单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征研究*

为研究单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征,运用伺服压力机、声发射系统对砂岩试样进行单轴压缩试验,结合声发射特征参数与应力时间关系,对砂岩试样变形失稳破坏过程进行分析,并在相同加载方式下分析不同裂纹角度对砂岩试样变形破坏特征的影响。结果表明:砂岩试样破坏过程按力学性质可分为压密、弹性变化、塑性变化及峰后残余4个阶段,预制裂纹对试样的峰值应力有显著降低作用;声发射信号可分为平静期、上升期、波动期3个阶段,信号与砂岩试样破坏过程存在良好对应关系,不同角度预制裂纹对应的声发射信号特征不同,平静期45°裂纹试样声发射事件相对较活跃,振铃累积率相对最高,0°裂纹试样最早进入声发射波动期;在相同加载方式下,声发射信号参数RA值受裂纹角度影响较大,可以利用声发射信号RA值的演化判断岩石材料中裂纹方向与荷载方向的关系。     

不同应力循环路径下砂岩的能量演化特征

为从能量角度探究砂岩在循环应力作用下的力学响应,开展10 MPa初始峰值应力逐级递增、80 MPa初始峰值应力逐级递增及恒定100 MPa峰值应力3种循环路径下的加卸载试验,结合应力应变曲线和能量计算结果,分析砂岩各项能量随循环次数和峰值应力的演化特征。结果表明：随循环次数和峰值应力增加,初始峰值应力80和100 MPa时滞回环仅在第2次循环时向应变增大方向明显迁移。不同应力循环路径下单位体积耗散能表现出不同的阶段性演化特征,分级循环加卸载时,砂岩各项能量值随峰值应力增加由二次函数向线性函数增长特征转变,而峰值应力恒定为100 MPa等幅度循环加卸载时,随循环次数增加,砂岩单位体积能和单位体积弹性能呈开口向下的二次函数趋势下降,单位体积耗散能呈指数趋势下降。不同应力区间内循环路径对砂岩的能量影响有较大差异,分级循环加卸载与单次加卸载相比,峰值应力为80 MPa时各项能量相差均小于10%,峰值应力为100 MPa时各项能量相差达到22.74%～62.58%。     

渗透压力作用下岩石三轴压缩过程变形特性分析

为研究渗透压力作用下岩石承载过程中的变形特性,采用GDS-VIS三轴流变仪对红砂岩开展渗透压力作用下的三轴压缩试验,研究各渗透压力作用下偏应力加载过程中岩石轴向应变、径向应变和变形模量的变化规律。结果表明:随渗压增大,岩石峰值应力减小,岩石破坏时对应的轴向应变的变化幅度较小,而径向应变的变化幅度则较大;随渗压增加,岩石对应的各承载阶段的变形模量相对减小,最大变形模量也出现不同程度的降低,同时最大变形模量对应的轴向应变有后移趋势;随偏应力增加,变形模量逐渐增大,并在弹性变形阶段后期出现最大值,整个过程中轴向应变逐渐增加,径向应变则在变形模量最大值出现后才明显增大,说明与轴向应变相比径向应变更能够反映出岩石承载过程变形模量的减小和强度的降低。研究结果为探讨类似岩石渗透压力作用下的变形和强度特性提供参考。     

煤层露头火区上覆岩层热破坏力学特性试验研究

为了研究温度载荷作用下煤层露头火区上覆岩层受热破坏特性,揭示上覆岩层的强度和变形特征随温度的变化规律。采用MTS8 15.02电液伺服岩石力学试验系统和NM-4A型非金属超声检测分析仪,对岩样进行了25~600℃加温加载试验。试验得出了不同温度条件下岩样受热破坏特征和纵波波速变化规律。结果表明,随温度升高,岩样纵波波速逐渐减小,600℃时砂岩X、Y、Z 3个方向的纵波波速下降了48.54%。高温对岩样的强度有一定的弱化作用,其峰值应力随温度升高而降低,600℃时岩样强度降幅达47.1%。岩样的峰值应变随温度升高而逐渐增大,400℃时峰值应变增大了55.6%,600℃时峰值应变增大了60.9%。随温度升高,砂岩的弹性模量、变形模量均减小,400℃时弹性模量降幅达13.5%,600℃时弹性模量降幅达59.6%。这表明在大面积高温火区的作用下,煤层露头火区上覆岩层产生大量漏风裂隙,热风压增大,致使高温煤体上部空气通过裂隙发生自然对流,从而维持煤体附近一定浓度的氧气。     

