出控制巷道及采场围岩能量释放的支护及工程处理措施，研究结果已应用于该矿采矿设计和施工。