方钢管混凝土拱架套管节点压弯试验研究

为掌握钢管混凝土拱架套管节点压弯力学特性,考虑核心混凝土强度等级、套管长度、套管壁厚、套管间隙4个影响因素,设计了正交试验方案。采用ABAQUS开展了数值试验,并通过室内试验进行了验证;分析了套管节点偏压作用下的运动及受力变形模式;得到了套管试件的Mu-Nu曲线,拟合了试件的压弯承载力表达式;对极限承载力的正交分析发现,核心混凝土强度、套管长度分别是影响试件轴压承载力和抗弯承载力的主要因素,其他因素的影响很小;套管节点的存在使试件的轴压承载力降低30%左右,也使试件的抗压弯综合能力降低,且套管越短,降低越明显。     

裂隙数量对低强度岩体力学特性及破坏模式影响的试验研究

采用MTS815电液伺服控制试验机对不同裂隙数量条件下的低强度岩体试件进行常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了每种类型裂隙试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。研究结果表明:①裂隙数量可使试件应力-应变曲线的峰后破坏阶段由快速下跌转变为台阶式下跌,最后变为水平延伸式缓慢下跌,呈近似塑性流动变形破坏;②受结构效应的影响,试件峰值强度只在水平和倾斜裂隙条件下才随裂隙数量的增加呈明显减小趋势;③裂隙数量对不同裂隙倾角条件下试件的变形特征均有较大影响;④裂隙数量对倾斜和垂直裂隙试件破坏模式的影响要比水平裂隙试件的明显,但影响规律不明确。     

裂隙数量和开度对低强度岩体力学特性及破坏模式的影响

采用MTS815电液伺服控制试验机对不同裂隙数量和不同裂隙开度条件下的低强度岩体试件进行常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了每种类型裂隙试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。研究结果表明:① 裂隙数量可使试件应力-应变曲线的峰后破坏阶段由快速下跌转变为台阶式下跌,最后变为水平延伸式缓慢下跌,呈近似塑性流动变形破坏,相对而言裂隙开度对试件应力-应变曲线的影响则非常小;② 受结构效应的影响,试件峰值强度只在水平和倾斜裂隙条件下才随裂隙数量的增加呈明显减小趋势,而裂隙开度对试件峰值强度的影响较小,且存在最弱影响开度值;③ 裂隙数量对不同裂隙倾角条件下试件的变形特征均有较大影响,而裂隙开度只对倾斜裂隙试件的变形特征影响较为明显;④ 裂隙数量对倾斜和垂直裂隙试件破坏模式的影响要比水平裂隙试件的明显,但影响规律不明确。裂隙开度可以完全改变垂直裂隙试件的破坏模式,使其由纯拉伸破坏向单一剪切破坏转变,但对水平和倾斜裂隙试件的破坏模式基本没有什么影响。     

深部软岩巷道方钢约束混凝土拱架基本构件力学特性及参数影响机制研究

方钢约束混凝土支护体系以其强度高、施工方便的优点,在深部软岩巷道中的应用日益增多。节点作为拱架连接的关键构件,是进行支护结构合理设计的前提,对拱架内力分布及承载力发挥具有重要影响。但目前约束混凝土拱架节点设计大多基于工程类比,针对其力学特性的深入研究较少。本文以典型深部软岩矿井——巨野矿区万福煤矿为工程背景,对约束混凝土拱架常用的法兰节点及套管节点进行对比分析。开展方钢约束混凝土无节点构件、法兰节点构件及套管节点构件的纯弯室内试验和数值试验,对比各构件的变形过程及破坏形态;基于M-θ曲线,综合分析各参数对无节点构件、法兰节点及套管节点力学性能影响规律,提出依托工程方钢约束混凝土拱架节点设计建议。基于上述研究结果,进行方钢约束混凝土拱架的现场应用。试验结果表明,依托工程现场采用方钢约束混凝土支护体系,围岩变形得到很好控制。套管节点传力明确、承载力高,极大地缩短了施工难度,降低了经济成本,应作为方钢约束混凝土拱架优选的节点形式。     

煤岩材料变形过程位移场演化研究

为了更为直观地研究煤岩材料变形破坏过程中表面位移场演化的规律,利用VIC-3D(非接触应变测量系统)观测系统研究单轴压缩状态下煤岩试件破坏的全过程,得到了煤岩试件变形破坏过程中表面位移场的演化特征,直观地反应了试件表面的压缩、剥离、膨胀及剥落的过程。研究结果表明:VIC-3D所表现的数字图像技术在煤岩试件的单轴压缩试验过程中具有明显的优势;可以直观地观测煤岩试件破坏过程的位移场、应变场等演化过程。通过VIC-3D分析软件得到了煤岩试件表面压缩、剥离、膨胀具体演化过程的全场位移云图及试验过程中试件表面位移场的变化曲线,并分析了不同应力阶段位移曲线的变化形式。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能、总能量和能量耗散率均较完整试件有大幅度的减小。裂隙试件产生的裂纹数量越多,试件表面的脱落现象越明显,耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪复合破坏比单纯剪切破坏要消耗更多的能量。试件的破坏特征和破坏模式能很好地反映试件的能量耗散特性。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

