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。     

含瓦斯构造煤卸围压作用渗透性变化特征试验研究

针对含瓦斯煤轴压恒定卸围压渗透性演化规律,以新登煤业二1煤原煤样为研究 对象,利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴应力蠕变渗流试验装置,开展不同围压下轴向应 力恒定卸围压渗流测试试验。基于实验结果表明:构造煤在应力加载阶段渗透率降低, 且轴压围压同时加载,渗透率变化与轴向应变符合线性变化,轴压加载阶段,渗透率与 轴向应变符合负指数函数变化规律;围压卸载阶段,渗透率在卸围压过程中一直减小, 随着轴向应变的增加,渗透率出现反弹,但未出现突变现象,渗透率增加阶段与时间变 化符合退化的负指数函数关系;构造煤渗透率卸围压失稳后,渗透率没有出现突变原因 认为煤样中没有形成较大的有效渗流通道,且在一定的有效应力作用下瓦斯渗流的有效 通道出现自愈合现象。     

急倾斜软底煤巷围岩蠕变试验及变形控制

为解决急倾斜软底煤巷围岩蠕变量大、控制难的问题,以大安山矿为研究对象,采用室内压缩蠕变试验及数值模拟相结合的方法研究煤巷围岩蠕变规律。对底板泥质砂岩和顶板砂岩分别进行不同围压下分级增轴压的蠕变试验,根据曲线特征选取Cvisc蠕变模型、计算蠕变参数并反演。采用Flac3D中蠕变模块,对原支护和改进支护效果进行模拟对比分析。结果表明,围压从0 MPa增大到4 MPa时,泥质砂岩蠕变破坏强度从12 MPa提高到19.4 MPa;随着应力水平提高,不同岩样的瞬时变形、衰减蠕变持续时间和稳态蠕变速率均增大;泥质砂岩比砂岩蠕变变形明显;岩样蠕变特性可用Cvisc模型描述。煤层底板侧软岩强蠕变造成煤巷左帮大变形和底鼓;确定二次支护时机为一次支护后300~400 h;改进支护方式后,煤巷围岩变形得到有效控制。     

基于钻杆推力法结合钻杆位移预测围岩应力的研究

为准确预测矿井冲击地压的发生规律,基于钻杆推力法结合钻杆位移理论,建立钻杆力学模型,利用新型钻削设备,结合钻削采集测试试验。根据试验数据绘出在不同围压轴压下推力、位移随时间的变化曲线,对应力变化进行预测。根据建立动力学模型及公式推导进而得出预测冲击地压的规律,通过测试钻杆推力估算煤体应力的大小,进而预测冲击地压的危险性。研究结果为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

不同围压下煤岩损伤变形规律及声发射特征分析

为研究不同围压条件下煤岩的损伤变形,利用RTX-1000岩石三轴仪和Micro-Ⅱ声发射成像采集仪对煤样进行不同围压下的三轴压缩声发射定位试验,对加载过程中的应力应变、AE计数等特征参数进行对比分析,构建基于AE计数的损伤模型,研究三轴压缩下煤岩损伤变形的规律。研究结果表明:在保持应变率恒定的条件下,围压越高,煤样的峰值强度越大,分别为18.04,29.92,32.29,45.94 MPa;围压越高,弹性阶段的AE计数相对减少;煤样发生剪胀扩容变形;基于AE计数构建损伤模型,分析对比损伤应变理论曲线与试验曲线,得到较高的拟合度,且损伤临界值和损伤量随围压的升高呈现减小的趋势;分析理论模型中的速率增长因子,得到试验与理论损伤规律一致。     

基于加速蠕变改进的巷道围岩蠕变模型

为了研究流固耦合在岩石蠕变过程中的作用机制,利用MTS815. 02岩石力学试验系统,对巷道围岩(砂岩)开展蠕变试验,研究岩石在蠕变过程中的变形破坏特性,基于加速蠕变改进的蠕变模型来描述蠕变过程,采用最小二乘法识别蠕变参数,分析蠕变参数随应力和时间的变化过程;将自定义蠕变方程嵌入ANSYS有限元软件,数值模拟了饱和砂岩试样的流固耦合蠕变全过程。结果表明:该蠕变模型可以较好地描述岩石蠕变全过程;数值模拟结果与试验结果吻合,验证了该蠕变模型和蠕变参数随时间变化规律的正确性和合理性,可为深部工程的隧道围岩加固、灾害防治和支护设计提供依据。     

