中硬煤大煤样的压裂实验研究

在真三轴压力机上通过对王庄矿中硬煤大煤样的压裂实验,得出了中硬煤在强度、变形方面的基本力学特性,探讨了中硬煤的裂隙演化过程,即裂隙演化经历扩展、加密、再扩展和再加密等过程。     

含裂隙软煤试样破坏过程中的变形局部化特征

为探究含裂隙软煤的局部化演化特征,将石膏与水以质量比7:3混合制成类软煤含裂隙试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法采集加载全程试样表面应变、位移信息,分析其变形位移和变形能密度演化特征。结果表明:不同倾角试样局部化带开始出现位置和扩展方向不同,倾角为0°时局部化带沿预制裂隙中央向试样上端和下端部扩展,60°时局部化带沿预制裂隙端部向试样对角方向扩展,随倾角增大,局部化带稳定时所对应的应力水平接近1。试样破坏由局部化带的张开和错动共同作用导致,局部化带张开与错动速率存在缓慢演化和加速演化阶段,应力峰值前后,局部化带之间扩展交汇引起速率加速演化。局部化带的能量演化经历累积(A)、累积与释放交替(A-R)、释放(R)3个阶段。在加载初始阶段,总体表现出A过程,加载至应力峰值前后,能量发生A-R波动式演化过程,加载至应力峰值后期,表现为R过程,A-R阶段随裂隙倾角增大发生相对后移现象。     

初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响

为了探求初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统,研究特定应力条件下裂隙长度、无偏置双裂隙的水平间距和竖直间距对裂隙演化的影响。通过大量的数值试验,再现裂隙的发展演化过程,获得了特定条件下裂隙发展演化的一般规律,并对岩块破坏形态进行了描述。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。     

寒区危岩主控裂隙扩展演化机制研究

危岩的失稳往往主控于主控裂隙扩展。为清楚了解危岩稳定性变化情况,主要针对寒区危岩主控裂隙扩展演化机制进行研究。基于能量密度因子理论,建立危岩受冻胀荷载和自重荷载共同作用下的复合型裂隙开裂判据,运用Griffith准则,推导了在单次冻胀应力和危岩自重应力下裂隙扩展长度关系式,以新疆天山倾倒式危岩为例,探讨了该危岩主控裂隙扩展演化规律。结果表明,危岩主控裂隙扩展演化是从平稳增长向指数增长演化扩展。在计算的4个阶段中,前3个阶段裂隙平稳扩展,裂隙扩展长度增速相对恒定且扩展长度均值约每次2.0mm,最后一个阶段裂隙扩展呈指数趋势增长且扩展长度超过每次4.0mm,危岩失稳的风险极速增大。以此为深入研究寒区危岩稳定性评价、裂隙扩展趋势预测以及危岩防治提供一定的理论依据。     

寒区危岩主控裂隙扩展演化机制研究

危岩的失稳往往主控于主控裂隙扩展。为清楚了解危岩稳定性变化情况,主要针对寒区危岩主控裂隙扩展演化机制进行研究。基于能量密度因子理论,建立危岩受冻胀荷载和自重荷载共同作用下的复合型裂隙开裂判据,运用Griffith准则,推导了在单次冻胀应力和危岩自重应力下裂隙扩展长度关系式,以新疆天山倾倒式危岩为例,探讨了该危岩主控裂隙扩展演化规律。结果表明,危岩主控裂隙扩展演化是从平稳增长向指数增长演化扩展。在计算的4个阶段中,前3个阶段裂隙平稳扩展,裂隙扩展长度增速相对恒定且扩展长度均值约每次2.0mm,最后一个阶段裂隙扩展呈指数趋势增长且扩展长度超过每次4.0mm,危岩失稳的风险极速增大。以此为深入研究寒区危岩稳定性评价、裂隙扩展趋势预测以及危岩防治提供一定的理论依据。
     

煤岩体裂隙集度演化理论模型

为了描述煤岩体内裂隙演化对其宏观力学特性的影响,引入了裂隙集度参量,从热力学平衡方程出发,推导出裂隙集度演化方程;根据岩石试件单轴压缩的全程应力应变实验结果,给出了单轴压缩下的裂隙集度演化方程和考虑裂隙集度对煤岩体力学性质影响的非线性弹性裂隙演化本构方程;通过单轴压缩煤岩试样实验数据值与理论值对比,两者吻合度相当高,证明了理论分析及其理论模型的正确性。     

