应力波扰动对砂岩块体超低摩擦效应影响分析

以砂岩块体为研究对象,利用自主研制的超低摩擦试验装置,进行垂向应力波扰动条件下砂岩块体超低摩擦效应试验研究。通过对砂岩块体施加垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用,模拟深部岩体所处应力环境。分析垂向应力波扰动频率、应力波扰动振幅对砂岩工作块体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用下砂岩块体超低摩擦滑动失稳过程分为应力波扰动、超低摩擦加速滑动、非稳定滑动、稳定滑动4个阶段。垂向应力波扰动作用既是块体发生超低摩擦效应的关键因素,又是诱发块体发生超低摩擦效应的催化剂。应力波扰动频率对砂岩工作块体超低摩擦效应存在低频显著影响区,应力波扰动频率在1～3 Hz低频时,砂岩工作块体超低摩擦效应最为明显。相同水平冲击作用下,砂岩工作块体水平位移、水平加速度峰值与应力波扰动强度间均呈线性关系。     

应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。     

冲击扰动对超低摩擦型冲击地压影响分析

高地应力和开采强扰动下,深部煤岩体极易发生超低摩擦效应,继而诱发超低摩擦型冲击地压。通过建立考虑上覆岩层压力的块系岩体超低摩擦效应理论模型,对块体逐一进行受力分析,推导得到块体间新法向力公式和工作块体新水平位移公式,理论分析其受垂直和水平双向扰动后的动力响应,获得法向力最小值在各块体间的分布特征及水平冲击载荷频率和延迟时间对工作块体水平位移影响规律。研究表明:最容易发生超低摩擦效应的接触面位置为离垂直冲击源最近的3个接触面。块体间法向力减小导致块体间摩擦力降低,如遇水平扰动,极易诱发超低摩擦型冲击地压。水平冲击幅值确定时,工作块体水平运动存在特定的延迟时间及水平冲击频率范围,且工作块体的水平位移随延迟时间及水平冲击幅值的变化呈现周期性变化规律。发现工作块体水平运动开始时刻滞后于水平冲击作用时刻,存在滞后时间,其后将依次经历变加速和变减速运动,最终处于静止状态。块体间法向力变化是超低摩擦效应发生的前提条件,水平扰动是引起工作块体水平位移的直接原因。     

深部块系岩体超低摩擦现象的机理分析

不规则超低摩擦现象是深部块系岩体典型动力学特征现象之一,集中反映了深部块系岩体非协调、非连续的动力学特性。基于俄罗斯Kurlenya M V院士的深部岩体超低摩擦实验建立了深部块系岩体一维动力模型,得出了工作块体水平位移的解析表达式。研究结果表明,一维动力模型理论计算结果与实验数据吻合较好,进一步揭示了深部岩体不规则超低摩擦现象产生的力学条件为分别作用于块系和工作块体上的竖向和水平冲击的时间间隔满足倍数为2的规范序列,指出超低摩擦现象产生机理在于强动载作用下块体间法向力重分布和动摩擦系数不断变化的共同作用,同时说明超低摩擦现象出现的离散周期和低频低速变位摆型波频谱具有密切联系。     

冲击岩爆试验系统研发及试验

依据岩爆发生时的力学状态,岩爆可以分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型。冲击岩爆是深部岩体受静荷载和冲击动荷载共同作用所致,其试验系统的研发是岩石力学界的难题之一。设计并研发冲击岩爆试验系统,并进行冲击岩爆试验。该试验系统设计16种简谐波,通过其组合叠加,可以实现对开挖爆破、顶板垮落、断层滑动等冲击扰动波的模拟。试验采用加载至三向不同应力状态下的带圆形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ1方向施加扰动波,σ2,σ3保持在恒定应力水平的加载方式,通过伺服控制系统,实时采集砂岩试样冲击岩爆过程中的力和位移数据,获得全过程三向应力–应变曲线。通过图像采集系统,实时拍摄砂岩冲击岩爆全过程,获得该类型岩爆过程剥离、弹射等特征现象。并进行类似的静力加载破坏试验,观察其破坏现象与冲击岩爆过程的差异。通过对巷道单元岩体动应力和能量的分析,建立冲击岩爆的动应力和能量判别方法。     

