岩石三轴流变扰动效应损伤演化特征试验研究

为了从微观损伤角度建立不同围压下岩石是否进入"强度极限邻域"的判别标准,对红砂岩进行常规三轴流变扰动逐级加载试验,通过核磁共振手段对流变扰动前后岩石进行分析对比,得到不同围压下T_2谱曲线、孔隙率、孔径分布。试验结果表明:(1)不同围压下的岩石存在一个流变应力阈值,当岩石应力状态小于该阈值时,施加扰动载荷T_2谱曲线第1,2谱峰高度均无明显的变化;当岩石应力状态大于该阈值时,T_2谱曲线第1,2谱峰出现突增现象,且产生新的谱峰曲线,同时T_2谱曲线发生向右偏移现象,说明该应力阈值是判别岩石是否进入"强度极限邻域"内、外的界限;(2)不同围压下岩石存在一个"强度极限邻域"界限范围,当纵向应力小于该应力时,T_2谱曲线谱峰总面积在扰动前后变化不明显,当纵向应力大于该应力时,T_2谱曲线谱峰总面积明显增大,且出现第3个T_2谱曲线谱峰面积,说明处于"强度极限邻域"外的岩石损伤较小,不易产生流变扰动破坏,反之会加大岩石内部损伤,最终致使岩石发生扰动失稳破坏;(3)岩石在围压0.5 MPa时比围压1.5,3.0 MPa下先进入"强度极限邻域"范围,围压的存在提高了岩石长期强度,随着围压的增大损伤逐渐减小;(4)核磁共振成像图谱清楚地反映出"强度极限邻域"内、外岩石孔隙结构变化特征。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

岩石三轴流变扰动效应损伤演化特征试验研究

为了从微观损伤角度建立不同围压下岩石是否进入"强度极限邻域"的判别标准,对红砂岩进行常规三轴流变扰动逐级加载试验,通过核磁共振手段对流变扰动前后岩石进行分析对比,得到不同围压下T2谱曲线、孔隙率、孔径分布.试验结果表明:① 不同围压下的岩石存在一个流变应力阈值,当岩石应力状态小于该阈值时,施加扰动载荷T2谱曲线第1,2谱峰高度均无明显的变化;当岩石应力状态大于该阈值时,T2谱曲线第1,2谱峰出现突增现象,且产生新的谱峰曲线,同时T2谱曲线发生向右偏移现象,说明该应力阈值是判别岩石是否进入"强度极限邻域"内、外的界限;② 不同围压下岩石存在一个"强度极限邻域"界限范围,当纵向应力小于该应力时,T2谱曲线谱峰总面积在扰动前后变化不明显,当纵向应力大于该应力时,T2谱曲线谱峰总面积明显增大,且出现第3个T2谱曲线谱峰面积,说明处于"强度极限邻域"外的岩石损伤较小,不易产生流变扰动破坏,反之会加大岩石内部损伤,最终致使岩石发生扰动失稳破坏;③ 岩石在围压0.5 MPa时比围压1.5,3.0 MPa下先进入"强度极限邻域"范围,围压的存在提高了岩石长期强度,随着围压的增大损伤逐渐减小;④ 核磁共振成像图谱清楚地反映出"强度极限邻域"内、外岩石孔隙结构变化特征.     

循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa和3 MPa下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。     

砂岩力学特性与本构方程

采用MTS815岩石力学测试系统和CT机对高围压下砂岩的变形规律和断裂特征进行了试验研究,得到岩石应力应变全过程曲线。研究表明,岩石变形规律分为初始压密、弹性变形、应变硬化、应变软化4个阶段;随围压的增高,岩石的强度和残余强度增大,峰值应力点对应的轴向应变、横向应变增大,弹性变形阶段增长,岩石呈脆性-塑性-延性转变;三轴压缩试验试件破坏形式为剪切破坏,且破裂面与水平方向的夹角随围压的增高而减小。根据岩石的变形规律,对邓肯-张(Duncan-Chang)本构方程进行了改进,改进的本构方程能更好地描述岩石的变形特性。     

