掘进应力扰动下细砂岩破裂规律及其强度损伤的实验研究

采用数值模拟和实验相结合的方法,以西铭矿回风大巷细砂岩为例,通过FLAC~(3D)精细化模拟,还原了巷道掘进过程中围岩应力加卸载路径,通过声发射探测仪掌握了未经历掘进应力扰动的单轴压缩和经历掘进应力扰动后单轴压缩的砂岩破裂过程声发射信号分布特征,揭示掘进应力扰动作用对岩石强度的削减效应以及对破裂发育的影响规律。结果表明:掘进应力扰动对岩石极限强度存在显著的削减效应,强度削减幅度约为11.43%;掘进应力扰动改变了试件主裂隙发育及扩展方向,单轴加载路径下试件裂隙自下部萌生并上行发育直至形成贯通断裂带,而经历掘进应力路径后试件裂隙亦自下部萌生,但主裂隙起裂位置调整至岩石上部,并下行发育直至试件中形成完全贯通的宏观断裂面。掌握掘进应力扰动作用下围岩破裂初期规律及其后期围岩变形、破坏特征的影响规律,对确定合理的采动围岩支护方法具有重要意义。     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

内置三维裂隙非均匀性岩石渐进破坏数值研究

岩石内部裂隙缺陷对新裂纹的萌生扩展有显著影响,导致岩石强度大幅降低甚至破坏.研究内置缺陷岩石裂纹的萌生、演化与微破裂分布,有助于揭示岩体渐进破坏规律,具有重要的工程意义.采用细观损伤数值方法对单轴压缩下内置裂隙岩石的破坏进行研究,再现不同均质度岩石微破裂萌生、发育、扩展、贯通直至破坏以及整个过程的声发射分布.将数值试验同物理实验比较,结合前人研究进行分析.结果表明,内置三维裂隙岩石裂纹扩展和破坏过程与相应物理实验总体上一致;在较均质岩石中观察到反翼型裂纹,揭示出反翼型裂纹主动偏向翼型裂纹扩展的现象;鱼鳍状裂纹在椭圆裂隙扩展试验中极易出现,并在均质岩石中表现为翼型裂纹与反翼型裂纹以卷曲面形式扩展形成包裹状破裂面;岩石非均匀性对其应力场,强度,声发射和破坏形式有显著影响,均质性差的岩石易沿着内置斜裂隙发生单截面剪切破坏;细观损伤数值方法可以模拟岩石破裂全过程并揭示微破裂空间位移、聚集规律,研究结果可为研究岩石破坏机理的物理实验和理论分析提供借鉴.     

高温下岩石力学性质的数值试验研究

考虑岩石细观组构的不同,采用随机非均匀介质热弹性力学模型和有限元分析方法。进而,仅考虑热膨胀系数为随机介质,在平面应变模型下,并进行了岩石热破裂的数值试验,以花岗岩为样本,对均匀分布、正态分布、韦泊分布等三种随机分布下弹性模量和泊松比引起的岩石破裂门槛温度值的变化作了详细研究,揭示了弹性模量和泊松比对岩石热破裂门槛温度值％的变化规律。     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

双轴加载下成组裂隙参数对类岩石试件力学性质的影响规律

煤矿深部地层岩巷围岩裂隙分布复杂,裂隙参数对岩体力学性能影响较大。为研究深部地层裂隙岩体在掘进扰动条件下的破坏规律与力学性能,制备不同裂隙倾角和长度的成组裂隙类岩石试件,开展模拟煤矿深部巷道掘进扰动的双轴加载试验,研究类岩石试件力学特性及其影响因素。研究结果表明：成组裂隙试件强度受预制裂隙的倾角影响明显,当预制裂隙倾角为30°～45°时,试件的起裂应力和峰值应力为最小值,当裂隙倾角为90°时,试件的起裂应力和峰值应力最大。在双轴固定比例加载的条件下,裂隙倾角和长度均会对试件的强度产生影响,其中裂隙倾角对试件强度的影响最为明显,裂隙长度的影响较小。     

单轴压缩荷载下红砂岩不同张开度三维通透裂隙扩展机理研究

采用自制的模具在圆柱体红砂岩标准试件上分别加工了不同张开度的通透裂隙,通过单轴压缩试验和数值模拟的方法,系统分析了不同张开度条件下岩石裂隙的扩展机理。试验结果显示,含裂隙试件的峰值强度、起裂强度以及弹性模量等力学参数随裂隙张开度的增大均呈线性减小的趋势,其中峰值强度的变化幅度较小,而起裂强度与弹性模量受裂隙张开度变化的影响较明显;不同张开度裂隙的初始起裂均在裂尖位置以翼裂纹的形式展开,扩展至峰值状态前后,受张开度的影响出现了明显差异。数值模拟结果显示,加载过程中裂隙尖端拉应力集中区域随裂隙张开度的增大逐渐增大,但始终未到达试件边界,而剪应力集中的范围比较稳定基本不随裂隙张开度的变化而改变。     