钻孔密封段异质结构变形破坏特征试验研究

瓦斯抽采钻孔密封段是由煤-水泥-抽采管组成的异质结构体,为了研究钻孔密封段煤-水泥异质结构的变形破坏特征,采用Vallen AMSY-6声发射信号采集系统和TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机相结合的方法,对煤单体、水泥单体及煤-水泥组合试件进行了单轴载荷作用下的变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:煤-水泥组合试件的峰值应力介于煤单体试件和水泥单体试件之间,煤单体试件的强度是水泥单体试件强度的2.1倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的体应变突降点后伴随着声发射振铃计数的激增,而水泥单体试件的声发射指标增长较为平缓,且不同试件都在应力峰值处声发射指标达到最大值,煤-水泥组合试件的振铃计数峰值约为水泥单体试件振铃计数峰值的112倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的应力应变曲线表现出峰后的脆性变形特征,而水泥单体试件的应力应变曲线则表现出峰后的塑性变形特征,煤-水泥组合试件的破坏形态为剪切破坏,煤单体试件的破坏形态为"X"状共轭剪切破坏和拉伸破坏,水泥单体试件的破坏形态为拉伸破坏。现阶段我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔材料大多选取水泥基封孔材料,钻孔密封段煤-水泥异质结构的强度同时受到煤体和水泥材料性质的影响;井下水泥基封孔材料选取时,可优先选取凝固后与煤岩体强度差异较小的水泥基封孔材料。     

钽铌矿尾砂胶结充填体力学特性及损伤规律研究

为了研究钽铌矿尾砂胶结充填体物理力学特性与损伤演化规律,在RMT-150C岩石力学试验系统上分别对3组不同质量分数(68%,72%,76%)的钽铌矿尾砂胶结充填体试件进行了单轴压缩和劈裂破坏力学试验;获取充填体试件各种力学参数,得到了充填体试件应力-应变关系曲线,详细分析了充填体试件整个试验过程的破坏机理,推导并构建了3组不同质量分数的充填体试件损伤本构方程和损伤演化方程。试验结果表明:充填体试件质量分数越大,拉压强度和弹性模量越大,而泊松比却越小;不同质量分数的充填体试件在峰值应力时,其损伤程度不同,质量分数越大,损伤越大;在峰值应力前,充填体试件损伤扩展较为缓慢;峰值应力后,质量分数越小,损伤扩展越快。基于应变等价原理建立的尾砂胶结充填体单轴压缩状态下的损伤本构方程与损伤演化方程能够较好地描述充填体试件的损伤演化规律和破坏过程,且由本构模型建立的理论曲线与通过试验拟合得到的曲线吻合度较好。研究结果对钽铌矿尾砂充填采空区确保矿山安全生产具有一定的工程指导意义。     

突出煤体受载变形破坏声发射行为演化特征

采用TAW-2000三轴伺服试验机和Vallen AMSY-6声发射信号采集系统,对寺家庄煤矿15号煤的碎裂煤原煤单体试件、糜棱煤型煤单体试件和原煤-型煤组合试件进行单轴载荷作用下变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:原煤试件表现为弹塑性材料特性,以弱面剪切破坏为主,其失稳破坏的前兆信息表现为弹塑性阶段出现"应力跌落"和"应力回升"现象,振铃计数出现峰值,累计能量曲线出现"台阶式"上升;型煤试件表现为理想塑性材料特性,呈现渐进变形破坏特征,以剪切粉化破坏为主,其峰前变形破坏过程中声发射始终保持在相对稳定且较低的水平,累计能量增幅不大,失稳破坏的声发射前兆信息特征并不明显;原煤-型煤组合试件的应力-应变曲线兼具了原煤试件和型煤试件的特征,其峰值应力介于单体原煤和型煤试件之间,失稳破坏的声发射前兆信息与原煤单体试件类似,但受型煤影响,高幅值振铃数和事件数与原煤单体试件相比明显减少,累计能量曲线呈现"缓台阶式"上升特征。     

充填体与围岩组合承压作用机理试验研究

充填体作为地下矿山结构的组成部分,通过与围岩共同发挥承压作用,减缓围岩能耗及变形,从而有效控制围岩破坏的发展,维持矿山结构稳定。文章通过对充填体试件、围岩试件、充填体包裹围岩组合试件、围岩包裹充填体组合试件的力学试验研究,探索充填体与围岩组合承压作用模式及机理。试验结果表明:组合试件内外部组件均呈现剪切破坏模式;外部充填体包裹可对内部岩芯起到有效的支撑保护作用,并提高组合试件的单轴抗压强度;内部充填体的存在可使组合试件在破坏后出现阶段性的应力回升,并提高了组合试件的残余强度。研究结论解释了充填体可阻止岩石块体的刚性滑移、防止岩体在低应力条件下发生空间上的渐进破坏的作用机理,对于补充充填体与围岩相互作用理论研究具有一定的科学意义。     

