双轴加载下大尺寸岩石裂隙演化规律试验

为准确掌握深部岩体的破裂过程中失稳机制,对大尺寸试样进行了不同加载速率下的双轴加载试验,分析了试件破裂过程中裂隙演化规律和声发射行为特征.在大量试验的基础上,选取了由425硅酸盐水泥、砂子(粒径≤2 mm)、石膏、高效减水剂和水组成的砂浆材料,确定了各组分的最优配比.借助岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和PCI-2声发射监测系统,分析了不同加载速率对大尺寸试样裂隙演化的影响规律和破裂的声发射行为特征.结果表明:加载速率越大,大尺寸试样越容易产生反翼裂隙,发生突变性剪切破坏,而不同加载速率下试样破裂的声发射行为特征基本相似,当加载到90%σc时,声发射事件累计数瞬时增多,表现为裂隙的瞬时扩展贯通,导致试样最终破裂.     

不同加载速率下煤岩组合体碎块分形特征与能量传递机制

为了研究不同加载速率下煤岩组合体破坏碎块的分布、分形特征以及失稳破坏机制,对细砂岩煤（FC）、粗砂岩煤（GC）、细砂岩煤粗砂岩（FCG）3种煤岩组合体开展0.001,0.005,0.01,0.05,0.1 mm/s加载速率下的单轴压缩试验,结果表明：1）0.001 mm/s速率下破坏煤块粒径较小,为完全充分破坏,破坏类型属于塑性破坏。0.1 mm/s加载速率下,试件破坏碎块粒径最大,形状不规则,为不完全不充分破坏,破坏类型属于脆性破坏。加载速率对试件破坏的影响主要表现在：裂隙发育程度、破坏块体粒径、破坏块体数目、能量释放速度、破坏形式、失稳机制。2）试件碎块具有明显的分类特征。随着加载速率增大,4.75~<10 mm、10~<20 mm两种粒径等级的碎块数量逐渐减少,试件的破碎程度减小;3种试件的长/厚值随着碎块粒径的减小呈现先增加后减小的趋势;对于相同粒径等级内的碎块,其长/厚值随加载速率增大而增大,增大加载速率会促进薄形态碎块生成。3）5种加载速率下,FC、GC、FCG组合体的粒度数量分形维数分别在1.53~0.55、1.27~0.26、1.45~0.46之间,粒度数量分形维数随着加载速率增大而减小,加载速率越大,分形维数越小;FC、GC、FCG组合体粒度质量分形维数分别在2.35~1.48、2.36~1.34、2.34~1.58之间,粒度质量分形维数均随加载速率增大而减小。4）针对煤岩组合体破坏形态,分析了组合体破坏过程的能量传递机制。组合体不断受载,煤组分最先发生破坏,释放的能量直接传递给岩石组分,若达到岩石组分的储能极限,则导致岩石组分发生破坏。煤岩组合体破坏过程的能量传递机制较好地揭示了岩石组分破坏的滞后现象。     

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.     

煤样力学特性与内部裂隙演化关系CT实验研究

为了观测煤样内部结构变化和裂隙演化过程,应用X射线工业CT对煤样在单轴加载不同阶段进行了扫描,获取了不同应力状态下CT图像。通过CT图像及其差值图像的统计特征值,分析了煤岩内部裂隙演化与宏观变形间的关系。分析表明:煤样CT图像灰度统计特征值的变化反映试件内部的密度变化,间接反映了试样中裂隙的发育发展过程;将CT图像中每个体素作为研究对象,CT的差值图像表征了试件内部裂隙缺陷体积的演化;CT差值图像的均值与方差更能体现宏观变形不同阶段内部裂隙的相应变化。     

放顶煤开采煤体裂隙演化规律实验研究

运用ＭＳＳ－３００型真三轴压力试验机对忻州窑矿放顶煤工作面的大煤样试件进行了压裂实验研究,运用分形理论探讨了煤样的裂隙演化规律,为研究放顶煤工作面顶煤的破裂演化规律及采用人工弱化顶煤措施提供了必要的理论依据。探讨了放顶煤采场有关数值计算中力学参数合理选取的新途径。     

巷道围岩裂隙的分形演化规律试验研究

通过对模型巷道的相似材料模拟试验 ,研究了巷道顶板和两帮的裂隙随载荷变化的分形演化规律 ,得出围岩裂隙的分形维数与载荷比呈线性关系 ,两帮的裂隙分形维数一般大于顶板 ,两帮的裂隙分形演化规律相同。通过测量围岩裂隙的分形维数 ,可定量评价巷道的损伤破坏程度和稳定性。     