循环升温-水冷作用下花岗岩的力学特征与破坏模式

干热岩储层改造过程中高温岩石处于反复升温-水冷状态,其破裂力学特性直接影响储层改造效果。基于室内试验和有限元数值模拟,研究了循环升温-水冷对花岗岩力学特征和破裂模式的影响,探讨了花岗岩的力学性能劣化规律和破裂过程。研究表明：温度对花岗岩力学特性影响显著,升温导致花岗岩强度和弹性模量呈降低趋势,整体塑性增强,而经多次升温-水冷处理后岩石脆性得到一定程度的提高,花岗岩弹性模量变化受升温温度及循环升温-水冷次数共同控制;随温度升高,花岗岩由劈裂-剪切复合破坏转变为剪切破坏,且破裂程度明显提高;当循环次数较低时,温度是影响花岗岩破裂模式的主导因素,伴随循环次数增多,花岗岩内部损伤加剧,在压缩荷载作用下呈现复杂的剪切-劈裂混合破坏模式。     

静力破碎花岗岩电磁辐射分形特征研究

选用球型压头和十字型压头在RMT-150C岩石力学试验机上对花岗岩分别进行不同加载速率的岩石破碎实验,采用KBD5电磁辐射数据采集系统对岩石破碎过程中产生的电磁辐射信号进行采集处理,应用分形理论分析电磁辐射脉冲数的分形特征。实验结果分析表明：试件在受载过程中电磁辐射脉冲数与时间具有明显的分形特征,并随加载速率增大电磁辐射信号强度增大,分形维数D也增大,具有正相关性;在相同速率的岩石加载破碎下,十字型压头电磁辐射分形维数D比球型压头的大,与电磁辐射脉冲信号的强度变化呈相同的规律,利用电磁辐射脉冲信号和分形维数D的相同规律可以更全面的反映岩石的真实破裂过程。     

预制裂隙几何参数对类岩材料破坏模式及强度的影响

采用岩石力学伺服试验机,对混凝土材料预制裂纹试件进行单轴压缩试验,根据试验结果分析裂隙参数(裂隙倾角和岩桥倾角)对试件破坏模式和试件单轴抗压强度的影响规律。研究结果表明,当以岩桥倾角分组时,60°岩桥倾角试件组单轴抗压强度最小;当以裂隙倾角分组时,75°裂隙倾角试件组单轴抗压强度最大。裂隙参数变化对于试件的破坏模式及其单轴抗压强度影响显著,并且不同破坏模式中起主要影响作用的参数不同。对于预制裂隙贯通破坏的试件,其微裂纹的搭接贯通模式及试件的单轴抗压强度主要受岩桥倾角影响;对于单裂隙微裂纹贯通破坏和无微裂纹发育的整体脆性破坏的试件,其破坏模式及单轴抗压强度则主要受到裂隙倾角的影响。     

超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究

为提高深层干热岩破碎效率,以干热岩地层常见岩性-花岗岩为研究对象,提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性,主要采用数值模拟和理论计算等研究方法,建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型,探究了硬质花岗岩在温度-压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现：在单轴径向压缩载荷下,高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动,岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小,导致裂纹越容易扩展。温度越高,岩石损伤越明显,其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律,可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。     

基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验

基于声发射定位技术和矩张量分析方法,对在单轴加载条件下岩石破裂过程中的裂纹破裂机制及时空分布特征进行试验研究.借助CAD软件展示不同破裂机制的声发射事件,直观反映裂纹破裂类型.研究结果表明:单轴压缩加载试验中,花岗岩试样破裂以剪破坏为主,但岩石微裂纹的破裂类型所占比例并不固定,岩石内部微裂纹破裂类型与岩石材料的力学环境有关;花岗岩作为一种脆性岩石,破裂不符合格里菲斯强度准则认为的脆性材料都是拉伸破坏的基本观点,证明格里菲斯强度准则对于均质度不高的脆性岩石的适用性有一定的局限;花岗岩单轴压缩试验中,试样的破坏类型与其应力水平没有关系,3种类型的声发射事件随应力增大的变化趋势相似.     

花岗岩在微波照射下的损伤研究

基于采用微波能量预先弱化岩石的方法可以有效的降低岩石强度这一理论。本文先通过对花岗岩试件进行一定条件下的微波照射及劈裂试验,再利用ANSYS软件建立简化的二相岩石模型,模拟不同功率密度和照射时间下模型内部的温度分布和应力分布。结果表明：一定功率下,随着微波照射时间的增加,花岗岩试件抗拉强度逐渐降低,降低速度先快后慢,存在一个最佳照射时间范围。而采用高功率密度和短时间的微波照射时,模型内部的温度梯度增大,更易产生较高的温度应力,造成岩石损伤。模拟结果与试结果基本吻合,为微波辅助机械破岩技术提供一定的参考价值。     

