不同加载速率下的矿岩劈裂破坏特性试验研究

为研究不同加载速率对矿岩劈裂破坏特性的影响,基于数字图像相关(DIC)技术开展矿岩巴西劈裂试验,从抗拉强度、能量演化和水平应变分布等方面分析铁矿石及其围岩在不同加载速率下的劈裂破坏特性。研究结果表明：1)矿岩抗拉强度均随加载速率的增加而增大,其中,围岩抗拉强度随加载速率增大而呈线性增大,而铁矿石抗拉强度先急剧增加后缓慢增加,与加载速率呈幂函数关系。2)随着加载速率增加,矿岩内部总能量和弹性应变能均增大,耗散能则呈下降趋势。加载速率增大后的铁矿石弹性能相比于围岩提升25.78%,岩爆危险性高,合理减缓开采进度可确保矿产开采安全。3)铁矿石和围岩的水平应变随加载速率变化的规律相似,即当加载速率为0.02 kN/s时,铁矿石和围岩应变带从中部向两端延伸,而在高加载速率下,铁矿石和围岩的应变带由两端向圆盘中部汇合;4)不同加载速率变化对矿岩破裂结果的影响不同,当加载速率较低时(0.02 kN/s),矿岩表面水平应变均呈现正态分布,而当加载速率增加后,矿岩端部水平应变突出,且铁矿石相比于围岩更早产生由加载速率变化引起的端部应变集中倾向。     

储能充填体相变前后传热性能及强度特征

目前,深井高温问题越来越突出,在充填体中加入相变材料来降低地温是解决深井高温问题的新思路。采用石蜡和CaCl₂·6H₂O制备新型复合相变材料,通过差示量热扫描仪、扫描电子显微镜、电液伺服岩石压力试验机和数值模拟等手段,研究含石蜡-CaCl₂·6H₂O充填体的相变前后的抗压强度与传热性能。研究结果表明：石蜡与CaCl₂·6H₂O复合后不发生化学反应,石蜡-CaCl₂·6H₂O不溶于水最佳复合质量比为3:2;石蜡-CaCl₂·6H₂O经济成本较低,在常用相变材料中经济排名靠前;加入石蜡-CaCl₂·6H₂O后充填体的抗压强度降低12.95%,石蜡-CaCl₂·6H₂O发生相变后,强度降低37.65%,但充填体的热量吸收能力提高79.60%;含石蜡-CaCl₂·6H<...     

非线性卸荷速率下的硬岩破坏特性与裂纹演化规律

为研究硬岩卸荷阶段速率非线性变化时的破坏特性,利用室内三轴压缩试验和颗粒流数值模拟开展余弦型、直线型和指数型三种卸荷速率变化方式的硬岩破坏研究.结果表明: 指数型卸荷的硬岩首先失稳破坏,余弦型卸荷的硬岩则不易发生破坏,前期较快的卸荷速率对整个卸荷过程的损伤积累影响更大; 硬岩卸载过程中的承载强度受初始围压和卸荷方式的共同影响,且围压愈高则卸荷方式影响愈显著; 根据Mogi-Coulomb准则,指数型卸荷通过内摩擦角影响硬岩强度,而直线型和余弦型卸荷的硬岩强度主要受黏聚力影响;指数型卸荷因前期快速卸荷易在端部产生部分破碎,直线型卸荷随围压升高由陡倾角剪切破裂带过渡多个“V”型剪切破坏,余弦型卸荷随围压增大呈塑性破坏特征趋势.     

