单轴循环载荷与渗透水压下预应力裂隙岩石破坏试验研究

为研究受地应力与渗透水压耦合作用下的深部岩体受到爆破等动力扰动的力学响应,研制了渗透水压加载装置,对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后,进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验。试验结果表明,在试样弹性阶段加载有限次循环载荷有助于类岩石材料的强化;在有渗透水压作用下,单轴循环加卸载后岩石的强度降低,降低的程度与循环载荷加载时预应力的大小有关,在弹性阶段加载循环载荷的岩石强度高于在损伤阶段加载循环载荷的岩石强度,而且在渗透水压作用下岩石的应变大于无渗透水压作用下岩石的应变。具有岩爆倾向性的岩石可以通过加载、卸载产生损伤以降低其岩爆倾向性,同时低渗透水压的作用可使岩爆降低程度更剧。     

煤岩加卸载不同应力途径变形破坏力学参数的研究

分析煤岩轴向应力恒定条件下卸围压破坏时的力学参数,运用卸载破坏围压差的概念,反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度,通过不同初始卸荷速率时煤岩试件变形破坏参数的对比试验,研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。将卸载试验与常规三轴加载试验的极限强度、破坏方式等力学参数进行对比,试验结论丰富了卸载岩石力学内容。     

冻结兰州黄土力学特性试验研究

冻土以承载的角色出现,其受力形式为加载和卸载,由于卸载而导致的土体变形破坏现象普遍存在。试验研究表明：冻土在卸载过程中表现出的力学性能和加载过程中的力学性能有很大不同,因此在选取冻土力学参数时,应分别对冻土进行加载和卸载条件下的测试。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

三轴循环加卸载作用下煤样变形及强度特征分析

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行三轴循环加卸载试验,对三轴循环加卸载条件下煤样的变形及强度特征进行分析。结果表明:在三轴循环加载过程煤样的变形表现出明显记忆性,循环加载过程的应力-应变外包络线与连续加载的应力-应变曲线相吻合。在煤样屈服前进行加卸载,加载时弹性模量始终低于卸载时的弹性模量,且随加卸载次数的增加,加卸载时的弹性模量均有小幅增加,过峰值后弹性模量与峰值前弹性模量相比有所减小,但仍高于第1加载的弹性模量。三轴压缩条件下煤样的峰值强度、残余强度与围压成正比,符合Coulomb强度准则。峰值强度、残余强度与围压回归得到的摩擦系数大致相当,黏聚力则减低54.4%。     

循环加载保载卸载下泥质砂岩滞后破坏特性

采用TATW-2000电液伺服试验机对泥质砂岩试件进行单轴循环加载保载卸载破坏试验:首先对试件施加轴压至预定值,然后保持该压力值约115 s左右,以使泥质砂岩试件变形有足够时间达到一个相对稳定状态,以至于轴向变形速率小于0.005 mm/h;当试件在该压力作用下变形相对稳定后,再进行轴压卸载和下一个循环加载、保载、卸载过程;如此循环,直到试件在保载过程中发生破坏。本次试验研究结果表明,在循环加卸载试验中,无论是加载还是卸载过程,岩石变形都滞后于外部应力变化;在轴压加载至设定值并进入保载过程中的较短时间范围内,岩石变形并不立即停止而是随时间有一定程度的缓慢增长,即具有变形滞后特性;在循环加载、保载以及卸载条件下,岩石试件最终破坏前会产生大量的竖向裂纹;与常规单轴压缩试验相比,在单轴循环加载、保载、卸载条件下的泥质砂岩试件滞后破坏时的平均单轴抗压强度有所降低;在岩石恒载滞后破坏试验中,岩石滞后变形为试件达到破坏所需弹性能补充提供了供给途径。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

