孔隙水压作用下主井砂岩变形强度特性研究

以湖北祥云磷矿矿区含水层的砂岩为研究对象，开展了水-力耦合试验，探讨围压和孔隙水压对岩石变形特性和强度特性的影响。研究结果表明：水-力耦合作用下砂岩试件的应力-应变曲线的发展趋势基本一致，其轴向应变-应力曲线均经历了原生裂隙压缩闭合阶段、线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹不稳定发展阶段和峰后残余阶段等5个阶段；试件的峰值轴向应变与孔隙水压呈负相关，与围压呈正相关，而峰值环向应变和体积应变随着孔隙水压的增大而上下波动；砂岩的峰值偏应力、残余偏应力、起始扩容偏应力与孔隙水压呈线性正相关关系，而与围压呈现负相关。研究成果展现了地下水对祥云磷矿砂岩力学性能的影响规律和影响程度，可为该矿区砂岩的稳定性分析提供参考。     

裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性及破坏模式的影响

天然岩体常常包含不连续体，比如孔隙、裂隙、断裂以及其他缺陷等，这些缺陷的存在将导致岩体力学强度产生较大的劣化作用。为了研究不同裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性、裂纹扩展演化及断裂机制的影响，基于室内砂岩力学参数测试结果，借助颗粒流平行黏结模型对预制裂隙试样进行一系列的模拟研究。结果表明：当裂隙倾角恒定时，随着岩桥角度的增加，砂岩峰值应力与峰值应变呈现出先降低后增加的趋势；当岩桥角度恒定时，峰值应力与峰值应变随着裂隙倾角的增加而增加。初始裂纹从预制裂隙尖端萌生，起裂应力水平为 0.68σ _c；累积微裂纹数呈指数函数形式增加；试样破坏形式主要有拉伸破坏、剪切破坏及拉剪混合破坏；岩桥贯通模式主要有间接贯通和直接贯通两类。     

饱水孔道砂岩力学特性试验

针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩,利用MTS815试验机进行不同围压下三轴压缩试验,利用RMT-150C试验机进行单轴压缩试验,结果表明:(1)单轴压缩条件下,岩样的全应力-应变曲线明显分为4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至裂隙发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后破坏阶段.(2)单轴压缩条件下峰后应力-应变曲线表现出悬崖式下降趋势的特征;三轴压缩条件下无明显的压密阶段,峰后应力-应变曲线表现出由弹脆性向弹塑性转化趋势的特征.(3)随着围压的增大,除泊松比表现出减小的趋势之外,其余力学参数均有增大的趋势,对峰值强度和峰值应变的影响最为显著,峰值应变逐渐增大,岩样的塑性不断增加,表现出延性破坏的特征.(4)单轴压缩条件下岩样主要以X型裂纹的剪切破裂为主,单一斜平面的剪切破裂为辅;三轴压缩条件下岩样主要以单一裂纹的剪切破裂为主.     

不同加载速率下砂岩的单轴压缩试验力学特性及能量演化规律

从能量的角度出发，通过单轴压缩试验和单轴分级加卸载试验分析了砂岩在破坏过程中能量积聚和耗散的特点，并定量分析了弹性能和耗散能之间的关系。研究结果表明：( 1 ) 不同试验条件下，砂岩试样都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段4个阶段，随着加载速率的增加，弹性模量和峰值强度也呈现增加的趋势；( 2 ) 砂岩试样在各个阶段内都存在弹性能和耗散能，整体随加载速率的增加呈非线性增长的关系，弹性能和耗散能相互抑制的阈值为20 MPa，20 MPa之前，弹性能对耗散能抑制作用明显，20 MPa之后，耗散能对弹性能抑制作用显著；( 3 ) 单轴分级加卸载试验下，试样因疲劳损伤和裂纹界面摩擦产生的塑性变形对弹性能无影响，表现为加卸载曲线的逐渐右移，吻合单轴压缩试验对应弹性能的同时，证明了本研究方法的合理性。     

不同粒度弱胶结砂岩单轴加载下声发射特性试验研究

对不同粒度的弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究。根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了加载全过程中的应力、AE振铃计数、AE幅值以及AE绝对能量随时间的变化规律。研究表明:弱胶结砂岩随着颗粒粒度的减小,峰值强度增加。在单轴加载过程中,弱胶结砂岩AE振铃计数和AE绝对能量以数量级增加。不同粒度的弱胶结砂岩在初期压密阶段,AE振幅均较低;随着应力的增加,AE振幅不断增加。AE幅值在小于40dB的区间内,占比最高;在40～50dB区间内,占比次之,而这2个区间的AE幅值占比之和达到90%左右。说明不同粒度的弱胶结砂岩在单轴压缩破坏过程中,以小尺度裂纹扩展为主;最后裂纹贯通,完全破坏。     