原煤卸围压过程微震信号响应特征*

为了研究煤体采动卸荷失稳破坏的微震动态响应规律,基于热流固耦合三轴试验机进行含瓦斯原煤卸围压试验采集试验过程中的微震信号,进行连续小波变换及4层小波包变换,识别煤样破裂信号,提出煤样破裂干扰信号的时频特征及相应的微震事件分布与破坏演变的特征。研究结果表明:加载初期甚至整个轴压增加过程中,煤样内部裂隙被压密,无新裂隙产生,基本无微震事件,开始卸围压时煤样破裂数量迅速增加;内部裂纹扩展信号主频为700 Hz,前期煤样内部裂纹扩展缓慢,事件产生频次低;煤样破坏信号主频为800 Hz,其频率跳变异常,信号频率成分无明显分带;煤样破坏时微震信号能量最大,破坏过程中伴随不同部位间相对位移,产生摩擦、揉搓,破坏频率成分复杂;煤样破坏时微震事件频数最大LH-2事件总数为176,破坏时每分钟事件数为76,破坏后事件数为92,分别占总事件比例43%,52%;LH-3破坏事件数及破坏后事件数分别占比36%,62%。     

不同应力路径下岩石卸荷破坏过程的变形特性与能量耗散分析

基于能量原理和MTS试验机进行了三种不同应力路径下花岗岩卸载试验,研究了卸荷条件下岩石的应力—应变全过程曲线变形特征和岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律。研究结果表明,在卸围压过程中,岩样侧向变形明显大于轴向变形,即表现为明显的侧向扩容,且方案3方案1方案2;能量耗散与时间呈非线性关系,且在卸围压试验中,施加围压越大,在相同侧向变形水平下能量耗散越大;在同一卸载方式下岩石耗散能随着围压的增大而增大。其研究结果对从能量角度研究卸载岩石力学特性有一定的指导作用。     

CO_2/水孔流作用下砂岩真三轴应变分形特征研究

以砂岩为主要研究对象,以CO_2、水为孔隙流体介质,通过真三轴压缩试验得到不同孔流作用下应力应变数据,分析并比较了砂岩受力破坏各个阶段中应变分形曲线特征。研究结果表明:分形维数的突变与应变的突变具有一致性,分形维数的范围与最大值的排序为:干燥CO_2水。干燥砂岩的应变分形变化规律为:在孔隙压密阶段,分形维数增大;弹性阶段,分形维数略有上升;屈服阶段,分形维数波动较大;峰后阶段,分形维数减小。含水砂岩和含CO_2砂岩的应变分形规律具有共性和差异性。共性表现在孔隙压密阶段和峰后阶段:孔隙压密阶段两者分形维数减小,峰后阶段两者分形维数增大。差异性体现在中间阶段:含水砂岩的分形维数在很小的范围内波动,而含CO_2砂岩波动较大。试验结果可以在一定程度上定量地反映岩石受力破坏全过程特征,同时给岩石力学行为与破坏机理研究带来新思路。在实际工程中,岩石结构的应变分形结果对其稳定性分析及预测具有指导意义。     

花岗岩蠕变特性及分数阶黏弹塑性模型研究

为了解花岗岩蠕变特性，采用全自动岩石三轴伺服仪对其开展试验研究，在常规三轴压缩试验基础上进行多级加载蠕变试验，系统分析花岗岩蠕变过程中整体蠕变规律和同围压不同应力水平下的轴向及环向蠕变变形量、蠕变速率随时间的变化规律。基于分数阶微积分算子及损伤力学理论，在Scott Blair黏壶基础上，考虑蠕变参数的非定常性，建立花岗岩黏弹塑性蠕变本构模型，并推导出其在恒应力情况下的三维黏弹塑性蠕变本构模型。结合花岗岩室内多级加载蠕变试验结果，采用Quasi Newton（BFGS）法对三维蠕变模型参数反演。结果表明，提出的模型与试验数据拟合较好并克服Nishihara模型不能描述蠕变非线性加速特征的不足，能够很好地反映花岗岩三阶段蠕变过程。     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程，单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况，通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征，并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高，煤样破坏时强度越大，脆性破坏特征越明显，瓦斯流量急剧增加幅度越大，煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多，且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量，并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

