真三轴岩爆试验下三类岩石力学特性及声发射特性研究

为研究同一矿山环境下不同岩性岩石的岩爆发生发展规律,利用真三轴试验系统和声发射监测系统对大理岩、花岗岩、矽卡岩进行应变型岩爆模拟,并对三类岩石的力学特性和声发射特征参数进行分析.研究结果表明：三类岩石的三轴抗压强度从高到低依次为矽卡岩、花岗岩、大理岩.三类岩石在岩爆模拟过程中均可划分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段、裂隙不稳定扩展阶段、岩爆后阶段.三类岩石在孔隙压密阶段的声发射特征参数均表现为累计振铃计数和累计绝对能量小幅增长、b值轻微波动,说明此阶段三类岩石内部产生的裂纹均较少.大理岩与矽卡岩均在裂隙不稳定扩展阶段开始出现累计振铃计数和累计绝对能量的大幅增长以及b值的剧烈波动,花岗岩则从弹性变形阶段就开始出现这些变化,说明花岗岩内部破裂的发生时间更早.在破坏形式上,大理岩与矽卡岩的张拉破坏占比更大,花岗岩则发生张剪混合破坏.     

煤岩三轴压缩损伤破坏声发射特征

在对MTS815岩石伺服试验系统通讯传输接口进行改造的基础上,实现了将检波器置于三轴室内的三轴压缩声发射试验,克服了检波器置于三轴室外壁无法监测到全面可靠声发射信号的弊端.煤岩三轴压缩声发射试验结果表明,与单轴压缩相比,围压增强了煤岩的整体性及刚度,使压密阶段声发射活动明显减弱.声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍滞后于煤岩宏观破坏时刻,说明围压不但提高了其峰值强度,而且由于围压使煤岩内部裂隙的错动滑移受到抑制,提高了其峰后承载能力.振幅反映声发射的强度,三轴压缩条件下,轴向加载初期声发射振幅较小,宏观破裂前后出现大量高振幅声发射事件,残余塑性阶段仍然有较多振幅较大的声发射事件产生.声发射撞击计数率表征裂纹扩展的次数及速率,三轴压缩声发射撞击计数试验结果表明,弹塑性阶段是煤岩裂隙萌生扩展的主要阶段.岩石三轴压缩破坏声发射特征对于深刻理解矿山井下岩体破坏机理及采用微震监测技术预防相关动力灾害事故具有重要的理论及实际指导意义.     

花岗岩真三轴加载破坏前兆信息

岩体开挖卸荷导致内部扰动和应力重分布,极易发生突发性失稳破坏。对不同中间主应力下的花岗岩试件进行真三轴加载试验。试验过程中采用高速摄像机、声发射、红外热像仪全程观测,研究岩石加载破坏过程中红外热像演化特、临空面温度变化特征、声发射振铃计数率变化特征、岩石表面裂纹发育,研究岩石破坏前各类监测数据的异常反应。研究表明:热像异常演化对岩石未来表面破裂有指导作用,未来裂纹扩展区域与热像异常出现位置相一致;岩石破坏前临空面上温度会出现异常,一般表现为温度曲线转折性变化和温度跳跃式升高;声发射振铃计数率会在试件失稳破坏前出现密集性增高现象。这些异常现象作为前兆信息为岩石破坏提供预警,研究结果为岩体开挖卸荷后工程灾害预警与防治提供理论参考。     

三轴压缩与干湿循环作用下灰岩的力学试验研究

南京地铁6号线万寿村站至燕尧路站区间深部主要为灰岩,盾构隧洞贯通后,深部岩体对隧洞维护起至关重要的作用,为了对该地铁深部稳定性提供理论指导,利用MTS815试验机对灰岩在经历干湿循环后进行了常规三轴压缩试验,研究了灰岩在不同次数干湿循环作用下和不同围压下的力学特性,结果表明:(1)受干湿循环作用前后试件的应力—应变曲线...     