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。     

大倾角综采放顶煤开采裂隙非稳态演化规律

大倾角综采放顶煤岩层控制技术是煤炭开采与岩层控制的重点研究内容之一。利用非平衡断裂统计方法 ,以某矿综采放顶煤工作面开采的围岩破断规律为研究对象 ,结合相似材料模拟实验与现场应用情况 ,对在非对称载荷作用下的围岩裂隙非稳态运动及演化规律进行了分析 ,为工作面顶部围岩非稳态演化趋势、采空区控制的关键层位与范围的选择、围岩失稳的时空演化规律、支架稳定性的有效控制提供正确理论和科学依据。     

贵州黔北地区构造煤与原生结构煤孔隙特征及分形

为了研究煤体在构造作用影响下孔隙结构与分形特征,本文采用低温氮气吸附法、压汞实验等方法,并结合分形理论对三甲煤矿突出孔洞内外煤样孔隙分布进行定量分析。通过MIP与N2GA联合分析,软硬煤临界孔径分别为59nm和86nm。硬煤孔容主要分布在100nm以下的孔隙中,构造煤各孔容分布差异不大,其中中孔和大孔孔容明显高于硬煤,并且构造煤比表面积比硬煤增大4倍多,孔容多出24.5%。根据分形理论分析发现,构造煤渗流孔和吸附孔分形维数分别为3.03和3.77均高于原生煤3.01与3.72;构造煤热力学分形维数高达2.916,构造煤具有更加复杂的孔隙结构和更加粗糙的孔隙表面。     

单裂隙岩石损伤断裂过程的试验研究

为了掌握单轴压应力作用下含单一初始损伤试什的变形特征与损伤特性,采用室内岩石压力系统和声发射监测试验,研究了单裂隙岩石损伤断裂过程.通过采用应力--应变曲线和声发射数共同识别类岩石材料损伤断裂特性的方法,可容易地观察到裂隙岩石的初始损伤、损伤演化和宏观裂纹的发展过程,给出了损伤演化闽值和全应力--应变曲线的损伤解释,针对试验曲线所表现出的损伤特性进行了损伤描述,为建立相应的裂隙岩体损伤本构方程和演化方程打下试验基础.     

不同高比灰岩-煤组合体变形破坏特征实验研究

为探究不同岩煤(高度)比的灰岩-煤组合体试样变形破坏特征,首先,对5组组合体试样进行了单轴压缩试验;其次,基于声发射系统和XTDIC三维全场应变测量系统,采集了加载全程试样声发射信号及其表面应变信息;最后,从变形场演化、回弹变形、能量耗散和声发射特征等方面,定量揭示了组合体试样的变形破坏特征。研究结果表明：随着岩煤高比增大,组合体试样单轴压缩强度和弹性模量均呈增大趋势,其破坏均发生在煤样内,由张拉破坏向拉-剪混合破坏转变,塑性破坏增强;变形局部化带首先出现在煤样原生裂纹区域,且随着裂纹的起裂、扩展而发生交汇,进而诱发煤样破坏;同时,煤样破坏导致灰岩回弹变形,随着岩煤高比增大,灰岩回弹变形量由0.042 mm递减至0.008 mm,回弹变形率由0.210%递减至0.010%,回弹变形量和回弹变形率整体呈递减趋势。随着岩煤高比增大,组合体试样峰前弹性能密度占比由98.56%递增至99.86%,外界能量转化为弹性能的能力增大,峰后弹性能转化为峰后释放能和剩余弹性能的能力增大,破坏后宏观裂纹增多且动力显现程度增大。组合体试样声发射能量率信号具有明显的时效特征,分为波动、静寂、活跃和骤增4个阶段...     

基于图像检索技术的受载煤样裂隙演化规律

在煤岩试样破坏过程中进行CT扫描测试,可实现煤岩试样内部裂隙结构可视化表征,但是在加载过程中,因试样位移变形,会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果。为了解决这一问题,笔者利用图像相似性检索技术,检索出受载试样在不同应力水平下的最相似的CT图像,从而更加准确的描述受载煤样裂隙演化规律。研究结果表明：(1) 在三轴压缩破坏过程中,试样应力应变曲线分为5个明显的阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段以及残余变形阶段。(2) 基于感知哈希算法的图像检索技术能够准确识别并定位不同应力阶段相似度最高的CT图像,且CT图像相似度随着轴向荷载不断增大而逐渐降低。(3) 在整个三轴加载过程中,CT图像的相似度绝对差均值表现出两个明显的变化阶段：缓慢增加阶段和快速增加阶段。(4) 分形维数可以定量描述裂隙演化,受载样品破坏过程中分形维数主要经历了缓慢减小,缓慢增大,快速增大三个阶段。     