三轴加载条件下层理煤体的力学特性和破坏机制研究

为了探究围压和层理角度对煤体力学特性、变形破坏特征的影响,对不同层理角度煤样开展不同围压下的三轴加载破坏试验,并利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行研究。研究结果表明：煤样峰值偏应力随围压增大的平均增幅随α的增大呈“V”型分布,0°煤样平均增幅最大为14.51%,45°煤样最小为6.72%;随着围压增大,0°和90°煤样的峰值应变不断增大,45°煤样的峰值应变逐渐减小;围压增大使得煤样由局部破坏向整体性破坏转变,破碎程度显著增加;利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行分析发现：煤样的内摩擦角和黏聚力随层理角度增大先减小后增大;煤体在一定角度范围内沿结构面发生剪切破坏,超出这个范围产生复合破坏形式,逐渐趋向于完整岩石破坏。研究结果可为矿井围岩监测提供一定的参考和依据。     

温度变化对煤系砂质泥岩三轴压缩力学特性的影响

为分析温度对煤系砂质泥岩力学参数的影响,利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱,对煤系砂质泥岩在25~55℃下三轴压缩试验的力学特性进行了研究。结果表明,在试验温度范围内不同温度下煤系砂质泥岩的力学特性有一定程度的差异。随温度升高,峰值应力整体上呈降低趋势;峰值应变在20~40℃逐渐增大,在40~55℃减小;弹性模量随温度升高,在20~35℃逐渐减小,在35~55℃逐渐增大;变形模量随温度升高,在20~45℃逐渐减小,在45~55℃逐渐增大。     

基于不同强度等级混凝土的动力学特性研究

基于TAW-2000D电液伺服岩石三轴仪和直径75 mm的霍普金森压杆试验装置,得到了C25,C35和C45混凝土在静、动载荷作用下的应力-应变曲线,探讨了混凝土强度等级、动态峰值强度、峰值应变和应变率之间的变化规律。结果表明:混凝土准静态应力-应变曲线和动态应力-应变曲线在形态上存在明显差异,动态应力-应变曲线的峰值点随应变率的增大向右上方移动,线弹性阶段各曲线斜率变化不明显;动态峰值应力、动态弹性模量和峰值应变均存在不同程度的率相关性,并且混凝土材料的应变率敏感性随其强度等级的提高而增强;混凝土C45的各力学指标对应变率的敏感性最强,C35次之,C25的应变率敏感性最弱;推导了应变率与强度等级和冲击速率之间的经验公式,三者之间存在非线性变化规律。     

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析北大核心CSCD

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。     

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过 RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。     

煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响研究

为研究煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响,模拟分析不同条件(埋藏深度、煤层厚度和煤体强度)下的应力、瓦斯压力和煤体塑性变形区的分布及变化。结果表明,随埋藏深度的增加,工作面前方应力峰值及应力梯度、瓦斯压力梯度、塑性变形区及塑性应变量等随之增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越高;随煤层厚度的增加,工作面应力峰值、应力梯度逐渐减小,出现应力峰值的位置越远离工作面,瓦斯卸压带、瓦斯排放带、塑性变形区越逐渐增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越小;随煤体强度的升高,工作面前方应力梯度、瓦斯压力梯度随之增大,塑性变形区和塑性应变值随之减小,煤与瓦斯突出危险性越来越小。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

单轴压缩下中部锁固岩桥变形破坏模式及演化机制研究

为了探究锁固岩桥破坏模式及演化机制,通过在完整试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,采用物理试验和RFPA2D数值模拟方法,研究不同锁固岩桥角度试样破坏模式及裂隙扩展演化机制的影响规律,并利用断裂力学理论分析岩桥裂隙扩展机理。研究结果表明:利用数字图像技术,从定量角度分析裂隙扩展类型,得出试验试样最终破坏是由前期损伤不断积累所导致的结果;锁固段岩桥角度α对锁固段的破坏有重要影响,当α≤90°时,锁固岩桥段发生张拉贯通破坏;当90°＜α＜120°时,锁固岩桥段发生张拉剪切贯通破坏;当α≥120°时,锁固岩桥段并没有发生贯通破坏。最终得出3种试样破坏模式:下部裂隙张拉扩展,贯通中部岩桥;上下部裂隙同时张拉扩展,剪切贯通中部岩桥;下部裂隙张拉扩展,贯通试样上端面,中部岩桥没有发生破坏。     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明：饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

