论弹性基础变形效应对采场老顶活动规律的影响

由于煤体及直接顶岩层的弹性压缩变形,老顶岩梁端部开裂前并不是处于理想的嵌固支承状态。本文深入地分析了由直接顶和煤层组成的弹性基础变形效应对老顶岩梁活动规律的影响,给出了列传统老顶岩梁来压步距公式进行修正的具体方法。研究成果对于指导现场预计顶板活动规律和进行控制设计具有重要意义。     

大采高长壁工作面顶板垮落的裂纹板力学模型

针对大采高长壁工作面顶板垮落在空间上具有局部、分段和迁移的特征,结合煤岩体地质特征,将长壁工作面顶板视为含有一定数量边裂纹的弹性薄板,利用弹性力学中的薄板理论建立了裂纹板力学模型.以周期来压过程中长壁工作面的来压规律为研究对象,将弹性薄板在工作面推进过程中的破坏分为裂纹扩展、塑性铰失效和铰接板失稳三个阶段,利用断裂力学和弹塑性力学理论研究了各阶段顶板失稳的条件,求得了使裂纹开裂扩展的应力强度因子K1和裂纹的起裂荷载q的计算公式;得到了第二个阶段中造成塑性铰失效的极限荷载p*;通过分析薄板间的连接及破坏过程研究了第三个阶段铰接板的失稳过程.顶板破坏的三阶段力学分析方法合理地解释了工作面长度方向上顶板的来压特征;顶板第一次垮落完成后,由于应力转移,造成应力集中作用,使得长壁顶板未破断部分再次经历裂纹扩展、塑性铰失效、铰接板失稳这三个破坏过程;造成来压从破坏部位向两边迁移,形成了长壁工作面周期来压过程中矿压显现的迁移特征.研究结果从理论上解释了工作面长度方向上的顶板垮落及来压规律.并结合具体工作面监测信息对理论分析结果进行了验证.     

基于声发射监测的巴西盘试样破裂过程

应用声发射及盖格尔定位算法,实验研究了不同巴西盘岩样加载破裂失稳过程.结果表明:声发射事件主要由于裂纹扩展产生,在初始加载阶段直至裂纹萌生之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在相应的应力点声发射事件明显增多;在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间,声发射活动变得异常活跃,声发射事件变化率最大.由此直观反映了巴西盘试验过程初始裂纹的产生、扩展空间位置及扩展方向,即大部分试样的破坏是从一加载端开始,而少数试样的初始裂纹是在岩样的内部产生.同时,声发射事件定位也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现,这对于深入研究岩石破裂失稳机制很有意义.     

不同初始应力下软岩卸荷蠕变试验及长期强度

软岩蠕变对地下岩体工程变形控制及长期稳定的影响极为重要,为研究不同初始应力下软岩分级卸荷蠕变行为,以四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐的软岩为研究对象,开展了不同轴压下分级卸荷-蠕变试验,分析了软岩在恒轴压和分级卸围压下的蠕变特性及长期强度特征。结果表明：破坏围压下,软岩蠕变曲线和蠕变速率均表现出衰减、稳态和加速三个典型阶段;初始轴压能显著影响软岩的蠕变破坏特征,初始轴压越大,软岩在卸围压时越容易破坏,且均以压剪破坏为主,较高初始轴压会造成试样端部出现拉剪裂隙;软岩长期强度和蠕变破坏强度的比值均在90%以上,卸荷时初始轴压越大,软岩越早进入屈服阶段。     

采场顶板控制设计理论与方法的基础研究

结合已有理论研究成果和现场实践,阐述了影响采场矿压显现的岩层范围和控制设计的基本要求。从岩层运动的角度出发,分析研究了岩层运动发展特点,以及支护参数与岩梁稳定状态间的力学关系(即位态控制的机理)。最后结合老顶岩梁整体运动发展全过程中,因支架工作方法不同所引起的矿压显现程度上的差异,提出了控顶方案选择的基本原则。     