高强度红砂岩峰后分级加载蠕变及强度特征

通过RLW-2000型伺服流变仪,对一组红砂岩8个试样进行峰后分级加载蠕变试验,研究了红砂岩峰后蠕变基本特性,确定了试样峰后蠕变破坏强度与卸载峰值强度、瞬时强度的关系,分析了蠕变试验曲线与理论曲线内在机制,探讨了试样峰后蠕变破坏的基本形态。结果表明:随着应力水平提高,峰后红砂岩试样瞬时应变呈近线性增加趋势;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度的增加,瞬时应变呈微小增加趋势;随着应力水平提高,试样蠕变应变表现为减小-平稳-增加-急速增加的S曲线增加趋势,最后一级应力水平下,试样呈非衰减蠕变,蠕变应变加速明显;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度增加,蠕变应变呈轻微减小趋势;试样峰后蠕变破坏强度分别达到卸载峰值强度与瞬时强度的84.00%与79.92%,卸载峰值强度是瞬时强度的95.27%;伯格斯流变模型能较好地表征蠕变试验曲线,高蠕变应力水平下蠕变试验曲线与理论曲线相关性大于低蠕变应力水平;试样破坏形态表现为压剪破坏主控面与无规则弱化区的复合,蠕变破坏强度越小,主控面角度与弱化区范围越大,而卸载峰值越大,主控面越明显。     

高饱和度下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性试验研究

为了解含瓦斯水合物煤体的力学特性,利用自主研发的低温高压水合固化反应-三轴压缩一体化装置,开展了2种高饱和度条件下含瓦斯水合物煤体的三轴压缩试验。结果表明:1)含瓦斯水合物煤体的应力-应变曲线均呈软化型,分为峰前线弹性阶段和强化段、峰后应力软化段和残余变形段四个阶段;2)含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度随饱和度增加而增大,且随围压增加而线性增加;3)饱和度相同时,含瓦斯水合物煤体在初始屈服点、峰值强度点和残余强度的内摩擦角变化不大,而黏聚力则出现先增大后减小的趋势;4)含瓦斯水合物煤体呈现拉剪破坏以及单面剪切破坏2种破坏模式。     

含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

循环冲击作用下砂岩动力学特性及能量耗散特征研究

以巷道围岩施工过程中受到多次动荷载扰动而变形失稳为背景,利用分离式霍普金森斯压杆对砂岩开展5种冲击气压下的循环冲击试验,探究循环冲击作用下砂岩动力学特性及能量耗散特征。试验结果表明:在较大冲击气压作用下,峰值应力随着冲击次数的增加呈线性下降趋势,峰值应变和平均应变率则随着冲击次数的增加呈线性增长趋势;而在较小冲击气压作用下,随着冲击次数的增加,峰值应力先缓慢下降然后陡降,峰值应变和平均应变率则先缓慢增加然后陡增;随着冲击次数的增加,试件裂纹不断萌生扩展,试件主要呈劈裂破坏,单位体积吸收能表现为两阶段变化趋势,累计比能量吸收能不断增加。     

采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制

工作面采动应力场诱发煤体初始破坏，作为突出发生的必要条件，揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故，构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用PFC3D离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟，揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律，阐明了采动煤体裂纹动态演变行为，并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化，其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程，煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式，且随卸载速率增加，煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载，单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行，且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下，煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现，呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性-突增阶段）、裂纹扩展（渐进性-慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性-慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学...     

冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积吸收能随冲击次数增加呈先缓慢增加后突然增加的趋势;在循环冲击荷载作用下,砂岩试样吸收能量的能力增强,随着冲击次数的不断增加,试样内部微裂纹分布增多且扩展速度加快,主要发生受拉破坏,沿轴向加载方向产生贯穿于砂岩试样的环状破坏面。     

煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

通过煤岩力学试验研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。研究结果表明：煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形;在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象的煤样,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积应变由压缩转为膨胀,煤岩渗透率先是缓慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。在全应力-应变过程中应变软化现象不明显或者具有应变硬化现象的煤样,煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生峰值前的塑性变形阶段,在煤岩峰值强度后的应变硬化阶段,随着煤岩应力的增大,煤岩渗透率减小,峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前。     

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈"线弹性"增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出"跃进"特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现"回弹"现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。     

