厚度效应对含瓦斯复合煤岩体力学特性及破坏形式的影响

为了解厚度效应对复合煤岩体的影响,考虑了瓦斯及顶底部砂岩的作用,通过改变原煤与顶底部砂岩的厚度配比,运用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,研究了厚度效应对复合煤岩体的力学特性及破坏形式的影响。结果表明,复合煤岩体的三轴应力应变曲线与全煤样有很好的一致性,其三轴抗压强度较原煤有一定程度的增强;顶部砂岩与原煤厚度比落入1.00~1.20极值区间的复合煤岩体,易出现三轴抗压强度极值,且远离极值厚度比的三轴抗压强度均有不同程度下降;当厚度比接近1.00时,易出现峰值体积应变。当体积应变接近时,厚度比落入极值区间内的煤岩体强度较大。复合煤岩体的破坏以单斜面剪切破坏为主,且大部分为非完全破坏;中部原煤会产生多种形式的破坏,厚度比落入极值区间内的复合煤岩体,其煤体破坏以单斜面裂隙或垂直裂隙形式破坏,且三轴抗压强度要高于其他裂隙形式破坏。     

障碍物在分岔附近对瓦斯爆炸压力影响的实验研究*

为研究置障条件下不同分岔角度管道中瓦斯爆炸压力变化规律，采用长15 m、截面为160 mm×100 mm的矩形和直径160 mm的半圆形组成的拱形模拟巷道，通过改变分岔角附近障碍物的形状与阻塞比，研究瓦斯爆炸在30~45°与30~60°双分岔管道分岔角附近的压力变化规律。结果表明:瓦斯爆炸在30~45°和30~60°双分岔管道中，分岔角后2支管压力均有所增大，且45°和60°支管中压力变化较30°支管更加明显；障碍物位于30°分岔角后，当阻塞比为0.4时，障碍物形状对2~4测点爆炸压力的影响均表现为矩形最大，拱形次之，圆形最小；管道中矩形障碍物对2,3测点爆炸压力的影响随阻塞比增加而增大，对测点4爆炸压力的影响则随阻塞比的增加而减小；设置矩形障碍物时，30~45°双分岔管道中2,3测点的压力增幅大于30~60°双分岔管道，且压力增幅随阻塞比增加而增大，而测点4的表现则相反，30~60°双分岔管道大于30~45°双分岔管道，且压力增幅随阻塞比增加而减小。     

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。     

孔隙水作用下深埋硐室稳定性分析及破坏机制

为获得孔隙水作用下深埋硐室的围岩压力及其潜在破坏面，将Hoek-Brown破坏准则和极限分析定理结合，改进传统的深埋硐室“楔形体”破坏机制，并将孔隙水作用考虑到优化的深埋硐室围岩稳定性计算模型中；然后根据虚功率原理推导出孔隙水作用下深埋硐室围岩压力解析解，通过序列二次规划(SQP)算法优化得到围岩压力上限解以及拱顶、拱肩破坏范围。研究表明：Hoek-Brown准则参数中地质强度指数(GSI)、岩体常数、岩体单轴抗压强度增大时围岩压力减小，硐室的潜在塌落范围也减小，而扰动因子、岩体容重和硐室直径的增大会对硐室的稳定性产生不利影响。此外，孔隙水压力系数增大时围岩压力和塌落范围也不断增大，且随着水位线高度的增加，影响程度越加明显。     

圆拱形缺陷对砂岩力学特征影响的试验研究

为研究含圆拱形预制缺陷砂岩的力学特征,在板状黄砂岩试样内预制了不同α值的圆拱形缺陷。采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统和数字照相采集系统研究了不同圆拱形缺陷倾角α对黄砂岩力学特征和破坏模式的影响规律。研究结果表明:试样峰值强度、平均模量和割线模量随着α的增大呈先减小后增大再减小趋势,α=30°试样峰值强度和峰值应变均最小,α=75°试样峰值强度和应变均达到最大;预制圆拱形缺陷α对试样起裂应力、起裂位置和破坏模式均具有重要影响,随着α值的增大,试样起裂应力总体呈先减小后增大再减小趋势,当α=30°时,试样的平均起裂应力最小,其值为10.90 MPa;当α=75°时,试样的平均起裂应力最大,其值为18.91 MPa。     

