冻融循环作用下受荷砂岩的能量演化与破碎分形特征*

为研究冻融循环作用对岩石力学特性的影响,对砂岩试件依次进行冻融循环处理、单轴压缩实验以及筛分实验,分析不同冻融循环次数下砂岩试件加载过程中的能量演化、分配规律以及破坏后碎屑尺度分布的分形特征,并讨论冻融循环作用的影响效应。结果表明:随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度和弹性模量均呈指数衰减的趋势,峰值应力点对应的耗散应变能及其与总能量比值表现出类似的变化规律。这些试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,分形维数在2.50~2.61之间。数据拟合进一步表明冻融循环作用下耗散应变能与分形维数之间呈显著的线性正相关关系,这是因为冻融循环次数越大使得砂岩试件的抗压强度越小,破坏所需的耗散应变能越小,试件破碎程度越不严重,导致相应的分形维数越小。     

岩桥破坏全过程分形特征研究

为定量研究边坡岩桥破坏全过程特征,对岩桥试件进行单轴压缩试验,采用盒维数法计算加载过程中裂纹扩展路径的破裂分形维数,基于应力-应变曲线和破裂分形维数量化表征岩桥破裂演化特征,论证了试验结果与实际边坡岩桥破坏过程的相似性;而后,对试件碎屑进行筛分试验,引入破碎分形维数定量描述其破碎特征;最后讨论了这2种分形维数之间的关系。结果表明:1)岩桥试件的应力-应变曲线呈现出"峰后回升"特征; 2)破裂演化过程中产生的新生裂纹具有形态上的自相似性,即分形特征,破裂分形维数与应变之间服从双曲线关系; 3)岩桥试件破坏后的碎屑尺寸分布具有分形特征,破碎分形维数变化范围在2. 60～2. 67之间; 4)数据拟合表明,岩桥试件最终破坏状态的破裂分形维数与破碎分形维数之间呈线性正相关关系,这是因为试件的裂纹萌生、扩展和贯通与破碎特征紧密相关,属于因果关系。     

CO_2致裂对煤孔隙吸解特性与分形特征影响研究

煤与瓦斯突出煤层普遍具有瓦斯含量高、渗透率低的特点,为了消除煤与瓦斯突出,采用CO_2致裂的方法,在贵州大运煤矿取样,开展低温氮吸附试验对比致裂前后煤的微观孔隙变化。采用静态容量法比表面及孔径分析仪测试CO_2致裂前后孔径范围在3～200 nm之间煤样,并运用FHH分形理论定量描述CO_2致裂对煤岩孔隙内表面作用过程。结果表明:CO_2致裂在3 m范围内对煤层的孔隙结构有显著影响,致裂后的煤样比表面积与最可几孔直径均明显减少,同时平均孔直径与孔容明显增加;致裂对微孔破坏效果显著,致裂后微孔数量降低一个数量级,降幅最高达到83. 93%;原煤的分形维数由2. 705 93降低到致裂后最低2. 553 78,说明贵州煤层孔隙表面复杂粗糙,利用CO_2致裂能使煤层孔隙表面趋于光滑;比表面积与分形维数具有正相关关系。     

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。     

围压卸荷条件下砂岩损伤与动态破碎特性研究

为研究深部高应力岩体开挖卸荷对围岩的影响,运用自制的带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆(SHPB)设备,开展不同速度围压卸荷试验。结合围压卸荷过程砂岩试样声发射特性及动态加载后试样破碎块度分维特性,分析围压卸荷速率对试样损伤的影响。试验结果表明:当卸荷速率在0.5～10 MPa/s范围内变化时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数随围压卸荷速率增大而增大;但当卸荷速率增大到200 MPa/s时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数反而减小。在一定范围内提高围压卸荷速率,有助于提高砂岩试样裂隙发育及损伤程度。     

