构造煤组合体单轴加载下裂隙演化及分形规律

为研究不同占比的构造煤-原生质煤组合体压裂后的裂隙演化规律及分形特征,运用单轴加载试验手段,得到了5种不同占比构造煤组合体的裂隙长度、角度及分形维数演化规律。结果表明,随构造煤占比的增大,组合体抗压强度、弹性模量均呈减小的趋势,而峰值应力应变呈增大的趋势,组合体整体特性向构造煤的脆性特性靠近,破坏形式从剪切破坏逐渐过渡到拉伸破坏。随构造煤占比的增大,主裂隙扩展时间占比由14%增大至59%,主裂隙平均扩展速率由0.76 mm/s增长至2.34 mm/s,主裂隙角度平均变化速率由3.07°/s减小至0.70°/s,煤体交界处的主裂隙角度和主裂隙角度平均变化速率均逐渐减小。随着不断的加载,组合体分形维数逐渐增大,各峰值应力处分形维数普遍分布在0.99～1.31。随着主裂隙角度的变化,全原生质煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐减小,全构造煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐增大,其他占比的构造煤组合体不同角度的主裂隙分形维数均先增加后减少,且其变化均发生在各自的煤体交界处。揭示了不同占比的构造煤组合体在加载过程中的裂隙扩展与角度的有关变化规律,为煤矿安全开采提供理论依据。     

不同煤岩组合体力学特性的数值模拟研究

为研究不同煤岩组合体力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件,对不同围压和不同组合倾角条件下的泥岩煤组合体,粉砂岩煤组合体及石灰岩煤组合体进行了模拟。结果表明,单轴压缩时不同煤岩组合体应力应变曲线相似,其峰值强度均接近煤体的单轴抗压强度;煤岩体强度随着组合体间倾角的增大而减小,煤岩体中岩体的强度越高,煤岩体越早出现强度的迅速衰减;煤岩组合体的内摩擦角随着组合体倾角的增大而减小,而内聚力随着倾角增大先增大后减小;随着围压的升高,煤岩组合体的声发射振铃计数最大值经历了一个先减后增的过程,组合体中岩石强度越高,声发射最大振铃计数值越高。     

煤岩组合体破坏过程RFPA~(2D)数值模拟

为研究不同组合条件下煤岩组合体的力学特性及破坏过程,使用RFPA~(2D)软件,采用位移加载方式,对不同倾角、围压下的煤岩组合体进行数值模拟,研究单轴和三轴条件下不同煤岩组合体的破坏机制,分析了围压、倾角对煤岩组合体强度的影响.研究表明:单轴压缩时煤岩组合体的强度接近煤体的单轴破坏强度.三轴压缩时煤岩组合体的强度随着倾角的增大先缓慢降低后迅速降低.围压越大组合体强度越高,但强度提高值随着围压的增大降低.煤岩组合体的内摩擦角随着倾角的增大减小,内聚力随着倾角的增大均先增大后减小.组合体单轴压缩破裂情况基本相同,破坏基元主要分布于煤体中,三轴压缩时组合体的破裂出现了3种情况.     

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。     

构造煤微观结构对其吸附特性的影响实验

为研究构造煤孔隙微观结构及其对瓦斯吸附的影响,采用压汞实验及PCT高压吸附实验,针对澄合矿区典型构造煤煤样进行孔隙结构分析及吸附特性测定,通过实验数据计算煤样孔隙体积及表面分形维数,分析构造煤微观孔隙结构对瓦斯吸附特性及吸附常数a、b值的影响。研究结果表明:煤样总孔容以大孔贡献为主,总比表面积微孔占比最高,各煤样间大、中、小及微孔占比基本相近,煤样坚固性系数与其总孔容成反比;吸附常数a与煤样微孔孔容、比表面积呈正相关关系,吸附常数b随着煤样大孔孔容占比、微孔占比的增大而增加;随着总比表面积增加,单位质量煤瓦斯吸附量逐渐增加,即微孔比表面积越大,瓦斯吸附能力越强;煤样孔隙体积及表面分形维数均可分为两部分,大、中孔隙分形维数在2～3之间,该段分形特征较为明显且孔隙结构复杂,孔隙体积分形维数与吸附常数a呈正相关关系。     

煤破碎过程中表面结构演化与力学特性关系

利用电子万能试验机对四种典型块煤开展单轴压缩破坏实验,研究其应力应变及破坏形式等力学特性.利用高速摄像仪拍摄煤块表面细观结构图像,并计算分形维数以定量描述煤块在单轴压力载荷下表面细观结构,最终建立应力与表面分形维数的关系.结果表明:煤表面和内部存在大量孔隙、裂隙等缺陷以及其具有的不均匀性,导致其单轴压缩实验力学特性存在各向异性特征,破坏形式主要为沿纵向主裂隙的劈裂破坏;同种煤的最大和最小的应力强度值相差很大,不同煤种的力学参数也有整体的差异性.通过定义相对分形维数和相对应力强度发现单轴压应力与表面分形维数呈现非线性增长关系.     