梅林庙矿负温饱水红砂岩加卸载力学特性研究

为研究冻结岩石在卸围压条件下强度特性、变形特性以及宏观破坏形态,以鄂尔多斯梅林庙矿风井冻结施工500~600 m处饱水红砂岩为研究对象,分别对其进行不同温度(10,-5,-10,-15℃)、不同围压(4,8,12 MPa)条件下的三轴压缩试验和三轴峰前、峰后卸围压试验。结果表明:1)饱水红砂岩峰前卸围压峰值强度大于单轴压缩强度,小于三轴压缩强度;峰后卸围压峰值强度近似等于三轴压缩强度,其值受人为因素和试验方案影响显著。2)峰前卸围压时,温度越低,试件变形对围压越不敏感,抗扰动性越强;初始围压越大,试件变形对围压越不敏感,抗扰动性越差;峰后卸围压时,温度对试件强度影响甚微,峰后强度大小取决于实时围压值。3)峰前卸围压破坏不同于三轴加载破坏和峰后卸围压破坏;峰前卸围压破坏实质为拉破坏,破坏形态取决于卸围压过程中裂隙的发育状态,峰后卸围压破坏形态取决于前期加载历程,与卸围压无关。     

高温热循环作用下大理岩三轴压缩力学特性

深部资源开采中,温度对围岩力学特性具有显著影响,准确掌握岩石在不同热损伤作用下的强度与变形性质对于评价深部岩体工程稳定性具有重要意义。基于常规三轴压缩试验研究了不同高温热循环次数作用下的岩石强度与破坏特性。结果表明:1)岩石低围压下表现为脆性,随围压增高,岩石延性增强,而随热循环次数增大,岩石延性逐渐减弱;2)不同热循环次数作用下岩石强度演化可以用Mohr-Coulomb准则进行表征,摩擦力随热循环次数增大基本保持不变,而黏聚力则线性降低;3)岩石在低围压下表现为单剪破坏,在高围压下发生共轭剪切破坏,随热循环次数增大,岩石在低围压下表现为轴向劈裂破坏,在高围压下表现为单剪破坏,岩样破坏时的完整性随热循环次数增大而降低。     

不同加载速率对类软岩三轴峰值强度的试验研究

利用相似材料配制类软岩试件,对类软岩试件进行不同围压下不同加载速率的三轴破坏室内试验,分析了不同围压下不同加载速率对类软岩的应力应变曲线、三轴峰值强度、轴向应变等物理参数的影响。得出结论,相同围压下,类软岩试件峰值强度、应变整体上随加载速率增大先升高后降低,但相比围压为0的环境,峰值强度降低缓慢;相同加载速率下,围压越高,峰值强度和应变越大;加载速率为0.5 MPa/s时,相邻围压间的峰值强度差值较为均等。     

二长花岗岩三轴试验及力学特性分析

为研究二长花岗岩三向应力状态下破坏规律及强度特性,采用HSW-1000B电液岩石三轴试验机,分别对2组岩石进行了不同围压下的三轴压缩试验。利用Mohr准则对试验结果进行分析,做出Mohr应力圆;根据应力圆包络线得出岩石的内摩擦角及凝聚力。试验结果表明,围压对岩石强度有明显的影响;随着围压增大,轴向载荷明显提升,二长花岗岩表现为脆性破坏,Mohr应力圆包络线呈现很好的线性关系。     

岩石流变扰动效应三轴压缩试验研究

为了研究三向应力状态下扰动荷载引起的围岩流变变形规律,在岩石流变扰动效应单轴压缩试验研究的基础上,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统,选取红砂岩进行流变扰动效应三轴压缩试验,分析不同应力状态下流变扰动变形规律。试验结果表明:随着围压增大,各级流变变形量有所下降,长期强度增大,流变变形破坏滞后,破坏变形量有所增加;在进入扰动敏感区后,流变变形速率增大,变形不可恢复。最后,根据试验结果得出不同应力状态下岩石累计扰动变形量与累计扰动能量之间的本构方程。     