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。     

地震作用下某露天砂岩矿边坡稳定性分析

针对川西南地区地震频发的特点，以某砂岩矿均质边坡为工程背景，在该矿区进行实地取样，开展室内单轴抗压强度试验，采用适合小样本数据的Bootstrape法确定岩体强度；利用有限差分软件分析该砂岩矿边坡在单向水平地震作用下的动力响应规律，采用强度折减动力分析法分析不同折减系数下的塑性区分布状态、关键点位移的变化趋势以综合判断边坡的稳定性，得到在3种地震波形下的边坡稳定性系数。结果表明，在同一震级下，采用强度折减动力分析法所得到的稳定性系数较拟静力法增大12%。研究结果可为类似边坡工程地震工况下的稳定性分析提供参考借鉴。     

圆锥形喷嘴出口直径对水射流冲击动力特性的影响研究*

为探讨喷嘴结构对水射流冲击动力特性的影响,以圆锥形喷嘴为研究对象,基于COMSOL数值模拟软件,建立不同出口直径的圆锥形喷嘴模型,研究出口直径对水射流冲击动力特性的影响。研究结果表明:圆锥形喷嘴水射流冲击煤岩体过程中,不同喷嘴出口直径下水射流流场分布特征相似,整个流场可分为集中区、发散区、回流区和卷吸区4个区域,随喷嘴出口直径增大,卷吸区逐渐消失,其余3个区域分布也明显减弱;煤岩体应力分布可分为中心应力集中区和两侧应力集中区,随喷嘴出口直径不断增大,中心应力集中区与两侧应力集中区的范围逐渐减小,当喷嘴出口直径为6 mm时,两侧应力集中区基本消失;主体段入口速度恒定条件下,圆锥形喷嘴优选以2~3 mm出口直径为宜,此时水射流冲击煤岩体效果较佳,且不会对喷嘴产生结构破坏。     

弱胶结软岩巷道高分子改性树脂注浆加固技术研究*

为解决弱胶结软岩胶结性差、力学强度低、遇水易软化带来的巷道围岩变形量大的问题，以王洼二矿为例，结合试验巷道围岩条件和注浆加固支护技术特点，提出高分子改性树脂注浆加固方案；并采用室内注浆加固体力学性能试验验证方案的可行性。结果表明:现场围岩单轴抗压强度平均值22.74 MPa、抗拉强度平均值0.674 MPa，高分子改性树脂注浆材料对围岩加固体单轴抗压强度影响不大，但加固体抗拉强度平均值3.07 MPa，相比原岩抗拉强度提高355.5%；现场试验顶板、两帮围岩变形量由之前的大变形逐渐控制在100 mm以内，注浆后30 d基本趋于稳定。研究结果对软岩巷道支护设计和施工具有一定的实际指导意义。     

隧道与横通道交叉角对火灾烟气蔓延影响机制研究

为探索隧道与横通道交叉角对火灾烟气蔓延的影响机制，采用FDS数值模拟，研究横通道与隧道不同交叉角情况下火灾烟气温度、浓度、烟气层高度等的变化规律，建立开启火源下风向横通道时隧道内烟气最高温度修正公式，提出烟气纵向蔓延恢复长度的概念，并探讨其影响规律。 结果表明:隧道和横通道交叉角越小，隧道内同一位置烟气层高度越高，当交叉角由90°降低到30°时，烟气层高度最大增加32%；烟气纵向蔓延恢复长度与交叉角及通风速率呈正相关，而与火源功率几乎无关。研究结果对隧道通风排烟系统设计及相关标准的制定具有参考意义。     