开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型冲击地压的影响分析

随开采深度增加,冲击地压发生的频度和强度愈趋严重,而现有深部冲击地压机制的研究尚不明了。基于深部开采实际情况,提出超低摩擦型冲击地压这一新概念,引入岩体超低摩擦效应,以深部块系煤岩体为研究对象,考虑垂直冲击荷载和垂直地应力作用,建立超低摩擦型冲击地压块体模型,推导得到了块系煤岩体接触界面法向动力荷载随时间变化关系表达式。研究结果表明:垂直冲击荷载作用下深部块体接触界面法向荷载随时间呈周期性波动变化,冲击地压的发生存在临界深度区域,即400~600,800~1 000,1 200 m时接触界面法向动力荷载波动周期较小,波动频率较快,与现场观测结果和已有结论基本一致,说明所建模型较合理;开采深度不同,接触界面法向荷载随时间变化而急剧变化,800~1 200 m深度对应接触界面法向荷载随时间变化率的最大值与深度之间满足三次多项式关系;随冲击荷载强度增大,接触界面法向荷载最大降幅先减小后增加,最后趋于恒定,且冲击荷载强度为1 MPa时,接触界面法向荷载最大降幅最小,接触界面的摩擦力由静摩擦变为动摩擦,如遇水平扰动,煤岩体将突然滑出和抛出,产生岩体超低摩擦效应,极易诱发冲击地压。     

动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟

煤矿生产中存在着大量的动力扰动,常导致采矿巷道和采场围岩局部失稳,诱发冲击矿压发生。在一定条件下,动力扰动可简化为平面应力波。针对片帮型冲击矿压,采用数值方法模拟应力波作用下巷道围岩层裂结构的形成过程,探讨巷道围岩层裂结构的形成与巷道埋深、岩体弹性模量及应力波强度、时程特性的关系,进而讨论“小进尺、弱爆破”可减小扰动应力波诱发冲击矿压的机制,得到一定地质条件下动力扰动诱发冲击矿压的条件。     

岩块尺度对摆型波传播影响研究

基于深部非连续自应力岩体介质的等级块系构造理论,研究块系岩体不同等级尺度对摆型波传播的影响。对冲击载荷作用下块系岩体介质动力模型进行求解得到各岩块的加速度响应。计算在相同的冲击能下,不同等级尺度块系岩体中,各岩块加速度及相应的频域特性包括频域曲线中心频率和中心频带宽度。通过比较得出,块系岩体等级越高,在冲击扰动下块体加速度衰减越快且衰减区域主要集中在初始端块体,同时相比于纵波和横波在块系岩体介质中传播的摆型波是一种低速波且块系岩体等级越高波速越低;块系岩体等级越高初始端岩块中心频率越大、中心频带宽度越宽,随着摆型波的传播块体中心频率向低频移动,中心频带宽度逐渐缩小表现出低频波的特性,且等级越高这种变化趋势越明显。借助于时域和频域内的分析结果和相应的测试技术,有助于反演岩体的破碎程度和节理的发育情况。     

一维块系地质块体波动特性的试验和理论研究

深部岩体具有块系等级构造特性,俄罗斯深部矿山原位量测得到的摆型波(μ波)产生于动力冲击作用下(如深部地震、岩爆和封闭核爆等)块系岩体的运动,是一种不同于传统纵波和横波的新型非线性弹性波。为了证明μ波的存在,并对块系块体介质中应力波传播特性及块体材料、尺寸和结构形式的影响进行研究,利用自主研发的深部岩体动态特性试验系统,分别对6种具有不同特征尺寸的花岗岩和水泥砂浆块系块体模型和连续块体模型进行一维低速冲击试验。试验表明:对于两种结构形式的介质,一维冲击作用下,块体(测点)三向加速度幅值均随冲击能量提高近似线性增加。对于块系块体介质,块体三向加速度幅值随块体个数增加呈一阶指数衰减,并且衰减系数与冲击能量无关;冲击能量仅仅改变加速度波谱密度幅值,而对三向振动极值频率没有影响,并且块体越多,能量越大,块体振动波谱趋于低频波的趋势越强;通过对比试验结果和原位量测结论(关于μ波无量纲冲击能量判据,波速和振幅,波谱峰值频率等),证明了块系介质中出现的低频低速波就是μ波;通过对5种块系块体模型三向加速度频谱进行分析,证明其振动极值频率满足定量的规范序列关系(2~(1/2))i f 0,推广了原位测量试验结论。并且上述规律中,块体材料和尺寸效应不明显,而对于连续块体介质上述规律均不成立。最后,分别采用黏弹性夹层和刚性块体、集中质点以及弹性块体三种理论计算模型对冲击作用下块系块体运动参数进行分析,计算结果和试验曲线吻合较好,并讨论了夹层参数的敏感性。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅱ):冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验