真三轴状态下盘形滚刀破岩特性

为揭示真三轴状态下盘形滚刀的破岩特性,基于Drucker-Prager强度理论和CSM刀岩接触模型,借助表征中间主应力相对大小的系数β,建立了滚刀破岩理论模型和仿真分析模型,并利用仿真模型研究高地应力条件下岩石的破碎特征和滚刀受力特性.研究结果表明:岩石损伤破碎后,垂直力极值显著下降,滚动力和侧向力的波动区间变化不大,侧向力始终较小但方向不断变化,造成了刀具的振动与偏磨;随着中主应力效应的增强,破碎单元数量呈指数型减少,最大垂直力、滚动力和侧向力均呈指数型增加,其中侧向力的增加幅度最小;随着贯入度的增大,破碎单元数量和各向破岩力均增大,且增加幅度也越来越大,其中侧向力的增幅最大;现场实测值、理论计算值和仿真值三者之间的相对误差较小,验证了理论模型和仿真模型的可靠性.     

三轴压缩下红砂岩峰后蠕变力学特性试验

为研究岩石峰后蠕变力学特性,利用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,对红砂岩进行三轴压缩下峰后蠕变试验.分析了红砂岩峰后蠕变特征,估算了红砂岩峰后长期强度,采用改进的西原模型对峰后蠕变特性进行了描述,确定了模型参数.结果表明:红砂岩峰后蠕变破坏应力下并不直接进入加速蠕变阶段,而是由等速蠕变阶段逐渐向加速蠕变阶段转化.红砂岩峰后蠕变变形主要集中于加速蠕变阶段,加速蠕变阶段短时间内蠕变的剧烈变形是岩石失稳破坏的重要原因.随着荷载的加大,岩样的破坏形态由单一的剪切破坏与裂纹扩展等破坏形式逐渐向多剪切破坏演化,破坏块体增多,岩样更加破碎.本次试验红砂岩峰后长期强度仅为其峰值强度的42.56%,长期强度折减量较大.红砂岩峰后蠕变特性可用改进的西原模型进行描述,各级应力水平下模型曲线与试验曲线拟合较好.研究结果为深部工程围岩峰后流变力学特性研究提供了一定的参考意义.     

三维隐伏溶洞对临近隧道围岩破坏特征的影响：真三轴试验与数值模拟研究

地质体中的溶洞经常导致地下工程围岩呈现不稳定状态甚至出现剧烈破坏现象。针对贵州紫金部分矿井巷道围岩存在溶洞这一典型工况,利用简化的类岩石试样开展真三轴压缩试验,结合声发射和内窥摄像头监测围岩的变形和次生破坏行为。研究表明：1) 溶洞将导致试样Z轴峰值荷载降低约25 %,次生破坏的出现时间更早,且主导性破坏更加集中地出现在峰值应力时段。2) 位于隧道右上侧的溶洞导致隧道右侧围岩呈现一种新的板状破坏,即破坏由隧道-溶洞的中间岩柱起始、沿隧道右侧壁表层围岩纵向发展、并最终形成岩块向内移动,该类型破坏的起始位置和岩块厚度与典型板裂破坏明显不同。3) 压缩型应力和剪切破坏在隧道围岩的板裂破坏过程中占据主导地位,且由于三维溶洞位于隧道右上方,其对隧道下方和左侧围岩的影响相对较小。4) 球形溶洞导致其与隧道之间的岩体内出现更为密集的次生拉伸和剪切裂纹,即该区域内岩体破坏程度明显高于其他位置。     

充填体–围岩组合体三轴力学行为数值模拟试验分析

分析充填体与围岩相互作用机理是地下矿山充填采场稳定性评价关键。以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩协同考虑,概化出了充填体-围岩组合体实验室尺度模型,基于RFPA3D构建了具有一个粗糙接触面、两种灰砂配比、四个接触面倾角和三种围压的充填体-围岩组合体三轴压缩试验数值分析模型,系统分析了组合体的三轴应力应变曲线、强度、破坏模式、破坏过程与声发射演化规律,并通过组合体静力学分析模型和文献对比方法验证了结果的可靠性。研究结果表明,充填体-围岩组合体在三轴压缩下的变形、强度特征和破坏模式与接触面倾角、围岩和灰砂配比有关联关系;应力-应变曲线可分为压实、弹性、屈服、应变软化和残余应力五个阶段,不同阶段的声发射特征变化明显;充填体-围岩组合体三轴抗压强度随围压的增加呈线性增加;当接触面倾角为45°和60°时,组合体破坏发生在接触面和充填体区域。当接触面倾角为75°和90°时,充填体、接触面和围岩区域均有破坏。研究结论可为地下充填采场的稳定性分析提供理论依据。     