高应力循环加卸载下不同张开度裂隙类岩体变形损伤及能量演化

为研究高应力循环加卸载作用下不同张开度对裂隙类岩体应力-应变曲线特征、滞回环面积和动弹性模量变化规律以及裂隙类岩体损伤特性的影响。基于RMT-150B岩石力学试验机开展了不同张开度和裂隙倾角下裂隙类岩体高应力循环加卸载试验,获得高应力循环加卸载作用下裂隙类岩体力学性能。结果表明:高应力循环加卸载对类岩体峰值强度有“弱化”作用,“弱化”程度约为11%;以0.4 mm张开度为界限,小于0.4 mm的裂隙岩体滞回环面积随裂隙倾角增大呈先增大后减小规律,动弹性模量随裂隙倾角增大先减小后增大,大于0.4 mm时,滞回环面积和动弹性模量随裂隙倾角增大均呈递减趋势,且张开度增大,张拉裂纹萌生概率随之增加;绝对损伤参数随循环次数增加而增大,45°裂隙倾角涨幅最为显著。     

组合方式对煤岩组合体力学特性和冲击倾向性影响实验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和冲击倾向性的影响,基于煤岩单体试件单轴压缩实验,对自主构建的二元、三元组合体开展单轴压缩实验研究,探讨不同组合体力学特性和冲击倾向性规律。结果表明:组合体呈"碎状"、"锥形"、"Y形"破坏;应力应变曲线对比明显,有煤参与的组合体,压密阶段明显,无煤参与的组合体,弹、塑性阶段显著;组合体强度受中间试件和上下试件接触面积的影响:中间试件相同时,上下试件接触面积越大,组合体强度越小;组合体中弹性模量小的软弱岩层是能量积聚的主要载体;组合体组分之间硬度差别越大,冲击能量指数越大,冲击倾向性越强。     

循环扰动荷载作用下花岗岩损伤及破裂特性研究

岩体的稳定性是深部岩、矿开采过程中重需关注的安全问题,而动力扰动是影响岩体稳定性的重要因素。以双江口水电站深部岩石(花岗岩)为研究对象,对花岗岩进行了室内动静组合加载下的单轴压缩试验,并对岩石破坏后的碎屑粒径、分形维数以及岩石加载过程中的损伤演化进行了分析。得到以下结论:1)随着扰动应力幅值的增大,岩石的碎屑分布越趋于均匀;2)岩石在扰动荷载作用下的碎屑粒径分布满足分形规律,可以用分形维数来表征岩石的破碎程度,且分形维数F与扰动幅值Δσ表现出良好的线性关系,即随着扰动幅值增加,分形维数增大,破碎程度加深;3)扰动荷载作用下,损伤变量呈增大-平稳-增大的变化趋势,且扰动幅值Δσ的大小对岩石平稳区段的循环次数和损伤变化速率存在显著影响。     

缝合线分形特征及其对石灰岩强度的影响

为研究缝合线分形特征及其对石灰岩强度的影响,基于数字图像处理技术,采用功率谱密度方法和数字图像盒维数方法分析水平缝合线和垂直缝合线的分形维数,通过实验和数值模拟研究缝合线对石灰岩强度的影响和石灰岩内部裂纹演化过程.研究结果表明:采用两种分形分析方法得出缝合线分形维数介于1和2之间,表明缝合线是自然界一种自仿射分形构造,且垂直缝合线的粗糙度较大.缝合线平均弱化石灰岩强度约20%,不同倾角缝合线石灰岩强度没有明显的各向异性现象,缝合线对石灰岩弹性模量影响很小.石灰岩失稳破坏过程中,裂纹的萌生发展与缝合线息息相关,缝合线加快了石灰岩的损伤破坏.数值模拟表明缝合线厚度、位置、数量、分形维数等发育因素对石灰岩的强度有着显著的影响.     