微波照射下花岗岩损伤演化规律及本构模型研究

为进一步分析微波破岩机理,对微波照射下硬岩损伤演化规律及其本构行为进行了研究。首先,对岩石进行弹性微元假设,结合微元强度准则和三参数Weibull分布,推导出微波作用后硬岩损伤演化方程和本构模型以及各参数确定公式,然后,采用不同微波功率照射后的花岗岩超声波检测和单轴压缩试验结果对模型进行验证。结果表明,建立的模型理论曲线与试验曲线具有较高的吻合度,能反映出花岗岩破裂的应力应变过程,且模型各参数的物理意义及对模型的影响规律明确,虽然峰后拟合存在一定偏差,但仍可以基本反映岩石经微波照射后的弱化规律。对经微波照射后的岩石本构方程进行深入研究,可为微波照射岩石的相关计算和数值模拟提供一定的参考,有助于促进微波辅助破岩技术的发展。     

基于AE技术和HHT的涤纶机织物拉伸断裂过程研究

为了获取与研究织物拉伸破坏模式的时频特征,通过改变织物组织结构和纬纱密度织造4种不同织物,在常规织物强力仪上利用自主搭建的声发射检测系统,分别采集对应织物拉伸破坏过程中产生的动态声频信息,利用Matlab软件运行基于HHT方法编译的程序对所采集信息进行信号分析与处理。分析结果表明:织物拉伸过程的AE信号曲线与拉伸载荷-位移曲线完全对应,所表征的结构相变化、纱线形变以及纱线断裂3个破坏模式可明显区分;4种织物结构相变化阶段特征频率相同,均为100Hz,且来自同一来源——经纬纱间正交摩擦,与织物组织、密度无关,表现在持续时间、幅值、能量等声发射信号参量上,结构相变化阶段与纱线强力利用系数大小有关。     

水压致裂作用下岩体参数对裂纹扩展影响的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20-Flow,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,创建渗流-应力-损伤耦合模型.模拟分析了不同层理角度及不同岩石强度的非均质层理岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程,描述了这两种岩体参数对拉伸裂缝萌生及扩展的影响趋势.模拟分析结果表明,层理角度和岩石强度对水压致裂作用下层理岩体裂纹扩展模式及岩体稳定性的影响是不可忽略的;随着层理角度的增加,最大主应力及层理弱面分别对压裂裂纹的萌生和扩展起主要控制作用;在同一层理角度条件下,随着岩石强度的减小,层理岩体的稳定性降低,其破裂模式亦产生较大的变化.     

接缝角度和针距对涤棉面料接缝强力指标的影响

选择了3种具有代表性的涤棉面料,采用二次通用旋转组合法设计实验方案,缝制了不同方案下的平缝试样,建立了针距、接缝角度与接缝强力指标的回归方程,分析了各因素对涤棉面料接缝强力指标的影响．实验结果表明：针距越小,面料的接缝断裂强力越大;接缝断裂强力在接缝角度为0°、45°、90°时较大;接缝断裂伸长率和断裂功均在接缝角度为45°左右时出现高峰;平纹的接缝断裂强力比斜纹稍微大点;面料的平方米克重越大,接缝断裂强力也越大．     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

Fractal analysis on the spatial distribution of acoustic emission in the failure process of rock specimens

The spatial distribution of acoustic emission (AE) events in the failure process of several rock specimens was acquired using an advanced AE acquiring and analyzing system. The box counting method (BCM) was employed to calculate the fractal dimension (FD) of AE spatial distribution. There is a similar correlation between the fractal dimension and the load strength for different rock specimens. The fractal dimension presents a decreasing trend with the increase of load strength. For the same kind of specimens, their FD values will decrease to the level below a relatively same value when they reach failure. This value can be regarded as the critical value, which implies that the specimen will reach failure soon. The results reflect that it is possible to correlate the damage of rock with a macroscopic parameter, the FD value of AE signals. Furthermore, the FD value can be also used to forecast the final failure of rock. This conclusion allows identifying or predicting the damage in rock with a great advantage over the classic theory and is very crucial for forecasting rockburst or other dynamic disasters in mines.     

基于应力隔夹层划分的特低渗储层剩余油挖潜——以鄂尔多斯盆地白于山地区延长组储层为例

基于鄂尔多斯盆地白于山地区延长组长4+5特低渗储层压裂缝分布规律性不强、预测难度大的问题, 采用传统工程地质方法与特殊测井、常规测井、沉积微相研究相结合的方法, 通过建立油藏三维空间展布的地层岩石力学模型, 开展随井间储层和应力场变化的全缝长压裂数值模拟, 得到较精确的压裂缝全缝长几何形态参数, 据此认为应力隔夹层将作为一种新的开发地质属性对压裂缝纵向延伸和水驱波及范围起主导控制作用, 并提出开发调整措施。研究结果可为提高低渗储层的开发决策效率、提高剩余油采出程度提供科学依据。