矸石充填体受压裂纹扩展规律及声发射特性研究

为研究矿井矸石充填体内外破坏形式以及裂纹演化规律,利用PCI-2型声发射测试仪和压力试验机等仪器,分析不同水灰比、胶凝材料条件下,矸石充填体的强度、AE信号以及裂纹演化规律。结果表明：矸石充填体3d强度最小为3.6MPa,满足充填要求,水灰比的增加使得矸石试件的应变曲线斜率减小,提升了试件的抗变形能力|应力最大时,AE活动最为剧烈,试件裂纹上下贯通,呈张拉破坏|矸石充填体裂纹演化分为：闭合压密阶段、线弹性变形阶段、不稳定延伸阶段、峰后变形阶段。闭合压密阶段与线弹性变形阶段内,试件AE信号较弱|不稳定阶段矸石试件AE活动剧烈,内部颗粒碰撞明显|峰后变形量大,AE活动骤减。     

轴向动荷载作用下煤系石灰岩损伤特性研究

为降低在巷道支护、掘进的过程中，工程扰动、爆破等活动对围岩稳定性的影响，开展煤系石灰岩在不同冲击荷载下的损伤特性研究；使用霍普金森压杆进行不同冲击荷载下的冲击试验，利用LS-DYNA有限元软件模拟石灰岩破碎过程，对破碎后各粒度质量分数、应力-应变曲线、峰值应力-平均应变率曲线及石灰岩破碎过程分析。结果表明：随着冲击荷载增大，峰值应力、平均应变率逐渐增大，试件破碎程度愈发严重，且峰值应力与平均应变率呈近似线性关系；不同冲击荷载下，试件破碎遵循由边缘向中心扩展、由内部裂隙间挤压破碎向外部发育的规律，其破坏过程分为裂隙闭合阶段、近似弹性阶段、裂隙急速发育阶段和快速卸载阶段；峰值应力、试件破碎程度以及试样破碎能量耗散受应变率影响显著。     

冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制

为探究冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制，采用SHPB装置，开展了砂岩的动态力学测试，研究了砂岩的应力-应变曲线、动态抗压强度、动态弹性模量和单位体积吸收能变化；分析了砂岩的破坏机制，阐明了砂岩的破坏模式及破坏块度变化规律。结果表明：冲击荷载作用下砂岩应力-应变曲线整体呈阶段式发展，依次为线弹性上升阶段、非线性振荡起伏阶段和峰后下降阶段；砂岩的动态抗压强度、单位体积吸收能和动态弹性模量与冲击速度分别呈幂函数、二次函数、二次函数的关系，均具有明显的冲击速度效应；随着冲击载荷增大，砂岩的分形维数增大，破碎程度增加，砂岩的破坏模式由拉伸破坏转向拉-剪耦合型破坏。研究结果可为强动压巷道和采场围岩稳定性控制提供理论依据。     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。     

侧向渗透-轴向承载下煤样破坏及水-力耦合作用机制

煤矿邻空煤柱在采空区水渗透及上覆岩层载荷作用下变形破坏特征复杂。为研究这种侧向渗透-轴向承载作用下煤柱的变形特征，通过用于圆柱形试件渗透实验的单侧水压加载装置，进行不同侧向渗透压力下的煤样压缩试验，研究煤样的破坏特征与渗透特性。结果表明：煤样破坏总体上呈非对称形态，煤样在侧向渗透-轴向承载下的变形破坏可分为压密、弹性、裂隙稳定扩展、非稳定扩展、峰后破坏5个阶段；随着侧水压力不断增大，煤样峰值强度逐渐下降，裂隙稳定扩展阶段对应的轴向应变减小，使得水能在较小轴向应变下进入煤样内部空隙中，导致煤样脆性增加，加速煤样的破坏。     

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。     

基于含组合缺陷砂岩的单轴压缩离散元分析

运用离散元软件PFC2D对含有圆孔裂隙组合缺陷的砂岩进行单轴压缩数值模拟,分析不同裂隙倾角时砂岩的强度特征、破坏特征以及裂纹扩展过程。结果表明:岩石试样破坏经历了裂隙的压密、微裂纹的萌生和扩展及最终的破坏几个阶段;当应力增大到一定程度之后,颗粒之间黏结断裂,微裂纹不断产生、汇集和贯通,最终形成宏观裂纹,使得试样发生失稳破坏。与完整砂岩试样相比,含圆孔裂隙砂岩试样的力学参数均显著降低,且降低幅度与裂隙倾角相关;随着裂隙倾角的不断增大,试样的峰值强度表现为不断增加的特征。