低温岩石冲击破碎分形特征与断口形貌分析

通过霍普金森压杆（SHPB）动态冲击试验，研究负温状态下红砂岩的动态力学性能，分析不同负温对岩石强度性能、分形维数及耗散能的影响，并结合微观断口形貌剖析较低负温下岩石动态力学性能劣化的原因.研究表明，较低的负温会使红砂岩出现"冻伤"，在高应变率加载下岩石会迅速丧失承载能力，动态力学强度急剧下降，这与静载实验中岩石强度随温度降低逐渐增大的趋势有着较大的差异；冻结岩石试件的耗散能W_L与分形维数D呈正相关性，且与宏观破坏特征有着密切的联系，即耗散能越大，岩石破碎越严重，相应分形维数也越大，但分形维数与耗散能的增速比存在阈值；断口形貌分析结果显示，较低的负温会使红砂岩内部组成物质间界面处生成大量裂纹，这些裂纹尖端塑性变形能力差，在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏，而胶结物由于组成矿物成分复杂更易受负温影响，因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏，进而引起红砂岩整体破裂.      

泥层厚度与倾角对互层状岩体力学特性影响

互层状岩体在工程中广泛分布,为了研究句容抽水蓄能电站工程区内软弱泥化夹层对工程稳定的影响,利用已有的岩体力学参数标定微观参数,在PFC2D中建立含多层泥化夹层的岩体模型对其破坏规律分析.对不同倾角、不同厚度比例的9组模型进行双轴数值试验.结果表明,互层状岩体强度随软弱泥化夹层厚度比值增加先增大后减小;互层状岩体在轴压增大过程中,软弱夹层多次被破坏,且破坏从软硬交界面处开始;在一定厚度比值下,倾角的增加直接影响了互层岩体的强度,同时也使得轴压较低时软弱泥化夹层破坏次数降低,倾角越大对岩体破坏形式的控制作用越明显.     

冲击荷载作用下软硬互层类岩石力学特性

基于三峡库区砂泥岩互层岩体的实测数据,采用相似材料以分层浇筑的方法制作软硬互层类岩石试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,探究不同冲击速度下,不同厚度比和岩层组合方式岩样的应力波传播特性、力学性能、能量耗散特征及分形特征。研究结果表明：受波阻抗匹配效果影响,透射波率随着硬岩体积占比增大而增大;透射波率越大的岩样,其破碎时的耗散能密度越大;随着冲击速度增大,各岩样透射波率先增大后减小,动态抗压强度呈近线性增长的规律,其破坏程度逐渐加剧;在冲击荷载作用下,强度较大的类砂岩在层间面力作用下易产生沿加载方向的张拉破坏,而强度较小的类泥岩易产生与沿加载方向呈一定倾角的剪切破坏;互层岩石软岩体积占比越大,其碎块分形维数随耗散能密度增加而增加的趋势越缓。对于互层岩体的破岩施工,应选在软岩体积占比多、硬岩在外表层且交界面数量少的位置,并根据软硬岩占比情况,应该选择合适的炸药量或掘进速度,以达到更好的破岩效果。     

井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行0.5和1.0 MPa煤层气渗流压力、0.5和1.0 MPa煤层气恒定压力条件下原煤样全应力-应变过程三轴压缩试验,研究井周煤层气渗流特征及煤层气渗流与恒压对煤岩力学性质的影响。结果表明:煤岩渗透系数和煤层气流量随轴向应变增加先降低,在屈服点减小到最低点后逐渐增大,最后趋于稳定;煤层气恒压下的煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量显著低于相应煤层气渗流压力下的值;恒定煤层气压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量越小;煤层气渗流压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量越小;研究结果可为煤层气欠平衡钻井压力控制、固井及储层改造等设计与施工提供技术支持。     

三轴压缩下不同岩性煤岩体的强度及变形特征

煤矿井下存在多种岩性的煤岩体,其力学强度和变形特征直接影响巷道支护效果。利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,进行了不同围压下砂岩、矸石与煤样的三轴压缩试验,采用莫尔准则诠释了不同岩性的试样破坏角大小不等,通过图形对比和现象分析,得到了围压对3种不同岩性的试样应力、应变曲线及变性特征的影响。结果表明:3种性质的试样三轴压缩过程中都经历了初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,且围压越大,试样初始压密阶段越长;在试验加载的围压范围内,3种性质的试样破坏形式并不相同,且3种不同岩性的试样破坏角大小相差较大,砂岩破坏角最大,煤破坏角最小,3种性质的试样其峰值强度随着围压的增大而增长;3种性质的试样符合Coulomb强度准则,依据莫尔应力圆给出3种试样内聚力和内摩擦角的大小;随着围压的增大,3种性质的试样弹性模量呈增大趋势,且围压对试样弹性模量的影响因试样类型的不同而不同。     