黄土地层浅埋暗挖隧道松散围岩压力计算*

为研究黄土地层浅埋暗挖隧道松散围岩压力特征,根据既有隧道施工现场裂缝扩展情况,假定隧道开挖后的土体存在破裂区,取一半破裂区土体进行静力极限平衡分析,考虑静止土压力、侧向土压力、隧道尺寸和土层参数对半结构的影响,推导出适用于黄土地层浅埋暗挖隧道的围岩压力解析式,确定该公式下的隧道深浅埋划分界限,并结合工程实例分析隧道埋深、静止土压力系数和侧压力系数对围岩压力的影响。研究结果表明:随隧道埋深增大,围岩压力存在峰值,围岩压力曲线呈先增大后减小的趋势;围岩压力随静止土压力系数和侧压力系数的增大而减小,但静止土压力系数对围岩压力的影响较大;将新方法得到的围岩压力值分别与现场实测值和既有理论围岩压力值进行对比,计算的垂直、侧向围岩压力值均大于实测值,且新方法的计算误差相对较小。     

循环载荷下煤样不同方向渗透特性试验研究

针对循环采动过程中煤层不同方向渗透特征的演化规律问题，以平顶山十二矿己15煤层煤样为研究对象，利用自行研制的应力-渗流-解吸煤体变形试验装置，开展了循环围压加载下煤样不同方向渗透试验。研究结果表明:在相同的轴压、围压和平均孔隙压力下，试样平行层理面方向的渗透率大于垂直层理，平行层理面内的渗透率相差不大。在围压恒定的情况下，通过试样的流量随着渗透压差的增大而增大，且二者之间的关系可以用二次函数描述；围压增加，导致裂隙闭合，渗透率减小，当循环围压大于煤屈服强度和抗压强度时，裂隙扩展，渗透率增加；循环围压加载可以改变煤样原有不同方向渗透率大小顺序，渗透率与原初始渗透率比值随循环加载次数的增加而增大。     

孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理研究

为了探讨孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理,通过采用理论分析,建立薄板力学模型,对孤岛工作面顶板弯矩分布规律进行分析,并结合实验室数值模拟手段对工作面顶板支承压力集中系数及顶板围岩塑性区演变规律进行研究。研究结果表明:在支承压力作用下,随着推进距离的增大,顶板支承压力集中系数呈现增大的趋势;工作面顶板煤壁中部弯矩显著大于煤壁两侧弯矩,该结果合理解释了工作面方向上支架工作阻力不相等的规律;顶板断裂的塑性区演变特征存在时空效应及力学特征,顶板四周所形成的横向“O”型破断与横向“X”型破断,共同构成了顶板破断的横“O-X”破断形式。     

滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征

为促进滇东黔西地区煤炭资源安全高效开发,开展了不同围压下的三轴压缩试验,研究了该地区松软煤岩的压缩力学特性及能量演化特征。研究结果表明:裂隙增大了松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率,差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐,表现出扩容现象,达到峰值强度后扩容现象愈加明显;围压增强了煤岩承压能力,对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显;围压条件下,松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则;围压几乎不影响弹性能的增长速率,但提高了煤样储存弹性能的能力,受割理等裂隙影响,耗散能与围压无明确相关关系。     

深井动压影响下山煤巷围岩变形机理与控制研究

以刘桥一矿Ⅱ66回风下山为工程背景,采用现场实测、实验室实验、数值模拟和工业性试验综合分析了下山煤巷非对称变形破坏机理,提出动压影响下深井软弱煤巷围岩多层次组合控制理论,并给出优化控制措施。研究表明:回风下山变形失稳严重并呈非对称性,围岩完整性较差,强度低。地应力实测显示,回风下山处于高原岩应力区,最大主应力为水平应力且具有明显方向性,与巷道轴线夹角为71°,断面顶底板剪切破坏风险较大;数值模拟显示,回风下山开拓延伸期间,受邻近轨道下山、辅助下山影响显著,4煤回采对其影响较小,6煤工作面回采是下山煤巷非对称失稳的主要诱因;提出以围岩深浅孔注浆为核心,以新型注浆锚索、锚杆为装备基础的高阻让压全断面组合控制理论,并给出具体优化方案。工业性试验显示,下山煤巷围岩变形得到有效控制。     

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。