急倾斜特厚煤层耦合致裂与破碎工艺研发及应用

水压致裂(hydraulic fracturing,HF)与预爆破(pre-split-blasting,PSB)是有效致裂坚硬煤岩体和促进安全开采的技术手段。其存在压裂效果差、润湿周期长、致裂方向、大小与范围有限和易诱发灾害等。针对急倾斜特厚煤层破碎难题,通过理论分析、数值计算、模型实验和现场应用等方法,揭示弱碱性石灰水耦合致裂与破碎机制。基于声发射(Acoustic emission,AE)观测与裂隙光学捕获(Crack Activity Optical Acquiisitions,CAOA)技术方法,揭示了煤岩体裂隙萌生扩展与转异规律。对比分析表明,在煤岩体体积膨胀中产生明显侧向压力,显著促进煤岩体裂隙扩展演化,裂隙扩展速度呈现先增后降趋势。应用实践表明,顶煤破碎度、冒放性和回采率显著提高,开采环境明显改善,这对急倾斜煤层安全高效开采与环境安全具有科学与工程应用价值。     

裂隙水压力对煤岩体细观结构破坏分析

为了分析裂隙水压力对裂隙煤岩体的结构改造效应及宏观力学性能的影响,在现场调研煤岩体原生节理裂隙分布形态的基础上,采用断裂力学分析了岩体内水压裂隙起裂的最小水压力和分支裂纹的扩展后长度.从能量的角度分析了岩体内原生裂隙及水压分支裂纹扩展产生的应变能.在岩块为各向同性的前提下给出了裂隙扩展前后岩体的总柔度,从能量耗散损伤的角度以柔度为损伤变量分析了裂隙水压力与岩体损伤的关系.实例分析表明裂隙水压力对裂隙煤岩体宏观力学性能的弱化效果明显.图2,参12.     

煤田火区发展演化的多场耦合作用过程

 针对煤田火区发展演化多场耦合作用过程,分析了热-流-固耦合机理及不同时期煤体燃烧状态及产物。揭示了煤田火区发展演化是由煤氧复合化学反应而放热升温,产生热应力及烧空区致使上覆岩层失稳塌陷,形成煤岩体裂隙网络产生裂隙场,从而为氧气及燃烧产物对流循环提供通道,进一步促使火区向深部扩展延伸的灾变机理。因此,煤田火区温度场、裂隙应力场、渗流场及化学场之间的耦合作用是加速煤体燃烧的非线性动力循环过程。     

液氮溶浸煤致裂的机理研究

为分析液氮作用下煤的致裂机理,对原煤煤样开展了液氮溶浸实验。利用激光显微镜观测液氮溶浸前后煤样的原生裂隙扩展和新裂隙萌生情况,利用断裂力学理论分析液氮溶浸下煤样原生裂隙的扩展机制。研究结果表明:1)液氮作用引起煤内温度拉应力和应力集中,当应力强度因子超过煤原生裂隙的断裂韧度时,煤样原生微裂隙扩展;2)温度拉应力使得原生裂隙周围强度不大的颗粒团拉破坏、脱落,破坏了煤样的结构,并引起新的微裂隙萌生;3)液氮作用时间对应力强度因子有很大的影响,随着作用时间增加,温度梯度增大,裂隙的应力强度因子增加,煤更易发生断裂。     

三维疲劳裂纹扩展仿真技术研究

应用参数化、模块化有限元建模技术和接触技术仿真半椭圆表面裂纹（前缘曲线和节点）,提出了在裂纹前缘形成辐射状奇异单元网格的建模方法和采用有限元接触技术来施加裂纹模型边界条件的方法,实现了裂纹前缘奇异应力场和裂纹模型远场应力的模拟,建立了三维块体初始半椭圆表面裂纹多自由度扩展仿真模型．通过裂纹前缘离散点的正交扩展和拟合得到裂纹扩展前缘形状,使裂纹扩展更加具有自由度．提出了裂纹前缘拟合误差控制扩展步长的方法,使裂纹扩展过程中扩展步长可变．采用参数化、模块化建模技术建立了扩展裂纹模型,实验与仿真结果的比较表明两者基本吻合,说明本文所采用的方法具有很好的实用性．     