深部岩体为具有块状层次结构的含能地质体,在冲击扰动通过块系岩体向前传播的振动过程中,极易诱发原先处于平衡状态的岩体的内应力释放,产生不可逆变形、岩爆、工程地震等工程灾害。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行不同初应力条件下冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验,获得冲击扰动诱发岩块不可逆位移、动力滑移失稳的关键力学机制、规律及充分必要条件。通过深入研究冲击扰动下初应力岩体运动的能量转化机制,推导得到了支配岩块运动规律的特征能量因子,给出了与不同规模的岩体破坏(不可逆位移、动力滑移失稳)相适应的特征能量因子阈值和判别准则。研究表明,基于特征能量因子的判别准则能较好的表征冲击扰动诱发岩块间不可逆位移和动力失稳的特征科学现象。     

基于简支梁模型的岩体超低摩擦效应理论分析

 考虑深部煤层开采情况,基于塑性动力学理论建立岩体超低摩擦效应简支梁模型,通过理论推导得到动载荷作用下顶板在弹性阶段和弹塑性阶段,岩层与顶板间接触界面法向应力解析表达式,分析动荷载P(t)作用下接触面法向应力与初始接触面法向应力的比值(q/p)与顶板位置参数 及时间t的关系曲线,据此得到岩体接触界面摩擦力变化规律,从塑性动力学角度解释岩体超低摩擦效应。研究结果表明：动载荷作用下,顶板在弹性和弹塑性状态,岩层与顶板间接触界面法向应力均有所降低,且降低幅度十分显著,即其接触界面摩擦力急剧下降,具有“摩擦消失”效应,这充分说明岩体超低摩擦效应的存在;比较弹性变形阶段与弹塑性变形阶段接触界面法向应力变化,前者降低幅度更大,说明顶板在弹性阶段岩层与顶板间接触界面更易发生超低摩擦效应。     

温–压耦合及动力扰动下岩石破碎的能量耗散

 采用自行研制的温–压耦合及动力扰动试验系统,在4个温度等级(20 ℃,100 ℃,200 ℃,300 ℃)且每个温度等级的试样分别施加0,20,60,80 MPa的轴向静压力,对砂岩试样进行冲击试验。基于常规的霍普金森杆压缩试验中的能量耗散原理,计算出不同温度作用下动静组合加载岩石试样的能量耗散规律。结果表明：当动载荷保持不变,岩样在温度为20 ℃,200 ℃和300 ℃且预压力为20 MPa时,能量吸收率最大;而岩石试样作用温度为100 ℃时,当冲击载荷不变,不加轴压(轴压为0 MPa)时的能量吸收率最大。研究结果有助于研究高温、高应力作用下岩石破碎机制,为研究高温作用下岩体工程起到一定的参考作用。     

不同卸荷应力路径下砂岩时滞变形破坏特征研究

地下工程中高地应力赋存环境下的脆硬性岩体在开挖卸荷过程中极易发生时滞型岩爆。通过开展不同卸荷应力路径下考虑围压卸荷速率及卸荷量影响的砂岩三轴时滞变形破坏试验及细观检测分析，探讨不同影响因素作用下的的砂岩时滞变形破坏特征。研究结果表明：不同卸荷应力路径下，时滞变形段总时间均随围压卸荷速率v₃先增大后减小，而随围压卸荷比V_σ则呈现持续减小的趋势，但升轴压卸围压条件下时滞变形段总时间显著大于恒轴压卸围压，结合试样宏观破坏特征可知，升轴压卸围压应力路径下试样时滞变形破坏程度更高。此外，利用SEM+EDS进行断面特征定量分析表明，不同影响因素作用下的断面矿物颗粒特征与时滞变形段总时间密切相关；最后，结合重整化群理论，建立基于logistics函数的分阶段损伤本构模型，并计算验证模型的合理性。研究结果对于时滞型岩爆的孕育机制研究具有一定的指导意义。     

围压作用下岩石冲击破坏与变形特性试验研究

采用φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了不同应力状态的砂岩在冲击荷载作用下的力学性能,分析了不同围压水平下砂岩破坏的变形过程与破坏形态.结果表明:围压水平对砂岩的破坏形态有较大的影响.单轴作用下砂岩为脆性压碎破坏,在围压作用下砂岩的破坏形态同单轴作用下砂岩的破坏形态有较大不同,体现出明显的塑性屈服,...     