基于Voronoi块体模型的砂岩力学特性研究

PFC软件中球形颗粒和平行黏结接触模型(PBM)被广泛应用于岩石力学特性模拟研究.然而,球形颗粒和PBM存在两个明显缺陷:球形颗粒与岩石材料的晶粒形状相差较大;无侧限抗压强度与抗拉强度之比(压拉比)偏低.基于此,以山西吕梁地区典型砂岩为例,通过Voronoi剖分建立刚性块体数值试样,并使用软化黏结接触模型(SBM)对砂岩试样进行模拟分析.研究结果表明,基于刚性块体和SBM的数值模拟相较于传统基于球形颗粒和PBM的数值模拟而言,主要具有3个优点:与球形颗粒试样相比,刚性块体间自锁效应增大,刚性块体模型间的配位数明显提高,更能模拟真实砂岩的晶粒形状和晶粒间力学行为;软化黏结模型能模拟出砂岩更大的压拉比,更能真实表征砂岩在多应力路径下的力学特性;采用基于刚性块体和SBM的数值模型能够真实反映砂岩典型的剪切破坏模式.     

多放矿口间的矿岩颗粒均匀流与应力演化规律

针对当前多口放矿研究中存在的放矿口间距阈值和应力分布等问题,基于刚性块体模型开展不同放矿口间距和放矿方式条件下的放矿数值试验,对多放矿口间的矿岩颗粒均匀流与应力演化规律进行量化研究.研究结果表明:多口放矿条件下能够产生矿岩颗粒均匀流的放矿口间距阈值介于1.0~1.25倍的松动体最大宽度.矿岩颗粒流动体系内存在明显的应力拱效应,放矿过程中松动体上方的垂直应力会逐渐向两侧非松动区域转移.在所研究的取值范围内,采场底部最大垂直应力已接近初始垂直应力的1.8倍.放矿过程中采场内非松动区域的配位数约为8~9,且空间高度越低其配位数越大;在松动区域内越接近放矿口的位置,其矿岩颗粒越松散且运移与接触变化的无序程度越高.     

单一粗颗粒影响下的矿岩颗粒体系三维力链演化特征

针对现有放矿研究中未充分考虑粗颗粒影响的问题,基于滚动阻抗模型开展放矿数值试验,对不同粒径和位置单一粗颗粒影响下的矿岩颗粒体系三维力链宏观分布、数量、平均强度、准直性、长度以及方向等演化特征进行量化研究。研究结果表明：1)针对0.3～0.8 m的三维矿岩细颗粒体系,仅当粗细颗粒粒径比大于6.0且粗颗粒处于矿岩颗粒剪切带区域时,单一粗颗粒的存在才会导致粗颗粒一侧的松动体形态产生明显变异,引起局域细颗粒的提前移动。2)粗颗粒能够产生力链聚集效应,显著提高其四周局域内力链分布密度、力链接触数占比以及力链平均强度,而对力链准直性无显著影响。3)无论是否存在粗颗粒,在各放矿阶段局域内力链概率均随其长度增加而呈负指数函数形式减小;从统计意义的角度而言,力链最大长度均不超过10。4)当粗颗粒及其四周细颗粒未产生松动时,粗颗粒的存在可显著提高局域力链方向各向异性程度;当粗颗粒及其四周细颗粒产生松动后,其局域力链方向各向同性程度不断提高,局域力链方向逐渐向放矿口方向集中。     

含裂隙类岩石试样单轴抗压强度特征及裂纹演化规律

通过研究含复杂裂隙岩体性质，甄别岩体中关键裂隙，进而简化裂隙网络.基于3D打印技术制备含裂隙类岩石试样，利用数字图像相关(DIC)技术和颗粒流软件PFC研究了试样应变场变化、试样内局部应力分布状态和破裂模式.研究结果表明:1)相较于完整试样，含水平裂隙试样的峰值强度降低了20.9%，含垂直裂隙试样的峰值强度仅降低3%左右，水平裂隙对试样的劣化效果更显著;2)水平裂隙中部拉应力远超垂直裂隙端部应力，因此含水平裂隙试样更易且更早产生拉伸裂纹，导致含水平裂隙试样强度低于含垂直裂隙试样强度;3)当十字交叉裂隙中垂直裂隙长度为水平裂隙长度的1~2倍时，十字交叉裂隙中的水平裂隙是控制试样裂纹演化及强度特征的关键裂隙，因此十字交叉裂隙可简化为水平裂隙.