大倾角近距离煤层开采覆岩运移及顶板破坏特征

大倾角近距离煤层采场的矿压显现规律较大倾角单一煤层长壁采场更为复杂,需进行深入的研究。以2130煤矿4#煤和5#煤近距离大倾角煤层开采为背景,采用物理相似材料模拟实验、数值计算、理论分析和现场试验相结合的研究方法,系统研究了大倾角近距离煤层采场的覆岩运移及顶板破坏特征。结果表明,大倾角近距离煤层的连续开采,影响采场的覆岩垮落规律、围岩应力分布、顶底板变形破坏特征;近距离煤层两工作面不同的位置关系导致下煤层工作面顶板形成不同的力学结构、发生不同的变形破坏及位移,影响下层煤开采的矿压显现; 25221工作面的基本顶岩梁首先于上端处发生破断,并在之后的运移中于中部再次发生破断,影响了工作面支架载荷与稳定性,使工作面支架呈现出倾斜中部受载较大、下部次之、上部最小和中下部支架受载稳定、中上部受载多变的非对称特征。研究结果可为大倾角近距离煤层开采提供理论依据,并为2130煤矿的后续开采提供参考。     

综采采场顶板结构模型及“支架-围岩”关系研究

以综采采场上覆岩层运动规律为核心,运用"传递岩梁"理论对采场顶板运动参数进行预计算,建立了采场顶板结构模型,详细分析了支架在"给定变形"和"限定变形"两种工作状态下支护强度和活柱缩量的计算确定方法。研究结果表明:直接顶由多分层组成时,具有不同运动组合特性的各分层垮落步距不同。将对采场矿压显现有明显影响的基本顶岩梁分为"单一岩梁"和"双岩梁"结构。采场顶板控制设计中对直接顶采用"给定载荷"的工作方式,根据不同的控顶要求对基本顶采用"给定变形"或"限定变形"的工作方式。在基本顶"双岩梁"结构下,既要防止下位岩梁运动时的切顶、活柱缩量超限等威胁,又要防止上位岩梁来压时对采场的动压冲击。     

岩石单轴压缩下破坏失稳过程SEM即时研究

通过在扫描电镜下进行单轴加载实验,即时观察分析岩石受力过程中微裂纹的萌生、扩展和贯通破坏的全过程,得到各试样的应力 应变曲线及其所对应的微结构变化的电镜照片·实验结果表明,岩石试件的变形与破坏过程可以分为裂纹压密、微裂纹萌生和扩展以及断裂破坏３个阶段;微裂缝首先在预裂缝周围的拉应力集中区产生,随着外载荷的增加不断扩展,最后形成与最大主应力方向平行的宏观断裂带·     

回采工作面支架与顶板的动态相互作用

缓倾斜煤层长壁工作面支架与直接顶以及一层或几层老顶岩层能够构成统一力学体系发生相互作用。沿工作面倾向以支架为弹性基础的直接顶岩梁.伴随顺序移架和割煤工艺的进行.在基础梁上逐渐累加了直接顶的自重荷载,造成了支架阻力和顶板下沉随时间增加而逐渐增大的规律性过程。在平时影响支架阻力和顶板下沉的基本因素是直接顶厚度和支架——顶底板系统刚度.沿工作面推进方向破断的老顶岩块能够发生成拱作用形成平拱。伴随工作面推进平拱跨度增大,平拱可能发生滑动失稳或压碎失稳而造成周期来压.直接顶厚度、采高和老顶强度及厚度是影响周期来压显现的主要因素.     

基于数字图像处理的含分叉裂纹花岗岩破裂过程研究

为了从细观尺度研究含分叉裂纹花岗岩破裂过程,本文基于数字图像处理技术表征花岗岩真实细观结构,结合RFPA2D-DIP软件构建了含分叉裂纹花岗岩数值模型并进行单轴压缩试验,分析了含分叉裂纹花岗岩失稳破坏及裂纹演化规律。试验结果表明:含分叉裂纹花岗岩中,垂直于荷载施加方向的水平分叉裂纹滞后于其他分叉裂纹产生扩展裂纹;加载初始阶段分叉裂纹尖端应力集中,其初始裂纹在倾斜分叉裂纹尖端萌生,试件两端面与预制裂纹贯通导致试件破坏。     

基于薄板理论的首采工作面基本顶来压步距数值研究

基本顶破断对工作面来压具有重要影响。为了研究首采工作面的基本顶破断机理,根据顶板发生初次破断和周期性破断时的边界条件,分别建立了四边固支、三边固支一边简支的顶板薄板力学模型。利用伽辽金法对薄板模型进行力学计算,对工作面顶板破断时基本顶岩层的应力分布特征与破断机理进行了分析。通过极限破断准则得出顶板破断位置与来压步距。结果表明:工作面基本顶破断与上覆岩层载荷、工作面长度、推进距离、岩层厚度、泊松比等因素有关,与板的弹性模量无关。现场观测顶板来压步距与理论计算结果较吻合,可为首采工作面来压预报提供依据。     