双向不等围压煤岩破坏能量演化机理与能量强度准则

结合室内单轴试验和颗粒流与Fish语言程序对杨村矿煤岩进行了不同围压组合试验,研究双向不等围压煤岩的强度、能量演化机制,并基于能量原理导出能量强度准则。结果表明:随围压比增大,煤岩屈服段对应应变幅宽先增后减,峰后软化段应力降明显,残余强度减小;可释放弹性应变能随应变增加在峰值前不断增大,但增速越来越小,峰后初期快速减小,然后保持较低水平;随围压比增大,煤岩在较大轴向应变下出现内部损伤,高围压比下峰前一定应变范围吸收的能量全部用于内部损伤裂隙形成和扩展所需的表面能,揭示了高围压比要比低围压比煤岩破坏时内部损伤程度严重;高围压比煤岩在较大第一、第二主应力作用下峰后弹性应变能释放更加容易;煤岩弹性储能极限与围压比存在线性变化规律,将弹性储能极限与能量演化结合导出能量强度准则,准则方程包含岩性常数和3个主应力,考虑了岩石破坏的综合因素,计算精度比Hoek-Brown准则和Drucker-Prager准则更具优势,能很好地表达岩石强度特性。     

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。     

二氧化碳致裂对煤岩孔隙表面分形特征影响实验研究

为了探究二氧化碳致裂对贵州高瓦斯低渗透煤层的孔隙致裂增透作用,提出了应用低温氮吸附与FHH模型相结合的方法,分析致裂前后煤样的微观孔隙特征变化,并将分形维数与孔隙特征参数结合。研究结果表明:二氧化碳致裂对煤的孔隙具有明显的作用效果,致裂后煤岩体中微孔含量、比表面积减少,而孔容、平均孔直径增加;致裂作用会使煤的分形维数减小,孔隙表面受致裂效果会趋于光滑;受二氧化碳致裂作用,分形维数的大小与平均孔直径、孔容和吸附量等存在负相关关系,与比表面积、微孔含量等呈正相关关系。     

粒径损伤对原生煤和构造煤孔隙结构与分形特征的影响*

为了分析构造煤与原生煤因孔隙结构不同而导致的内部瓦斯存储和运移所存在的差异性。结合低温液氮实验,分析2种煤样的孔隙特征参数与分形维数之间的关系,发现破碎作用对原生煤和构造煤孔隙的破坏路径略有区别。对于原生煤,破碎作用先作用于较大孔隙,之后对微孔产生影响;而对于构造煤,破碎作用直接对较大孔隙和微孔隙产生影响。研究结果表明:原生煤孔隙表面越粗糙、微孔比表面积越大,吸附能力越强;构造煤孔隙结构越复杂、微孔孔容越大,吸附能力越强。研究结果可为构造煤与瓦斯突出的防治提供研究基础。     

考虑分形效应的煤岩损伤模型及渗透率模型

为探索煤岩失稳破坏过程中损伤演化和渗透率演化规律,用分形维数表征损伤演化,研究煤岩损伤破坏过程中渗透特性。基于孔裂隙的体积分形维数与应力关系,推导出分形维数表征的Weibull分布参数,利用煤岩孔裂隙的分形维数和孔隙率的关系,求解煤岩裂隙随有效应力的变化量γ;根据Mohr-Coulomb准则和Poiseuille定律,分别构建考虑分形效应的煤岩损伤本构模型和煤岩渗透率模型,分析损伤和渗透率的联动关系。结果表明:峰值应力前,孔裂隙体积分形维数与轴向应力和应变均成线性关系;随着有效应力的增大,煤岩孔隙率增大,煤岩渗透率先平缓增大后急剧增大;同一应力点下的渗透率随ln(1/r)的增大而增大;所建立的煤岩损伤本构模型和渗透率模型,与试验结果均有较高的吻合度。     