含不同充填面倾角的胶结充填体力学特性及破坏模式试验研究北大核心

在大规模的采空区充填过程中,受限于充填站的连续造浆能力,多次充填导致充填面处易出现不同的倾角。为探究含不同充填面倾角的胶结充填体(CTB)的力学特性及破坏模式演化过程,制备不同养护龄期下含不同充填面倾角的CTB试件以及完整试件,采用WDW-20电子万能实验机进行单轴压缩试验。结果表明:1)含充填面倾角试件的峰值强度、峰值应变、弹性模量均随着充填面倾角的增加呈现减小的变化趋势,而养护龄期的增加能够有效弱化充填面倾角所带来的结构效应。2)与完整试件相比,含充填面倾角的试件在孔隙压密阶段以及裂纹扩展阶段历时较短。在峰后破坏阶段,均表现出延性破坏特征,但随着养护龄期增加,延性破坏特征逐渐减弱。3)含充填面倾角试件的总能量、弹性应变能、耗散能和能量耗散率均小于完整试件。充填面倾角与总能量之间遵循线性函数关系、而与弹性应变能和耗散能之间遵循二次多项式函数关系。4)充填面倾角显著影响了CTB试件的破坏模式,随着倾角的增加,破坏模式演化过程为充填面处张拉破坏(0°、10°)→垂直充填面处张拉破坏(20°)→充填面处张拉-剪切破坏(30°),研究结论可为存在充填面倾角的充填体强度设计提供一定的理论参考。     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

方形岩石试件冲击载荷下的动力响应分析

采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟研究了方形岩石试件单轴冲击下的动力响应。研究了不同长径比方形试件的应力均匀性并以此确定试件的最佳长径比, 分析了试件在不同冲击速度下的应力应变关系、应变率变化以及动态破坏模式等。结果表明, 脉冲经“切削式圆-方”变截面杆传播后, 平均衰减百分比为10.0%; 采用定义的轴向应力不均匀系数和横向应力不均匀系数分析不同长径比方形试件的应力均匀性, 确定最佳长径比为0.4; 不同冲击速度下的反射波与应变率时程曲线均有一定的平台期, 表明冲击试验可实现恒应变率加载, 试件内应力能够均匀分布; 应变率较低时, 试件基本没有破坏, 且表现出一定的弹性特性; 应变率较高时, 试件以拉伸劈裂破坏为主, 且往往沿水平和垂直两对称轴碎裂, 以4个角为核形成碎块; 在试件未破坏或破坏前, 有明显的弹性阶段和塑性阶段。随应变率增加, 试件杨氏模量增大, 动态强度增强, 应变范围也明显扩大。     

不同保载时间实验的花岗岩声发射特性研究

为了研究冲击地压发生前岩体处于加载或保载阶段,有突出倾向的岩体处于保载蠕变状态的问题,对花岗岩试件以每30 k N为梯度进行单轴不同时间保载实验,保载时间分别为1、3、5、10和15 min,并结合声发射进行实验研究。研究结果表明:(1)不同的保载时间对试件的强度及声发射参数有很大区别。与单轴直接加载相比,保载15 min的试件强度降低了43%;与单轴直接加载试件破坏点相比,保载15 min试件破坏时声发射撞击率提高了47%,保载15 min试件破坏时能量累积提高了53%;(2)不同保载时间,每提高相同加载梯度,保载时间越长试件的声发射撞击率越高;(3)花岗岩试件在实验过程中,保载时试件损坏或保载后刚加载试件便损坏的现象,说明保载阶段对试件的破坏有很大影响;(4)花岗岩在单轴保载压缩条件下,每个阶段产生的声发射具有不同的特征。因此,可以用花岗岩保载实验来研究岩石的微观损伤破坏,也可预测现场工程岩体的宏观断裂过程。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度（8、15、16、17 MPa）和围压梯度（1、2、3、5、7 MPa）,开展冲击气压梯度（0.5、0.6、0.8、10 MPa）的三维组合加载试验。研究表明：在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式——以陕西小纪汗煤矿砂岩为例

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明:对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长(至峰值),峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

水平应力加载下煤岩的声发射特征试验研究

为研究水平应力加载下煤岩声发射规律,在实验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:煤岩声发射信号随着应力水平的增大而增大,且轴向应力σ_v相对于水平应力σ_h对声发射信号影响效果更为显著;为比较复杂应力水平下煤岩声发射特征,定义"等效围压"表述应力水平,根据不同应力水平下真三轴压缩试验声发射能量特点将煤岩试件破坏过程划分3个阶段:弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段;随着等效围压增大试件破坏时的声发射信号显著增强,声发射计数峰值数量增多,峰值强度滞后更加明显,而应力水平对峰前平静期现象没有直接影响。通过理论及试验研究不同应力条件下煤岩试件的声发射特征可预防煤岩动力灾害的发生。