不同卸围压速率下三轴压缩细粒花岗岩力学特性

为了得到不同卸荷速率对于细粒花岗岩的卸荷力学性能的影响规律。采用恒轴压卸围压的试验方式进行室内三轴卸荷试验研究。试验设定卸荷速率分别为0.01 MPa*s^-1、0.02 MPa*s^-1、0.03 MPa*s^-1、0.04 MPa*s^-1、0.06 MPa*s^-1。最终试验结果表明：(1)卸荷速率对岩样环向变形比轴向变形影响大,当卸荷速率达到0.04 MPa*s^-1后,岩样的环向变形更加明显且呈现一定的应变软化特征。(2)应变—卸围压柔量随着卸荷速率的增加而增大,表明卸荷速率的增加对岩样的变形具有促进作用。当卸荷量达到30 MPa时,岩样的环向变形及体积应变—卸围压柔量明显增大,且卸荷速率越快增加越明显。(3)岩样的卸荷破坏形式以剪切破坏为主,随着卸荷速率的增加,岩样破坏的主裂缝与水平线的夹角有所减少,岩样的鼓胀现象明显,表明在卸荷速率较快的情况下,会使岩样产生较为明显的侧向变形。     

西秦岭李坝金矿蚀变岩的地质地球化学特征

李坝浊积岩型金矿床赋存于西秦岭北带中泥盆统李坝群浊积岩建造中 ,赋矿围岩蚀变主要为黑云母化、绿泥石化、绢云母化、硅化和碳酸盐化 ,且蚀变分带明显。通过对该矿床各种蚀变岩的常量元素、微量元素及稀土元素的地球化学特征研究 ,探讨了元素在碱交代 K交代及酸交代过程中的地球化学行为。结果表明 ,Si O2 含量 ,Fe2 O3 含量 ,L REE/ HREE,Σ L REE,(L a/ L u) cn,(L a/ Sm) cn,(Tb/ Yb) cn及微量元素的含量等随着 K交代作用强度的增强 ,显示出规律性的变化。最后讨论了 K交代作用及酸交代作用与金矿化之间的关系。     

单轴压缩作用下CFST柱的声发射特征

通过对不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土(CFST)柱进行单轴压缩声发射试验,对比分析了各试件破坏全过程的声发射信号特征.试验结果表明:试件的整个破坏过程可分为弹性段、弹塑性段、强化段和失效段四个阶段,声发射特征参数变化与试件破坏过程表现出较好的对应关系.声发射累积能量和累积撞击数均随荷载的增加而稳步增加;b值经历了缓慢上升、平稳波动、迅速下降的变化,反映了试件内部裂纹的逐步扩展情况;通过对声发射RA值、AF值分析可知,钢管混凝土柱的破坏过程既产生拉伸型裂纹又产生剪切型裂纹,随着荷载的增大,破坏中剪切型裂纹所占比例逐渐增多.研究表明声发射技术可以有效监测轴压下钢管混凝土柱的损伤状态.     

力学性能对矿柱体系破坏影响的三维数值分析

在深部高应力等复杂地质条件下开采时,由多个矿柱构成的矿柱体系的稳定性对矿山安全生产至关重要.利用RFPA^3D-Parallel程序,研究了单轴抗压强度对串行和并行矿柱体系破裂过程的影响.结果表明,串行矿柱中强度较弱部分的失稳决定整个体系的稳定,对该段加固和监测有助于体系的稳定性控制;对并行布设的矿柱体系,其压力传递与柱的抗压强度密切相关,较弱柱先破坏,应力依次向强度较高的柱转移,直到矿柱系统失稳;可将声发射数的多峰现象或声发射累积增长阶梯型弧段作为矿柱体系中弱柱失稳破裂、应力向相邻强柱转移的依据.     