贵州六盘水矿区煤岩孔隙发育程度及渗透率演化规律研究

为探究煤岩孔隙结构与渗透特性的内在关系,以贵州六盘水3个矿区煤岩为研究对象,利用ASAP2020型比表面微孔分析仪和自主研制的含瓦斯煤三轴渗流装置,研究了其内部孔隙发育情况,并进行了不同孔隙压力下的三轴渗流试验。采用FHH表面分形计算分形维数,建立考虑分形维数的渗透率模型,通过试验结果与模型对比验证其合理性。结果表明:1)煤岩的吸附等温线具有Ⅳ型等温吸附线的特征,四角田煤矿7#煤层微孔到大孔均发育较好,松河煤矿3#煤层存在大量的"墨水瓶"形微孔,木冲沟煤矿8#煤层微孔和中孔较为发育; 2)煤样FHH分形维数介于2.4～2.8,与孔容、平均孔径和孔隙率均呈负相关关系,煤岩孔体积变化在20～40 nm阶段最为明显,累计孔隙容积迅速增加,煤层具有大量的微孔和过渡孔,孔隙发育良好; 3)煤岩渗透率均随孔隙压力升高而降低,四角田煤矿7#煤岩渗透率最大; 4)模型曲线与试验值吻合度较高,能很好地反映孔隙压力与渗透率的变化关系。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...     

基于胶结系数岩石强化的蠕变控制模型

深部巷道围岩破碎、注浆模式复杂、流变特性显著。探索破碎岩体胶结模式及蠕变控制模型,将利于深部巷道围岩稳定。通过对大理岩和粗砂岩进行取样—劈裂—蠕变—胶结4个步骤的制样,在RLW-2000型三轴流变仪上,对大理岩和粗砂岩2组试样进行损伤胶结强化蠕变试验,分析损伤岩石劈裂胶结强化后的基本蠕变特性,确定劈裂岩石胶结基本模式,推导基本劈裂岩石胶结强化的蠕变本构模型,并进行反演对比分析。结果表明:随着蠕变应力水平提高,大理岩蠕变应变呈缓慢增加—加速增加—急速增加过程,而粗砂岩蠕变应变呈减小—稳定—增加过程,均表现为试样裂隙的持续压密、扩展与贯通失稳;胶结岩石的胶结形态分为紧缝胶结与厚度胶结2种模式,紧缝胶结优于厚度胶结;厚度胶结的胶结厚度越大,胶结岩石体强度越大,但增幅呈衰减趋势;推导M-K-B本构模型符合胶结岩石蠕变基本特性;在同一蠕变应力水平下,随着胶结系数提高,胶结岩石蠕变应变减小,但减幅变小。     

两条粗糙平行节理表面形貌对应力波能耗的影响研究

基于图形图像学与分形几何交叉学科理论,提出了一种用于描述节理面形貌的新方法—YUV维数法,该方法可替代传统分形维数且有其优势。在此基础上,通过对含两条粗糙平行节理岩石的SHPB试验,探讨了两条节理面形貌（以YUV维数描述）对应力波能耗的影响规律。研究结果表明:YUV维数法是一种新型表面描述方法,相对传统自相似图像维数有其优势;当两条节理YUV维数或节理YUV维数之和增大时,节理能耗值随之增加。出现上述现象的机理是:当节理面YUV维数增大时,岩石节理刚度相应减小,导致应力波穿越节理的能力降低,造成应力波能量耗散值增大。另外,能耗与YUV维数间呈现一种非线性关系,这种非线性关系是由节理的非线性变形所引发。为了工程应用之目的,同时给出了能耗与两条节理YUV维数间的二元函数关系。     

热-水-力耦合作用下岩石损伤力学模型与验证

为了探讨高温、高孔隙水压、高围压对岩石损伤破坏的影响,基于损伤力学基本理论,并结合应变等价性原理,建立热-水-力耦合作用下的损伤力学模型,构建表征岩石损伤演化的表达式,通过水-力耦合作用下热损伤花岗岩室内试验验证了该模型的合理性,并根据室内试验确定了模型参数。试验结果表明:提出的模型能较好地反映热-水-力耦合作用下岩石应力-应变过程,且能表征上述作用下岩石损伤演化规律;高温损伤会导致岩石由脆性逐渐向延性转变,而孔隙水压会进一步加剧岩石损伤演化。     