前伏不同角度富水溶洞下节理隧道最小防突层厚度研究*

为研究前伏不同角度富水溶洞下节理隧道最小防突层厚度,基于断裂力学和弹性力学理论,分析节理裂隙在开挖扰动和岩溶水压共同作用下的扩展起裂机理,建立隧道围岩节理翼裂纹扩展模型,将防突层厚度分为扰动带厚度和节理带厚度,提出含节理隧道掌子面最小防突层厚度计算方法;根据算例分析不同方位溶洞下节理长度、节理倾角、掌子面开挖大小等参数对最小防突层厚度的影响规律。结果表明:掌子面最小防突层厚度随溶洞方位角增大先增大后减小,在方位角为30°时出现峰值;防突层厚度受节理几何特征影响明显,防突层厚度随节理长度增大而增大,防突层厚度随节理倾角增大先增大,在达到峰值厚度后开始减小;溶洞方位角超过25°时,开挖半径对最小防突层厚度影响显著。该结论对岩溶地区的节理隧道开挖安全施工具有参考意义。     

轴向单缝偏心药柱爆破效应模型试验研究

为了探究轴向单缝偏心药柱在掏槽爆破中爆炸应力波传播规律和裂纹扩展情况,采用水泥砂浆模型试块开展模型爆破试验,采用超动态应变测试系统对爆炸应力场进行测量。结果表明:在相同爆心距下,背对切缝侧A测点仅为正对切缝侧B测点峰值应力的73.82%;一定角度范围内,峰值应力随偏转角度的增大而减小,偏转角度为0°时峰值应力最大,偏转角度为60°处峰值应力是偏转角度为30°处的74.39%,峰值应力在0°到60°范围内最大衰减达到32.74%;正对切缝方向产生一条贯通炮孔的主裂纹,裂纹发育优于其他方向,且切缝方向没有明显的细小裂纹,这表明轴向单缝偏心药柱具有良好的定向断裂能力。     

不同应力场条件下巷道稳定性研究

为了确定不同应力场（σH型、σHv型和σv型应力场）下巷道围岩的稳定性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,通过对巷道围岩的应力和塑性区分布特征的分析,综合评价不同巷道布置方向巷道围岩的稳定性。研究结果表明:σH型和σHv型应力场,巷道与最大水平主应力夹角在0°～40°水平应力峰值处于较低的应力状态,夹角在50°～90°水平应力峰值处于较高的应力状态应力,夹角在40°～50°水平应力峰值急剧上升;σv型应力场,水平应力峰值呈缓慢上升趋势;确定巷道的最佳布置方位与理论分析相一致。以常村矿为应用实例,进一步验证了结论的正确性,为矿井合理的巷道布置提供了理论依据。     

基于紧凑拉伸试验的含缺陷燃气管疲劳寿命预测分析

为分析预测含缺陷燃气管道的疲劳寿命,实现燃气管道分类分级监测和维护。在理论分析含缺陷管道疲劳寿命预测模型的基础上,通过MTS电液伺服疲劳试验机测试获得同一应力比下4种不同应力强度因子的疲劳裂纹扩展速率,进而构建含缺陷燃气管道疲劳寿命的实用模型。以安徽淮南天然气二气源管道工程实际参数为例,预测分析类似条件下含缺陷燃气管道的疲劳寿命,为燃气管道监测维护与分类分级管理提供可靠依据。结果表明:管道的疲劳寿命与裂纹深度变化近似成线性关系,与内压幅值变化近似成指数为负的幂函数关系,且管道输送压力变化幅值不应超过1.5 MPa。     

疏松砂岩油气藏出砂风险及机理离散元分析*

为了进一步了解疏松砂岩储层开发过程中的出砂机理,基于PFC3D平台构建离散元模型用于分析疏松砂岩储层出砂风险,探究生产压差等因素对地层出砂的影响。结果表明:较高生产压差下地层流体流速较快,流体对砂粒的拖曳力较大,出砂较严重,生产压差为4.5 MPa时出砂量比3.0,1.5 MPa分别高34.86%和75.45%;地层流体黏度的升高会降低其对砂粒的拖曳,一定程度上减弱出砂程度,流体黏度在1 000 mPa·s时出砂量比100,10 mPa·s下分别低42.50%和54.27%;较大地应力差异条件下砂粒间相互作用较强,砂粒更易脱离岩石骨架而出砂,地应力差异系数为1.75时出砂量是1.25时的2.51倍;另外,内聚力较低的储层砂粒间黏聚力较低,相同生产条件下更易出砂。研究结果可用于预测疏松砂岩储层出砂及定制防砂方案。     

加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征

为了探究真三轴复杂应力变化条件下岩石强度及破坏模式,通过真三轴卸荷扰动测试系统对砂岩试件进行不同第二主应力加卸荷试验,讨论在加卸荷过程中岩石的力学特性及声发射特征。试验结果表明:第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果;不同第二主应力加卸荷声发射能量及累计振铃计数变化趋势大体一致,耗散能量比在载荷达到岩石损伤强度时突增;声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落,声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆;在低载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育,在达到岩石损伤强度后岩石中的活动主要是裂纹贯通形成破裂面,砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合。