弹塑性材料裂纹扩展的动态J阻力曲线实验

为得到弹塑性材料裂纹扩展的阻力曲线，采用较大外径和较大韧带直径的周边切口在自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置上进行了动态断裂和起裂止裂试验．采用数值分析提出的修正方法得到韧带面上的载荷，结合测得的裂纹嘴张开位移（CMOD），推广Rice远场J积分公式来计算动态J积分；依据柔度变化率法确定起裂点，从而获得动态起裂韧度JID．利用柔度标定法得到裂纹扩展轨迹；提出了周边切口拉伸试件裂纹扩展阻力的动态，JM（t）积分表征的修正形式，从而得到了弹塑性材料裂纹扩展至止裂前的阻力曲线，并对相关问题进行了讨论．试验结果表明：修正的JM（t）可以作为裂纹扩展阻力的表征参量，不仅适用小量稳态扩展过程，裂纹扩展较大时也适用；对弹塑性材料裂纹扩展阻力曲线是惟一的，与裂纹初始长度无关．     

重力坝坝踵断裂扩展模拟方法

混凝土建筑物中的裂纹扩展追踪计算是确定结构安全度的重要手段.本文提出用虚拟裂纹单元及断裂力学准则(应变强度因子)追踪和模拟裂缝初始断裂、扩展并最终导致破坏的过程,给出一条逐段扩展的裂纹线.本方法计算结果与混凝土坝实测资料及模型试验结果吻合较好.     

裂隙岩体贯通及锚固止裂路径有限元分析

供水管网地震过程中往往会遭到不同程度的破坏,以震后管线破坏状态模拟为基础,对带渗漏管网进行水力分析,进而评价其服务性能.在渗漏管网流分析时,引入节点配水量和节点压力的函数关系,结合中国点式渗漏模型,通过求解非线性方程组,得到震后管网节点的供水量和节点压力.该方法在传统的管网水力计算基础上,考虑节点流量随水压的动态变化,避免了负的压力计算值的产生.以一实际管网为例,介绍了震后供水管网功能分析的应用方法.     

船舶典型构件裂纹扩展模拟及分析

基于有限元软件ABAQUS,结合裂纹扩展判据,应用脚本语言Python自主开发出模拟裂纹自动扩展的程序模块.对含初始裂纹的大型液化天然气船(LNG)的典型纵骨节点进行了裂纹扩展仿真分析,探讨了软趾结构形式、纵骨高度、软趾长度等对裂纹扩展路径及应力强度因子的影响,结果表明在扶强材背后增加软趾、选择合适的纵骨高度以及增加连接软趾的长度对降低裂尖处的应力强度因子幅值,扼制裂纹的失稳扩展非常有利.     

两条等长共线裂纹尖端塑性区扩展理论研究

采用Kachanov法基本思想求解2条等长共线裂纹相互作用下裂纹的应力强度因子,分别基于Mises屈服准则和D-P屈服准则推导了裂纹尖端塑性区半径的表达式,并求得裂纹相互作用下塑性区半径的扩大倍数,其值为2条裂纹相互作用下的应力强度因子与单裂纹状态下应力强度因子比值的平方。在此基础上,分析了裂纹间距对塑性区扩展的影响。研究发现,同一裂纹倾角下裂纹间距与裂纹长度比值越小,2条裂纹尖端的塑性区半径越大,裂纹尖端塑性区扩展速度越快,直至塑性区发生接触,且不同的裂纹倾角,裂纹尖端塑性区发生接触的条件不同。     

砼四点剪切(Ⅱ型)断裂的数值研究

有关Iosipescu四点剪切实验的争论很多，国内外的研究者提出了各种各样的结果。本文用有限元的方法对大量的各种尺寸和国载方式的砼四点剪切试件进行了详细的分析。通过对裂尖两尖之间韧带区域的应力场物分析，发现增加试件高度或缩短加载点与裂纹面的距离将更有利于四点剪切加载下砼的Ⅱ型破坏。但裂纹长度的增加的影响并不一定有益于砼试件的Ⅱ型破坏。     

基于半圆试件的沥青混合料疲劳裂纹扩展分析

为获得沥青混合料Paris模型参数,采用半圆形试件进行3个频率的疲劳断裂试验。基于图像技术得到N-a曲线,提出采用二阶指数增长函数拟合疲劳断裂过程。试验结果表明指数增长函数具有更好的拟合效果;Paris模型参数A随着频率的增加而减小,参数n随着频率的增加而增大。     

基于半圆试件的沥青混合料疲劳裂纹扩展分析

为获得沥青混合料Paris模型参数,采用半圆形试件进行3个频率的疲劳断裂试验.基于图像技术得到N-a曲线,提出采用二阶指数增长函数拟合疲劳断裂过程.试验结果表明指数增长函数具有更好的拟合效果;Paris模型参数A随着频率的增加而减小,参数n随着频率的增加而增大.