基于颗粒流数值方法的岩石压剪破坏细观特征研究

压剪破坏是影响岩体工程安全的主要因素,基于颗粒流程序的伺服控制原理,采用等效晶质模型模拟了粉砂质板岩的压剪破坏过程,通过与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石在压剪过程中的破坏机理。结果表明:裂纹增长速率与试件压剪过程中经历的弹性、塑性和破坏3个阶段具有相关性;张拉、剪切裂纹呈同步增长趋势,但峰后张拉裂纹增长速率快于剪切裂纹,即试件峰后以张拉破坏为主;随剪切角增大,由沿晶和穿晶断裂向以沿晶断裂为主转变,裂纹数量减小且扩展方向向断裂面集中;穿晶断裂的扩展更容易导致局部失稳,即在宏观上表现为塑性阶段;穿晶裂纹主要沿断裂面扩展、贯通,一定程度上可以抑制断裂面附近较大破裂块体的产生。     

脆性岩石微裂纹压密段本构模型研究

为准确掌握脆性岩石在荷载作用下的应力-应变关系,从岩石单裂隙出发,引入自然应变的概念,建立了物理意义明确的脆性岩石微裂纹压密段本构模型,并将其简化后与线弹性阶段的本构模型进行统一。通过热-力耦合室内试验确定了模型参数,试验结果验证表明:模型能够描述不同热处理温度、不同围压下花岗岩的压密段、线弹性段试验结果,对于脆性岩石的高温劣化性和围压对压密段的抑制作用也有很好的呈现,对深入掌握脆性岩石的强度规律具有一定的指导意义。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学特性及能量特征的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,进行了含瓦斯煤固定轴向压力、卸围压的渗流试验,研究了卸围压过程中瓦斯压力对煤样力学特性和能量特征的影响。结果表明:在轴压加载阶段,煤样的变形模量基本不变,泊松比逐渐减小;在定轴压卸围压阶段,煤样的变形模量先小幅度增加,然后逐渐减小,泊松比则逐渐增大。瓦斯压力越高,煤样的承载能力越低,煤样发生破坏时相应的轴向应变和围压卸荷量百分比越小,而煤样破坏时的径向变形和扩容量越大。各应变围压柔量Δεi与瓦斯压力呈线性关系且线性相关性良好。随瓦斯压力升高,轴向应变的围压敏感性降低,径向应变和体积应变的围压敏感性显著升高。随瓦斯压力升高,煤样发生破坏时存储的弹性应变能Ue减小,而总能量U、耗散能Ud和耗散能比例Ud/U都增大。     

化学腐蚀-冻融条件下加载岩石能量演化规律及耗散模型研究*

为研究在化学腐蚀和冻融循环复合作用下岩石的能量演化规律,以大理岩为研究对象,分析冻融腐蚀岩样能量演化过程,建立与强度衰减参数、pH、冻融次数相关的能量耗散模型,以期为长期服役岩石力学工程安全稳定性评价提供理论支持。研究结果表明:化学腐蚀冻融复合作用下,腐蚀孔隙为水增加了入渗通道,冻胀裂隙同时也为腐蚀溶液提供了贯穿的通道,加剧了岩石内部结构的崩解与裂隙扩展贯通;相同冻融循环次数下,HNO3溶液中的腐蚀岩石弹性模量降幅最高,NaCl溶液次之,NaOH溶液最低;腐蚀岩石弹性应变能的吸收和耗散能的释放,随着冻融循环次数的增大而减小;建立的能量耗散模型对于岩石峰后阶段耗散能具有较高的准确性,能较好地模拟岩石峰后能量转化特征。     

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。