三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。     

花岗岩颗粒流模型循环压缩作用下能量特征分析

为分析花岗岩颗粒流模型循环作用下的能量特征,基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力应变曲线,完成了PFC3D数值试验的参数标定,探讨了不同循环次数下数值试件内部总能量、弹性应变能和耗散能的变化规律,建立了一定循环次数下耗散能随应力变化的演化方程。研究结果表明:在数值试件加载至破坏过程中,这些能量参数以应力应变曲线峰值点为分界,峰前的总能量、弹性应变能和耗散能随应力呈非线性增长,总能量增长速率最快,弹性能次之,耗散能最慢;至峰值点附近时弹性应变能达到储能极限,增速降为0;峰后则表现为弹性应变能急剧释放,耗散能随裂纹发展而快速增加,能量急剧释放是导致岩石灾变破坏的主要原因。提出的基于材料阻尼理论的耗散能演化方程,计算结果和试验数据对比表明其可以较好地反映一定循环次数下耗散能随应力变化的特征。     

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。     

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。     

循环荷载下煤岩弹塑性损伤的能量机制分析

为探究采动应力周期性扰动下煤岩的损伤变形及能量演化机制,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同稳定时间下煤岩三轴循环荷载试验;基于能量参数分析,推导出循环荷载作用下煤岩弹塑性损伤变量计算公式,分析煤岩弹塑性损伤演化行为。研究结果表明:不同稳定时间下煤岩主应力差-轴向应变曲线呈现周期性滞回环演化趋势,在稳定时间和外部荷载下弹性模量并没有随循环次数的增大而减小,煤岩损伤机制发生变化;煤岩吸收的总能量U与耗散能Ud随循环次数的增加总体变化趋势为L型,弹性能Ue逐渐减小而后趋于稳定;基于能量计算的煤岩弹塑性损伤变量值在30次循环荷载过程中,均在一稳定值附近呈波动性稳定变化趋势。     

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。     

冻融循环作用下岩桥变形破裂及能量转化特征研究*

为研究寒区锁固型岩质边坡的破坏机制,对岩桥试件开展冻融循环试验和单轴压缩试验。以数字图像相关方法为观测手段获得加载过程中的全局应变场,分析冻融循环作用对岩桥变形破裂演化特征的影响。引入能量特征指标,探究冻融岩桥加载过程中的能量耗散和释放规律。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件抗压强度和弹性模量逐渐劣化;冻融循环作用未改变最终破坏模式,均表现为剪切裂纹贯穿中部岩桥造成的失稳破坏。冻融循环作用促进应变集中带的出现和扩展,加剧裂隙周边的应变集中程度。随着冻融循环次数的增加,试件储能极限和应变能峰后转化率逐渐降低,说明冻融循环作用减缓能量耗散和释放;试件最终破坏与能量转化密切相关,储能极限和应变能峰后转化率越大,试件脆性破坏越显著。     

低围压下含瓦斯煤三轴压缩变形时的能量变化规律

为探究煤体在受压过程中的能量特征及临界破坏点能量变化规律，基于常规三轴压缩下含瓦斯煤的应力-应变曲线，分析含瓦斯煤破坏过程中弹性应变能和耗散能随应变变化的规律，据此给出含瓦斯煤在不同围压、含水率下变形破坏时的能量解释。研究结果表明：有效能比在同一围压下随着含水率的增大先增加后减小，表明含水率的增大会降低煤样强度。建立围压和含水率对含瓦斯煤三轴压缩变形过程中临界破坏点总能量耦合关系的多元线性回归方程，取得了较好的拟合度。     

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。     

分段变速加载对含瓦斯突出煤力学特性影响试验研究

为探究采动应力变化对含瓦斯突出煤力学特性的影响,利用RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统,对新景矿含瓦斯突出煤进行了不同围压和瓦斯压力下的常规三轴和分段变速加载力学试验。结果表明:煤样在2种应力路径下的全应力应变曲线均可分为压密、线弹性、塑性变形、应力跌落和残余应力5个阶段;随着围压的升高或者瓦斯压力的降低,煤体在2种应力路径下的强度和弹性模量均增大;相较于常规三轴,煤体在分段变速加载路径下的强度普遍增大,峰值轴向应变、峰值环向应变绝对值和峰值体积应变绝对值也普遍增大,失稳破坏瞬间应力跌落和能量释放更加剧烈。Mohr-Coulomb强度准则仍然适用于分段变速加载条件下的含瓦斯突出煤,该研究对于认识煤与瓦斯突出的发生机制具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

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。     

瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型

为有效预防煤矿瓦斯动力灾害,研究瓦斯气体对煤岩力学性质的劣化机制及煤岩损伤演化特征,以原煤试样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同瓦斯压力下煤岩三轴压缩试验;建立瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型,通过试验结果验证该模型的合理性。结果表明:煤岩在塑性变形阶段前累计损伤几乎为0,峰后损伤程度迅速增大;随着瓦斯压力升高,煤岩峰值强度与弹性模量均降低,瓦斯气体作用后煤岩初始损伤量显著增加;煤岩黏聚力随瓦斯压力升高而呈线性降低,通过黏聚力与瓦斯压力的关系修正Mohr-Coulomb准则,可量化考虑瓦斯气体劣化后的煤岩应力应变关系;所建模型与试验结果吻合度较高,可反映不同瓦斯压力作用下煤岩损伤演化过程。     

循环冲击荷载下含孔洞岩石损伤特性与能量耗散分析

为探究隧道工程开挖过程中外部荷载对隧道围岩多重扰动的影响,采用霍普金森压杆(SHPB)装置进行不同冲击荷载(0.6、0.7、0.8 MPa)和冲击方式(等幅与不等幅冲击气压)下的循环冲击试验,以此分析冲击载荷作用下含孔洞岩石试件的动力学特性、损伤特征、能量耗散和破坏形态。结果表明:基于一维应力波理论和界面连续条件得到适用于含竖向孔洞岩石试件计算的改良损伤计算公式;竖向孔洞的存在会影响岩石应力-应变曲线的变化趋势,并在经历数次冲击后尤为显著;花岗岩损伤积累随平均应变率增大呈幂函数增长,且随冲击荷载的增加呈现良好的规律性;积累比能量吸收值随循环冲击的进行逐渐增大,且试件的破坏模式经历了横向拉伸破坏、横向拉伸-轴向劈裂组合形式、轴向劈裂破坏的转变。     

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。     

坚硬顶板初次垮落中的能量转化及释放研究

为了研究坚硬顶板岩梁的破裂及演化规律,基于能量法分析坚硬顶板岩梁初次垮落时的能量种类及其转化。应用弹-脆性双支梁模型分析基本顶岩梁破裂过程中能量的种类,并计算储存积聚的能量和释放的能量。储存积聚的弹性势能一部分转化为辐射能和热能,这部分能量等价于岩石破裂克服抗拉强度所耗散的能量,另一部分弹性势能将转化为破裂岩块所释放的动能。根据能量守恒定律,给出基本顶单一裂纹破裂的能量判据,并计算能量释放率。通过分析可知,基本顶岩梁储存积聚的弹性势能随上覆岩层重量及开采距离的增大而增大,随基本顶高度的增加而减小;能量释放率与岩梁的抗拉强度、岩梁的厚度成正比,与裂纹扩展速度的平方成正比。     

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。     

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。     

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。