岩石张拉及剪切破裂声发射震源机制分析

选取花岗岩,开展三点弯曲和剪切加载条件下声发射试验,采用单纯形算法与矩张量理论分析了不同破裂类型微裂纹的时空分布特征.研究结果表明:在加载过程中,三点弯曲试样总体上以张拉型破裂为主,岩石最终破坏时,张拉型裂纹所占比例超过50%;剪切试样以剪切型破裂为主,最终剪切型裂纹所占比例超过60%.声发射事件的群集区域和矩张量分析结果与最终的岩石破裂结果相一致,说明矩张量理论能够定量描述岩石在加载过程中张拉应力、剪切应力的分布和迁移规律,这为岩石破裂过程中微裂纹的相互作用和贯通机制提供了良好的分析手段.     

基于声发射技术的单轴受压混凝土损伤细观研究

为了从细观角度了解不同强度等级,以及不同碳化龄期的混凝土的损伤演化特征,对强度等级分别为C20、C30、C40以及碳化龄期分别为0、28、56、77、90 d的混凝土棱柱体试件进行了单轴受压试验;并利用声发射(AE)技术对试验全过程进行了动态监测,获得了表征混凝土损伤演化过程的典型声发射事件累积计数(burst line cumulate,BLC)曲线;以及声发射事件数-相对应力水平关联曲线.结果显示:①BLC曲线的三个部分分别反映出材料损伤演化过程的三个阶段,曲线的两个转折点分别对应混凝土材料内部的起裂点和失稳点;②在低应力时,不同强度等级以及不同碳化龄期的混凝土试件的声发射特征没有明显区别;随着应力的增加,高强度等级和碳化龄期长的混凝土试件的声发射事件数增长较快,并且声发射活性急剧增加点明显前移.     

短纤维增强脆性基复合材料破坏过程和力学性能研究

 研究短纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能和破裂机理。采用基于细观损伤力学基础上开发的针对材料破坏过程的数值分析软件,考虑材料细观非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,加入短纤维后,材料试件的强度和韧性都比基体材料显著提高。短纤维强度的变化对复合材料试件的强度和刚度没有明显影响;而短纤维弹性模量的变化对复合材料试件的强度、刚度和韧性均影响明显,随着短纤维弹性模量的增加,复合材料试件的强度和刚度不断增加,但韧性却逐步降低。     

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.     

Structure instability forecasting and analysis of giant rock pillars in steeply dipping thick coal seams

Structure stability analysis of rock masses is essential for forecasting catastrophic structure failure in coal seam mining. Steeply dipping thick coal seams (SDTCS) are common in the Urumqi coalfield, and some dynamical hazards such as roof collapse and min-ing-induced seismicity occur frequently in the coal mines. The cause of these events is mainly structure instability in giant rock pillars sand-wiched between SDTCS. Developing methods to predict these events is important for safe mining in such a complex environment. This study focuses on understanding the structural mechanics model of a giant rock pillar and presents a viewpoint of the stability of a trend sphenoid fractured beam (TSFB). Some stability index parameters such as failure surface dips were measured, and most dips were observed to be between 46° and 51°. We used a digital panoramic borehole monitoring system to measure the TSFB’s height (ΔH), which varied from 56.37 to 60.50 m. Next, FLAC3D was used to model the distribution and evolution of vertical displacement in the giant rock pillars;the re-sults confirmed the existence of a TSFB structure. Finally, we investigated the acoustic emission (AE) energy accumulation rate and ob-served that the rate commonly ranged from 20 to 40 kJ/min. The AE energy accumulation rate could be used to anticipate impeding seismic events related to structure failure. The results presented provide a useful approach for forecasting catastrophic events related to structure in-stability and for developing hazard prevention technology for mining in SDTCS.     

砂岩单轴循环加卸载过程中声发射信号特征与时空演化规律

为深入研究循环荷载作用下岩石内部微裂纹萌生、发展及贯通的时空演化规律,以砂岩为研究对象,开展了砂岩在单轴循环加卸载下的声发射试验。结果表明:借助不同方向的波速测试,可获得声波在岩石中的传播速度,为声发射定位提供合理的波速参数;通过合理布置传感器的位置,可准确定位破裂面的空间位置;加卸载过程中声发射事件数和能量呈现台阶状上升,表明声发射具有记忆效应;通过声发射事件空间定位与破坏岩样的对比,验证了两者的位置基本一致,表明声发射可有效获得岩石内部微裂纹发展的全过程。