盆地构造演化沉积环境及非煤能源矿产评述

阜新盆地是中生代陆相断陷型盆地，由太古界、中元古界组成盆地基底。其上接受了晚中生代地层沉积，包括沙海组、阜新组两套含煤岩系,盆地的沉积充填组合反映了盆地构造演化的阶段性，而同沉积构造的演化又控制了沉积环境。通过研究盆地构造演化及沉积特征,论述了煤层气、砂体气、石油、地热等相关非煤矿产能源的形成条件及开发远景，并提出进一步勘探开发的建议。     

单轴压缩下交叉裂隙花岗岩变形与能量演化分析

为了更好地了解交叉裂隙对岩体力学性质和变形特征的影响,对不同主次裂隙夹角的花岗岩试件进行了单轴压缩试验.根据试验结果,对交叉裂隙试件的应力-应变曲线规律、变形与强度特性以及能量演化过程进行了分析.研究结果表明:交叉裂隙试件的力学性质和变形特征与主、次裂隙的夹角密切相关,裂隙试件的应力-应变曲线比完整试件更早进入裂纹萌生和扩展阶段,峰值应力前应力-应变曲线会出现一定的应力波动现象;裂隙试件的峰值强度和弹性模量明显降低,弹性模量随交叉裂隙夹角的增大先减小后增大,但峰值强度受夹角的影响不大;裂隙试件在单轴压缩过程中的总能量、弹性应变能和耗散能相较于完整试件显著降低.     

沁水盆地东部构造演化特征及构造物理模拟

沁水盆地东部煤层气勘探潜力巨大,构造演化特征相对独特。依据野外地质踏勘资料,对沁水盆地东部的构造特征进行系统研究。利用平衡剖面回剥方法,定量分析典型剖面的运动学参数。在研究区构造几何学、运动学特征分析基础上,基于构造物理模拟实验,再现了沁水盆地东部的构造演化过程,从而对研究区构造演化取得了新的认识。研究表明,沁水盆地东部依次经历了弱挤压-强挤压-弱伸展-强伸展的演化过程,可将其构造演化划分为板块拼合盖层沉积(J_1前)、陆内强烈挤压变形(J_2～J_3)、微弱伸展活化(K-E)和陆内伸展裂谷(N-Q)4个阶段。此构造演化对沁水盆地东部煤层气的聚集与勘探开发具有重要影响,其动力来源主要受控于区域构造应力场的重大转变。早侏罗世以前,板块碰撞拼合及印支运动的辐射将沁水盆地东部置于NNW-SSE向挤压应力场;中-晚侏罗世,研究区开始出现重要构造分异与转折,整体转向NW-SE向强挤压应力场,逆冲断裂雏形在此阶段形成;白垩纪-古近纪,区域应力场由NW-SE向挤压应力场转变为NW-SE向伸展应力场,研究区构造体制发生重大转折;21世纪以来,研究区进入陆内伸展改造,构造格局至此基本定型。     

煤巷大厚度泥岩顶板围岩裂隙演化规律数值试验研究

运用数值试验系统,研究了煤巷大厚度泥岩顶板围岩裂隙萌生-扩展-贯通-破坏的演化规律。根据围岩裂隙的分布和演化,结合地质力学与环境条件,揭示出大厚度泥岩顶板垮落是由于煤帮上方的剪张裂隙及顶板上方的水平裂隙所形成的裂隙拱造成的,提出大厚度泥岩顶板煤巷支护的三个主要特点:及时封闭围岩、加大锚杆支护系统刚度、锚杆(索)沿裂隙方向斜向布置。研究结果有利于了解巷道围岩内部破裂的产生和发展规律,为巷道锚固方案的选择和锚固参数的优化提供了依据,可为类似条件矿井的支护提供理论依据与应用性指导。     