基于薄板理论的首采工作面基本顶来压步距研究

基本顶破断对工作面来压具有重要影响。为了研究首采工作面的基本顶破断机理,根据顶板发生初次破断和周期性破断时的边界条件,分别建立了四边固支、三边固支一边简支的顶板薄板力学模型。利用伽辽金法对薄板模型进行力学计算,对工作面顶板破断时基本顶岩层的应力分布特征与破断机理进行了分析。通过极限破断准则得出顶板破断位置与来压步距。结果表明:工作面基本顶破断与上覆岩层载荷、工作面长度、推进距离、岩层厚度、泊松比等因素有关,与板的弹性模量无关。现场观测顶板来压步距与理论计算结果较吻合,可为首采工作面来压预报提供依据。     

焊接结构纵向及横向表面裂纹扩展特性有限元数值模拟

基于有限元方法和两对Paris疲劳裂纹扩展公式,考虑裂纹表层对裂纹扩展的阻碍影响,研究拉伸载荷作用下平板表面裂纹和对接接头纵向及横向表面裂纹扩展特性.结果表明:对接接头纵向表面裂纹在裂纹初始扩展阶段迅速向极扁长型发展,最终形状为扁长型;平板表面裂纹与对接接头横向表面裂纹扩展规律相似,在裂纹初始扩展阶段迅速向极近半圆形发展,最终形状为近半圆形;在裂纹扩展过程中,对接接头纵向表面裂纹长度方向上的扩展快于平板表面裂纹和对接接头横向表面裂纹长度方向上的扩展.     

均布荷载下一次超静定梁的弹塑性全过程分析

对均布荷载加载作用下一次超静定梁的弹塑性变形全过程进行了分析.根据受力变形的特点,均布荷载下一次超静定梁的加载过程可分成4个阶段,分别是弹性阶段,固支端附近塑性变形区扩展阶段,固支端保持为塑性铰而固支端附近塑性变形区卸载阶段,固支端保持为塑性铰而梁中部出现塑性变形区并扩展直至中部某点形成塑性铰阶段.在弹性的第1阶段,弯矩内力、挠度与外荷载是线性比例关系;在第2阶段,弯矩内力、挠度与外荷载是复杂的非线性关系;在第3阶段,弯矩、挠度与外荷载是线性关系但不是比例关系;在第4阶段,弯矩与外荷载的关系与第3阶段相同,但挠度与外荷载是更复杂的非线性关系.给出了弹塑性全过程各阶段任意点的弯矩和挠度计算公式,可供结构设计应用.     

单轴压缩下孔洞砂岩细观破裂演化规律

采用INSTRON-1346型液压伺服控制试验机对含圆形、梯形、马蹄形和正方形4种孔洞的板样红砂岩进行单轴压缩试验,并借助数字图像相关技术观测和分析砂岩试样的变形和破裂演化过程,研究孔洞形状对岩石力学特性和断裂损伤演化规律的影响。研究结果表明:岩石抗压强度和弹性模量随着孔洞形状的不同而有不同程度的弱化,且梯形孔洞劣化作用最明显;含不同孔洞形状砂岩的破坏模式整体呈对角剪切破坏,但局部破坏存在一定差异;含孔洞岩样在单轴压缩条件下的变形损伤和演化过程均经历微孔隙压密与拉伸裂纹萌生阶段、拉伸裂纹稳定扩展阶段、次生裂纹萌生阶段、次生裂纹快速扩展阶段、远场裂纹萌生与繁衍阶段以及宏观剪切形成与破坏阶段这6个阶段;拉伸裂纹在加载全过程中经历"张开—闭合—重新张开"的过程;孔洞周围次生裂纹的起裂大多为张拉和剪切破坏共同作用的结果,其后剪切作用逐渐对裂纹的扩展起主导作用。     

深部硬岩二次应力状态下破裂的断裂力学分析

 为探索深部硬岩的开挖扰动对微裂纹延展破坏的影响关系,利用弹性力学与断裂力学相结合的理论分析方法,依据弹塑性力学的应力分解叠加等效原则和断裂力学的最大周向拉应力准则,求解出不同侧压力系数λ条件下深部巷道围岩的二次应力解析解,并推导出了极限状态下裂纹扩展长度的理论计算公式。通过建立岩石断裂力学参数模型分析发现,侧压系数λ对巷道破坏深度和周边应力场分布有着明显的影响。λ＞1时,边帮为裂纹延展破坏的主要区域,λ＜1时,顶底板为裂纹延展破坏的主要区域;在压剪应力方向一定时,裂纹延展深度与裂纹初始长度有关,与应力大小无关。     