主、次裂隙对岩石变形破坏机制的影响研究

为研究主、次裂隙在近似T型分布下对岩石变形破坏机制的影响,基于含主、次裂隙类岩石试件的单轴压缩试验及线弹性断裂力学理论,研究了轴向压缩下由夹角变化引起裂隙岩石中主、次裂隙应力场的变化规律,并进一步探究了其对岩石强度与变形特征的影响。研究结果表明:次裂隙的存在对单一裂隙试件的强度特征有明显影响,含次裂隙试件强度降至单一裂隙试件的30.2%~47.5%;裂隙夹角由30°增加至60°时引起主裂隙相交节点两侧剪应力方向由同向转变为异向,由应力的叠加转变为应力的抵消,对裂隙岩石的破坏过程产生抑制作用,从而增强岩石的峰值强度;相较于裂隙间应力场的相互影响,新增裂隙数量所增加的能量消耗引起的强度特征变化更为显著。     

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。     

不同组合比例煤岩的电荷感应与微震规律试验研究

针对煤岩在屈服破坏过程中有微震和电荷信号产生这一特征,利用自行设计的微震和电荷感应信号监测试验系统,分析不同组合比例煤岩在变形破裂过程中微震和电荷信号的变化规律。研究结果表明:微震和电荷信号是低频信号,信号频谱集中分布在0~80 Hz,应力突变与微震信号和电荷信号的产生及变化有较好的一致性;随着“煤-岩”高度比的增加,试样的单轴抗压强度减小,试样屈服破裂时微震和电荷信号幅值增大,同步性增强,试件破坏的突发性增强;试件破坏过程中电荷比微震信号数更多,初次明显的电荷信号也早于初次明显的微震信号。     

构造煤分层对煤单轴压缩力学特性影响的颗粒流模拟

为了研究构造煤分层对煤的力学特性影响程度，采用颗粒流数值模拟方法研究不同赋存参数的构造煤分层对煤的单轴压缩力学特性的影响规律，从受荷后的裂纹分布和试样破坏形式2个方面分析试样压缩过程中细观力学响应机制。研究结果表明:构造煤分层厚度和倾角是影响煤的单轴压缩力学特性的重要参数，其中倾角主要影响内部裂纹的类型和分布，构造煤厚度主要影响煤的单轴抗压强度；单轴压缩下煤的破坏类型主要包括沿交界面的层裂破坏、拉伸破坏和复合破坏3种类型，构造煤分层倾角较小时，更容易由于构造煤挤出效应导致的失去承载能力，随倾角增大，挤出效应减弱，单轴抗压强度有增大趋势。     

冻融影响下不同岩性岩石物理力学特性试验研究*

为探究冻融循环影响下不同岩性岩石的物理力学性质的差异化响应,对青砂岩、灰砂岩2种砂岩,白色大理岩、麻粒岩2种变质岩开展冻融循环试验和相关力学试验。研究结果表明:在冻融循环过程中,2种砂岩的质量变化幅度明显高于2种变质岩。相较于青砂岩与麻粒岩,大理岩的单轴压缩强度及弹性模量劣化速率最快。冻融前后青砂岩、大理岩的单轴压缩破坏模式发生明显变化。灰砂岩抗拉强度劣化速率显著低于青砂岩。基于单轴抗压强度、抗拉强度的脆性指数表明冻融作用提高青砂岩的脆性。研究结果可为冻融影响下工程岩体的稳定性与安全性评价提供参考。     

在高地应力作用下近水平岩层隧道掌子面稳定性分析及控制*

为了研究大峡谷隧道开挖中掌子面大范围塌方及支护失效问题,分析现场水平层状围岩失稳特征,基于3DEC离散元软件探究掌子面失稳机理,提出塌腔处治及支护整体优化控制措施。研究结果表明:掌子面塌方主要表现为顺层滑移、挤压离层、局部掉块。开挖后拱顶沿水平层理面发生离层,导致掌子面分层垮落,层间错动掉块。围岩拱顶块体呈斜向下45°变形发展,掌子面中部和底部呈平行隧道轴向变形发展,根据塑性区和剪切滑移区扩展范围,最终形成宽5 m、高4 m的塌腔,掌子面前方岩体受影响深度3~4 m。对易塌方段提出台阶法开挖等控制措施,现场监测洞周位移收敛量不超过5 cm,整体优化后支护效果明显。     

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。