基于分段解除的深部空心包体应变计中非线性优化算法

随着浅部资源的日益枯竭,地下开采的深度不断增大,千米级乃至更深的矿产资源开采已成为常态。因此弄清深部岩体原岩应力的赋存环境是至关重要的,目前CSIRO地应力测量作为国际岩石力学学会建议直接测量方法,在世界各地广泛使用。在浅部岩体空心包体应变计地应力测量解析式中,弹性模量和泊松比都是通过室内双轴加载数据拟合获得的常数。进入深部岩体表现出高度的非线性,在对解除岩芯进行高压双轴加卸载试验中发现围压与应变的关系非线性,并且随着围压不断增大非线性关系尤为突出。传统的双轴加载试验设备最大围压加载值试验室内测得20 MPa,不能满足深部岩体解除岩芯的高压双轴试验模拟解除岩石在深部所受的应力环境。因此对传统的设备进行改造,研发了一套高压双轴加载试验装置,所承受的理论最大径向压力为200 MPa以上,目前试验测试的最大围压为100 MPa。对三山岛金矿埋深800 m的解除岩芯进行了高压双轴加卸载试验,分析应力与应变的关系提出一种平均应力与体积模量和剪切模量之间的非线性双曲线模型,明确了模型中3个拟合参数的物理意义,推导出平均应力与应变之间的非线性关系特征公式。基于弹性力学理论原岩应力分量计算在不考虑解除路径时,应用最小二乘法进行计算后获得最大主应力大小为53. 11 MPa,西北312°,倾角为8°。本文提出的考虑解除路径的优化算法,将整个解除过程分成多个阶段,每个阶段的变形模量计算参数与解除岩芯所受应力状态有关,且符合推导的应力与应变的非线性关系公式,各个阶段叠加计算的最大主应力大小为47. 78 MPa,西北311°,倾角为5°。     

双向加压下岩石能量规律的实验研究

在保持侧向压力基本稳定的条件下,对岩石试件进行了竖向反复加卸载直至破坏的双向压缩实验,得到了不同侧压及不同竖向压力下卸载的等效卸载弹性模量;对岩石试件还进行了双向同步加卸载直至破坏实验,得到了不同加载速度及不同双向压力下卸载的等效卸载弹性模量;两种实验都得到了破坏时的总吸收能、总耗散能和总可释放应变能。同时完成了方板中心圆孔岩石试件在不同加载速度下的双向压缩红外热成像实验。实验结果表明,加载速度越高,则试件表面平均温度越低;反之,亦然。     

高温循环加卸载作用下砂岩力学性能弱化及超声规律研究北大核心

为探索煤层气顶部岩石在高温与循环加卸载后力学性质弱化的规律,采用DDL-200单轴电子试验机对岩石进行分级循环加卸载试验,分析了力学参数、波速传播等弱化规律。结果表明:在25~400℃不同应变增量较小,形态破坏为劈裂破坏且内部损伤不均匀,纵波波速传播快;在400℃后应变增量大,破坏形态主要为剪切破坏,内部碎屑增多孔隙变大,岩石外层断裂面多而不规则,纵波波速慢;软化系数在加载期,同循环下随温度升高而减小,同温下随循环增多而变大,劣化度在加载期,同循环下随温度升高而降低,同温下随循环增加先变大后减小;在卸载期,软化系数与劣化度都随同循环(或同温下)升高而增大。     

北沼河铁矿地应力与采动应力测量

地应力是影响地下采矿的重要因素之一。本文采用实现完全温度补偿的空心包体应变技术的套孔应力解除法测量矿区地应力，采用MC型钻孔应力计测量采动应力，获得了地应力场和采动应力的分布规律，这些工作对于指导采矿设计和安全生产有着极其重要的作用。测量结果表明，北沼河铁矿地应力场以水平应力为主，采动应力分为明显的应力降低区、应力增高区和应力稳定区。     

干耦合超声波测试技术及其岩石动静参量测试应用

岩体非线性特征随深度增加不断凸显,其力学参量现场实时精确测量及长期监测,为地应力解除过程中岩体变化特征及应力监测提供了必要的基础。然而目前岩石力学参量测定多基于室内力学试验,时效性及拟合方法都会对测试结果带来误差。传统耦合超声波发射、接收探头对接触面平整性要求高,无法实现布置于现场钻孔内的长效监测。基于干耦合点接触声波探头测速技术,通过对声波发射、接收探头设计,电路板稳定性及去噪算法研究,研发出具有瞬时采集、无线传输功能的数字化波速采集系统。通过对同一区域取自现场加工的?50 mm×100 mm花岗岩岩样及地应力解除岩芯,分别进行室内力学试验及波速测定,以计算获取相应静态、动态弹性模量。结果表明:首先,自研发基于干耦合点接触声波测速采集系统,对不同工作接触面适应性较好,数据误差在规范允许范围内。其次,对于同一区域相同岩性不同尺度、形态的岩样,其动态、静态弹性模量关系彼此间具有适用性。这就为现场基于干耦合点接触声波测速计算获得的岩体动态弹性模量,推算其静态弹性模量提供了依据。进一步的,基于干耦合点接触声波测速数字化采集系统,岩体动、静态力学参数在现场地应力岩芯解除过程及岩体长期监测过程中的实时采集及分析研究,具有一定的可行性。     