透明类岩石内蕴裂纹扩展变形试验研究

采用力学试验手段探究岩石受压情况下内部裂纹扩展贯通机理是了解岩石破坏失稳机制的重要手段。由于真实岩体内部裂纹无法直接观察其扩展过程,通过自行研制的透明类岩石材料在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上进行单轴压缩力学试验,观察研究透明类岩石内部三维裂纹的扩展贯通机理。这一方法克服了真实岩体不透明的特点,更方便地观察岩体内部裂纹萌生扩展不同阶段的形状。通过对透明岩石内部布置不同长度和角度的裂隙,模拟不同长度和角度的原生节理裂隙对岩体破坏失稳的影响。研究结果表明:含预制裂纹的透明类岩石试件在压缩过程中三维裂纹的起裂扩展要比二维条件下复杂,大致经历了压密,弹性变形,裂纹扩展,脆性破坏四个阶段。含预制裂隙的试件其峰值强度和峰值轴向应变比完整试件均有明显降低,且预制裂隙的长度对峰值强度和峰值轴向应变的降低幅度有一定影响。试验成果无疑对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值。     

含双裂纹试件破坏特性力学试验及数值模拟

为研究含双裂纹试件力学破坏特性,为评价底板突水危险性提供理论依据.通过在真实岩石试件中预制双裂纹,基于MTS伺服控制试验机进行单轴、三轴压缩试验,并结合RFPA数值模拟,研究含双裂纹试件损伤演化和裂纹扩展过程.结果表明:1含双裂纹试件破坏模式具有明显的围压效应,随围压增加,裂纹贯通模式由拉破坏模式向剪破坏模式过渡.当围压为0时,试件在预制的两条裂纹端部分别生成外端翼裂纹和内端翼裂纹,内端翼裂纹与另一条预制裂纹搭接,导致岩桥贯通.在有围压条件下,试件出现反翼裂纹和次生共面裂纹,翼裂纹与另一条裂纹的次生共面裂纹搭接是岩桥贯通破坏的主要形式.2当岩桥倾角为135°时,原始裂纹尖端同时产生损伤,内外尖端翼裂纹同时起裂,随加载应力增加,翼裂纹不断向另一条原始裂纹方向扩展,最终扩展至另一条原始裂纹尖端,而两条外尖端翼型裂纹则扩展至试件端面,贯通整个试件后,最终导致岩石失稳破坏.     

岩石单轴与三轴CT尺度裂纹演化过程观测

结合使用专用三轴压力仪与CT扫描仪,对砂岩和粉砂岩分别进行压缩试验并获得了系列CT图像。发现单轴压缩和三轴压缩时岩石试件均经历压密、扩容、CT尺度裂纹萌生、扩展、扩张、贯通和岩石宏观破坏阶段。在压密阶段和扩容阶段,CT图像无明显变化。采用密度损伤增量定量描述细观裂纹演化的集合效应。在CT尺度裂纹演化阶段,从CT图像出发描述裂纹的空间位置、形态、运动方向分析CT尺度裂纹演化对于岩石变形和强度的影响。裂纹模式图可揭示CT裂纹演化的规律。CT裂纹演化的基本特点是扩展与扩张的交替性。三轴条件下CT裂纹与主应力夹角较大,裂纹面较平直,裂纹扩张困难,呈现剪切破坏特点。     

单轴压缩条件下平行双裂隙演化机理的颗粒流分析

基于离散元理论,研究含平行双裂隙的水泥砂浆试件在不同裂隙倾角和单轴压缩下裂纹萌生、扩展、搭接及贯通机理,并从应力场和位移场的角度分析裂纹扩展演化规律。研究结果表明:当裂隙倾角α=30°时,翼裂纹在最大应力降的作用下沿着垂直裂隙平面方向扩展至一定长度后将保持较长时间不变,直到次生裂纹大量出现后,裂隙外侧的翼裂纹才会在最大拉应力的作用下沿着最大加载方向继续扩展;在萌生初期,次生裂纹的出现会削弱了裂隙尖端的压应力集中效应,同时抑制裂隙内侧翼裂纹的扩展,最大拉应力集中在裂隙之间导致次生裂纹一般都是瞬时成片出现,且形成的裂纹的宽度远大于翼裂纹的宽度;翼裂纹主要是由颗粒之间的相对拉伸或直接拉伸产生;次生裂纹SC-1以拉裂纹的形式优先出现在裂隙尖端R1和R2之间,随着轴向应力增加,SC-1处萌生的新裂纹为拉剪复合型裂纹。