单轴加载下裂隙试件主控裂纹演化规律及 锚固止裂机理

为研究裂隙岩体锚固作用机理,采用水泥砂浆预制不同倾角的裂隙试件,在裂隙上下两端一定距离预埋GFRP(玻璃纤维塑料筋材)锚杆制作加锚裂隙试件进行单轴压缩试验.结果表明:主控裂纹的形成与贯通是导致试件最终破坏的直接原因.无锚裂隙试件,主控裂纹贯通路径单一、贯通速度快,且受预制裂隙影响明显,裂隙倾角越大,主控裂纹扩展方向与裂隙轴线夹角越小.裂隙试件加锚后,主控裂纹贯通路径增多,裂隙倾角对主控裂纹的引导作用减弱.锚杆对裂隙试件峰前平均强度和峰值强度作用不大,但能够有效延长试件峰后强度的持续时间.无锚试件加载过程中能量释放具有"突变性",释放的总能量较少,加锚试件能量释放具有"渐变性",释放的总能量较多.裂隙扩展过程中能量的快速释放是主控裂纹形成和扩展的标志,主控裂纹数量越多、路径越长释放的能量就越大.锚杆的主要作用在于限制主控裂纹的快速形成和扩展,在相同的外力功作用下产生更多、更大范围的损伤和微裂纹,从而改变主控裂纹扩展路径,延长主控裂纹的贯通长度,通过遏制主控裂纹快速贯通来增加裂隙岩体的峰后强度和抗变形能力.     

孟加拉湾若开盆地构造特征及演化

根据地震、钻井等基础资料建立主干剖面,结合平面构造展布及剖面构造特征研究孟加拉湾若开盆地的构造特征和演化。若开盆地是一个主动大陆边缘海沟背景下的增生楔盆地,经历了晚白垩世-古新世早期发育期、始新世-渐新世缓慢碰撞期和中新世-上新世盆地定型期3个区域演化阶段。平面上划分为东部的若开褶皱带和西部的海底平原带。若开褶皱带具有南北分段特征,根据构造特征差异分为2段:(1)北段挤压褶皱带,主要发育NNW走向、带状分布褶皱。北段挤压褶皱带可分为高陡褶皱带和低缓褶皱带2个次一级构造单元,变形强度从东往西逐渐减弱。(2)南段走滑褶皱带,褶皱表现为宽度较窄,并发育明显走滑构造。主干剖面构造演化史分析认为:研究区构造变形开始于晚中新世末,上新世末-第四纪变形强烈;构造变形从东向西传播,东部变形时间早,变形强烈,而西部变形时间晚,变形较弱;在中新统沉积后,区域构造发生翘板式逆时针旋转,沉积中心从东部迁移到西部。若开盆地的构造形成与演化主要受印度板块向欧亚板块斜向B型俯冲碰撞控制,由于俯冲碰撞接触带在若开盆地呈弧状,南北两段应力场不同,导致南北两段构造变形存在明显差异。     

水岩作用下花岗岩裂隙剪切力学特性演化规律

为研究水岩作用对花岗岩裂隙剪切力学特性的影响,分别对干燥和不同浸水时长条件下的花岗岩裂隙试样进行了室内直剪试验。结果表明:峰值抗剪强度、剪切刚度随浸水时长的增长而减小;峰值剪位移随浸水时长的增长而增大;剪胀效应随浸水时长的增长而减弱;剪切损伤体积随浸水时长的增长而增大。采用三维蓝光扫描仪获得了裂隙面剪切前后的形貌特征,分析了剪切损伤体积随浸水时长的演化规律,提出了考虑浸水时长条件下的粗糙裂隙剪切体积模型。此外,还分别进行了干燥、浸水12个月两种工况下的花岗岩纳米压痕试验。相比干燥试样,浸泡12个月后试样的最大压入深度和塑性变形都明显增大,长时间浸水后花岗岩试样纳米硬度和Young's模量明显降低,即裂隙凸起体更容易破坏。     

雁行双裂隙类砂岩加载条件下裂纹扩展演化规律研究

为了研究裂隙岩体在荷载作用下裂纹扩展演化与破坏规律,以预制含雁行双裂隙类砂岩试样为研究对象,采用单轴压缩试验与DIC技术相结合,探究裂隙倾角和岩桥倾角对试样裂纹产生、扩展和破坏模式的影响。结果表明：(1)裂纹先从试样边界处产生,向试样中心扩展,随加载的进行,裂纹转向从裂隙尖端处产生,向试样上下端面扩展。(2)试样新生裂纹扩展演化过程、破坏模式与裂隙的倾角特征关系密切,随裂隙倾角和岩桥倾角的增加,裂纹扩展的数量分别呈现出先减少再增加后减少、先减少后增加的特点,试样破坏模式呈现出由张拉破坏向张拉-剪切复合破坏转变,但当裂隙倾角增加至90°时,试样破坏模式又呈现出张拉破坏。(3)岩桥贯通取决于其水平投影长度,当岩桥倾角为0°、30°,岩桥水平投影长度较长,岩桥未贯通,当岩桥倾角为60°、90°、120°,岩桥水平投影长度逐渐减小,岩桥发生直接贯通。研究成果可为工程设计及优化提供一定的指导意义。