长平矿掘进工作面煤体应力分布规律探讨

基于对长平矿掘进工作面新鲜暴露煤体前方的应力测定,针对钻屑量能直接反应煤体内应力分布大小的规律,运用岩石力学理论、力学数值模拟及煤层的基本参数,对掘进工作面卸压区宽度进行了理论推导,并对掘进工作面新鲜暴露煤体的钻屑量进行了现场实测。得出了掘进工作面应力分布规律:卸压带宽度约为0～3.5 m,集中应力带宽度约为3.5～8.5 m,8.5 m以后为原始应力区。     

基于地应力测量的岩爆倾向性预测

根据岩性选择地应力测点的位置,采用套孔应力解除法测得该矿山三维地应力测试结果,线性回归得出最大主应力随深度的变化,使地应力更好地应用于岩爆预测。从岩爆发生的力学、脆性、完整性和储能等四个方面的要求来描述岩爆发生的可能性,系统地提高了岩爆倾向性预测的准确性,并与该矿现场岩爆情况、发生的位置进行对比分析,提出了一套新的简便、完整的岩爆倾向性预测的方法。     

应力控制法维护巷道的数值模拟研究

从岩石的全应力－应变曲线出发，建立了描述围岩变形破坏的弹塑性本构方程。应用编制的有限元程序计算分析了应力控制法维护巷道的机制，考察了弱化带布置方式和弱化带有关参数对巷道维护效果的影响。计算结果表明，局部弱化围岩后，巷道应力集中区转向围岩深部，稳定性大大提高；弱化带的布置方式及参数必须根据巷道围岩条件及所处的应力环境分析确定。本程序曾用于淮北芦岭６００ｍ软岩巷道爆破卸压试验的数值分析，所得结果与井下实测结果吻合。     

软岩巷道在周边爆破反复作用下的损伤疲劳破坏

本文分析了软岩巷道围岩在远区爆破弱应力波反复作用下的损伤疲劳破坏机理,认为：岩石在周期性荷载作用下会产生疲劳损伤,所引起的力学性能变化对岩体工程的长期稳定性有重要影响;岩石的疲劳破坏存在门槛值,只有在局部应变或损伤疲劳累积达到疲劳裂纹扩展门槛时,疲劳裂纹才会形成和扩展;岩石疲劳裂纹的起裂韧度比其断裂韧度小得多,因此岩石会在远低于其断裂韧度的循环应力作用下发生疲劳损伤破坏.     

钻孔局部壁面应力解除切割工具设计

简要介绍了套芯应力解除法和钻孔切槽法这两种地应力测试方法的岩石切割技术。分析了钻孔局部壁面应力全解除法对局部壁面进行应力解除的技术途径,并给出了具体的环形槽切割工具设计方案。室内测试表明,这一设计方案是切实可行的,解决了钻孔局部壁面应力全解除法中对局部壁面实施应力解除的关键技术问题。     

矿山岩体原岩应力场的研究与实例分析

岩体原岩应力场的研究成果是矿山工程设计、安全施工与生产必不可少的原始资料之一。本文简要介绍了目前广泛应用的三类岩体原岩应力测量方法;列举了全国16个地下矿山的测量成果,并根据所得资料,对我国矿山岩体原岩应力场分布状况进行了初步探讨和实例分析。     

巷道顶部开槽应力控制机理的研究

分析了各种巷道维护的顶部应力控制法。借助连续介质力学理论，详细分析了顶板开槽下方围岩的应力分布状态及其影响因素，进而确定了顶部应力控制法的适用范围和合理参数，通过井下实践表明：顶部开槽适用于顶压大、侧压较小的情况；开槽底板与巷道顶板之间的距离应与巷道宽度相当。     

深部金属矿山卸压开采研究

为了确保深部资源的安全高效经济开采,以广西某矿业公司深部105号矿体作为研究对象,针对105号矿体即将开展的大规模开采过程中有可能出现的应力诱导矿压灾害,开展了卸压开采研究。根据矿区105号矿体及围岩的岩爆倾向性结论,结合矿区开采技术条件与开采工艺、地应力水平与岩体力学参数,提出了4种卸压方案,并利用FLAC3D及Plot Digitizer软件对4种方案的卸压效果进行模拟分析。结果表明:采场两侧布置卸压槽卸压方案使采场周边应力降低14.8%;切顶和拉底布置卸压槽卸压方案卸压不成功;在上盘深孔卸压爆破卸压方案使采场周边应力降低50.4%,在矿体与围岩之间能形成有效的应力隔离带;矿块分步回采方案使采场周边应力降低63.6%,最终通过最大主应力比较分析确定矿块分步回采为最优方案。