三轴低频循环荷载下盐岩体积应变特性研究

地下储气库围岩长期处于复杂疲劳应力状态下,盐岩三轴循环荷载下的变形规律对储气库稳定性分析有参考价值。对8个盐岩试块进行了不同围压、不同应力水平和不同频率条件下的循环荷载试验。对每一试块施加恒定围压和轴向低频循环荷载。对试验参数进行了无量纲处理,分析了应力比强度(广义剪应力强度与球应力的比值)、应力比振幅、上限应力水平、荷载频率、循环次数(N)等对体积应变(?v)的影响。利用函数?v=?lg N+?v0,对每一试块的体积应变–循环次数曲线进行了拟合分析,获得了参数?和?v0随应力比振幅、上限应力水平和频率变化的数学表达式。标准化回归系数分析表明,上限应力水平是影响盐岩体积变形的主要因素,其次是应力比振幅。在高上限应力水平三轴状态下,盐岩主要表现出体积扩大现象。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

落石冲击作用下棚洞垫层动力响应的颗粒级配效应耦合数值模拟研究

落石冲击垫层的动态冲击力与冲击深度是棚洞结构设计的重要依据。级配作为垫层颗粒粒度分布的重要特征，决定了垫层各级粒径颗粒的分配情况，影响了落石冲击垫层的动态过程。为研究颗粒级配对落石冲击垫层动态响应的影响，采用离散元–有限差分耦合方法，其中离散元模拟颗粒垫层，有限差分法模拟棚洞混凝土结构。在垫层平均粒径相等的情况下，开展了落石冲击不同级配垫层的动力响应数值模拟研究，通过对落石冲击力、顶板中心压应力、落石冲击深度的分析，揭示了落石冲击颗粒垫层的动态响应机制。研究结果表明：颗粒间力链的稳定性决定了垫层受冲击后的动态响应特征；颗粒间的摩擦是冲击能量耗散的主要方式，耗能占比达70%～80%；对于单峰型级配，单峰对应的粒径越小，力链长度越长，稳定性越差。峰值粒径d_t=75 mm时的峰值冲击力为d_t=25 mm的1.9倍，顶板峰值压应力为其3.6倍；对于双峰型级配，双峰的距离越近，颗粒周围约束的数量越少，力链的稳定性越差。非均质系数H_e=0.65时的峰值冲击力比H_e=0.33时的大40%，顶板峰值压应力大30%，...     

层状复合岩体冲击动力学特性试验研究

为探究岩石工程中较为常见的层状复合岩体的动态力学性能,采用波阻抗差别较大的红砂岩和灰砂岩"拼接"成层状复合岩体试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,分别对灰砂岩靠近入射杆和红砂岩靠近入射杆2种情况进行不同冲击速度下的冲击压缩试验,对比研究应力波由硬入软和由软如硬2种情况下复合岩体应力波传播特征、动态应力–应变关系以及能量耗散规律。理论分析复合岩体的受力特征和强度条件,同时结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对复合岩体的破坏特征进行研究。研究结果表明:(1)复合岩体的动态力学特性及能量耗散规律均具有明显的应变率效应。(2)相同冲击速度下,受波阻抗匹配关系影响,应力波由硬入软和由软入硬时复合岩体动力学特性差异性明显。但是随着冲击速度的增大,两者之间的差异逐渐减小,趋于一致。(3)复合岩体两部分岩石破坏程度和破坏形式明显不同。波阻抗小的红砂岩破坏程度较波阻抗大的灰砂岩更为剧烈。红砂岩以剪切破坏为主,且交界层面处红砂岩后于其他区域红砂岩发生破坏;灰砂岩以张拉破坏为主,高速下产生局部剪切破坏,且交界层面处灰砂岩先于其他区域灰砂岩发生破坏。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(I)：一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明：一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验 与实证研究

冲击矿压造成煤矿巷道及开采空间的破坏,其主要原因是冲击震源产生的振动波传递并扰动处于极限应力状态的煤岩体而诱发能量的突然释放.微震监测技术通过反映煤岩体变形破裂释放的能量以及频谱特征而实现冲击矿压的监测预报,其前兆信息研究是识别冲击矿压危险程度的关键.利用TDS–6微震采集系统测试三河尖煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的微震信号,发现在循环加载的后期,冲击前兆微震信号的低频成分增加,频谱向低频段移动,振幅较低,而试样冲击破坏诱发主震信号的高频成分增多,且振幅达到最大值.现场冲击矿压监测表明,前兆微震信号频谱中低频成分增加,且振幅开始逐渐上升.当冲击矿压发生时,主震信号的振幅达到最大值,频谱相对于前兆信号而言,高频成分明显增多.由此,微震信号的频谱向低频段移动,且振幅逐渐增加可以作为冲击矿压发生的一个前兆信息,这一结论对于利用微震监测系统监测预报冲击矿压具有一定的借鉴意义.