裂隙砂岩破坏过程中的能量耗散与破碎分形特征研究

对不同裂隙倾角的裂隙砂岩试件进行单轴压缩试验,分析了试件变形破裂过程中的应变能演化特征,基于分形理论定量描述了最终破坏后碎屑尺度分布的分形特征,初步探究了能量耗散与破碎分形维数之间的力学机制。研究结果表明：随着裂隙倾角增加,裂隙砂岩试件的抗压强度和耗散应变能均呈现出先减小后增大的变化规律;数据拟合结果表明两者之间存在正相关关系。试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,不同裂隙倾角试件的分形维数介于2.58～2.64;分形维数随裂隙倾角的变化规律与抗压强度类似,两者近似呈线性相关关系。此外,试件的抗压强度越高,破坏时释放的耗散应变能越多,试件破碎程度越严重,所产生的微、细粒碎屑占比增大,导致分形维数变大;数据拟合结果表明耗散应变能和分形维数之间具有线性正相关关系。     

冻融裂隙砂岩三轴压缩破坏特征宏细观试验研究

裂隙岩体在冻融作用影响下在其内部产生损伤,为研究不同裂隙砂岩冻融作用下的力学特性、破坏模式及细观孔隙结构,采用三轴压缩试验和核磁共振试验开展冻融裂隙砂岩三轴压缩的宏细观损伤破坏规律的研究。结果表明：冻融后砂岩的峰值强度、弹性模量降低,泊松比呈倒“V”形,峰值强度随着裂隙倾角的增大呈现出逐步递减的趋势,裂隙倾角为90°时为最不利情况;破坏后岩样内部中孔升高,大孔大幅提升,宏观上表现为砂岩在三轴压缩过程中出现明显裂缝,且裂隙砂岩在冻融作用后的破坏模式趋于复杂;核磁共振谱面积随裂隙倾角的增大而增大,破坏后谱面积进一步增大,T₂谱出现新的第三峰,大孔隙占比增大。冻融作用下寒区裂隙岩体的宏细观破坏规律的研究对寒区岩体工程稳定性评价具有重要意义。     

强度比对类复合岩样冲击破碎特征的影响

为了保证复合地层中施工效率及工程安全,揭示动荷载作用下复合岩层的力学特征,通过分离式霍普金森压杆对三种不同强度比的类复合岩样进行动态巴西劈裂试验,基于破碎分形理论,探究强度比、应变率、入射角对类复合岩样的破碎程度及能耗特性的影响。试验结果表明：1）层理面倾角对类复合岩样破碎形态有较大影响,当应变率为146.36 s-1时,沿层理面加载试样易发生劈裂拉伸破坏,且强度比越低试样破坏所需吸收的能量越少;2）当入射角为0°时,类复合岩样分形维数随着强度比的增大而增大,但当入射角为90°时AC复合岩样（强度比为1.5）分形维数最大;3）类复合岩样吸收的能量主要用于裂纹扩展,单位体积内试样吸收的能量越大,试样越破碎,即类复合岩样分形维数与能耗密度呈正相关。     

裂隙对含孔洞砂岩力学及损伤演化特征的影响

为研究裂隙对含孔洞岩体力学及损伤演化特征影响,利用颗粒流模拟程序,对存在不同裂隙形态的含孔洞岩样在单轴压缩下的力学性质进行数值试验研究,分析岩样破裂与力学特征随裂隙形态的变化情况,对其损伤演化特性进行探讨。研究结果表明:裂隙的存在会改变原有含孔洞岩样沿孔洞贯通的破坏模式,大多数岩样会形成贯通裂隙的主破裂带;但当裂隙存在于距原主破裂带较远,且倾角较大或长度较小时,岩样依沿孔洞形成主破裂带;岩样的峰值应力随裂隙距孔洞距离或裂隙倾角的增大而增大,随裂隙长度的增大逐渐减小;含孔洞岩样周边存在距孔洞距离越远,长度越大的裂隙,在相同应变下损伤越小;含孔洞岩样的损伤修正系数取值为0.77～0.90。     

三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性

在MTS815.02岩石力学试验系统上进行了煤的单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作用下全应力应变试验及声发射检测.结果表明:煤的三轴强度、残余强度随围压增高而增大,随孔隙水压增高而降低;在低围压试验范围内,煤的弹性模量不随围压变化.煤在不同试验条件下呈现的声发射特征有显著差异性:单轴试验时各个阶段均有声发射事件产生,三轴及孔隙水试验条件下煤样屈服之前声发射事件较少,而屈服之后声发射趋于活跃;单轴试验时煤的声发射能量最大,随孔隙水压增大,煤样变形过程释放的声发射能量逐渐减小.