基于PMC模型的破坏模式转化型强度准则

进入深部后,受高应力、强扰动影响,岩石岩体中拉断、剪切及压密屈服等破坏模式共生的现象凸显,深部岩石表现出明显地非线性行为,岩石破坏在多种破坏机制中转化。深部岩体强度理论需考虑中间主应力的影响,本文基于Paul-Mohr-Coulomb(PMC)准则,考虑多孔岩石破坏模式间的转化和高围压下裂隙坍塌的特征,提出了在高围压应力情况下,表征压剪屈服的Back-Paul-Mohr-Coulomb(BPMC)模型;推导了BPMC模型摩擦角包络线的表示方法,根据分段线性原则,在p-q平面中获得12边形BPMC线性破坏准则;基于应力不变量在p-q平面的转换关系,利用最小二乘法拟合获得了模型的特征参数。为了验证PMCBPMC准则及对应破坏模式转化理论的合理性,本文拟合了PMCBPMC模型,将拟合破坏面与试验数据进行对比;选用四川黄砂岩和金川大理岩,进行多组室内三轴压缩试验,研究不同围压下岩石破坏特征和强度特征,实验采用自主研发的便携式自密封岩石三轴试验高压舱加压系统。对试验数据进行拟合,获得的破坏包络线与实验数据拟合度较好;四川黄砂岩在围压达到90 MPa后出现剪应力峰值拐点,产生了孔隙坍塌型破坏,为压屈服破坏。结果表明:PMCBPMC模型能预测孔隙岩石的帽子屈服面,拟合岩石破坏模式从剪切破坏到压剪破坏的过渡,可预测不同围压下的破坏强度及对应破坏模式。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制

地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏,对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验,研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律,分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:①单面瞬时卸荷时,轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象,轴向应力越大,回弹量越小,压缩量越大;②随着第二主应力的增大,破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程,第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏,第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素,在第二主应力为10 MPa时,试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹,随着第二主应力的增加,试样内部剪切现象逐渐消失,出现的劈裂裂纹增加,在第二主应力为20 MPa时,试样内部基本全部处于劈裂破坏;④动静组合作用下,静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素,同等扰动条件下,当静载为破坏强度的80%时,破坏强度为148. 6 MPa,静载为破坏值的90%时,岩样的整体破坏强度为142. 4MPa,静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低,静载相同时,随着扰动振幅、频率的增加,岩体的破坏强度越低,对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。     

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。     

磷块岩在动静加载作用下的破坏特性研究

在磷矿掘进开挖过程中,磷块岩在深部围岩开挖的扰动下,处于动静结合的应力状态,呈现不同程度的 开采破坏现象。 通过在室内展开不同预静载作用下的动静组合三轴试验,分析磷块岩在不同加载环境下的应力—应 变曲线与破坏模式,研究磷块岩在不同动静加载作用下的破坏特性。 结果表明:①动力扰动后的,磷块岩三轴抗压强 度比其在常规三轴静荷载试验下测得的强度低;②磷块岩所受围压相同时,随着其所受预静载水平的提高,磷块岩受 动载扰动程度逐渐降低,且变形破坏程度更明显;③磷块岩所受轴向预静载力相同时,随着其所受的围压越大,磷块 岩在动静组合下的抗压强度越大。     

侧向变形控制下的灰岩破坏规律及其峰后本构关系

根据不同含水状态（干燥和泡水饱和）和不同围压条件下的灰岩岩样的三轴压缩全程试验和峰后加卸载循环试验,分析干燥和饱水状态灰岩的变形破坏规律、围压对灰岩峰值强度和残余强度及破裂面角度的影响,研究灰岩峰前、峰后强度与变形之间的关系。结果表明：灰岩的破坏方式不仅和围压水平有关,而且和岩石的含水状态相关;灰岩的残余强度与峰值强度相比很小,且随峰后加卸载循环次数的增加继续衰减;该类灰岩在低围压下产生拉剪组合破坏,导致其破裂角度较Coulomb 准则预测值偏大,在高围压下发生完全剪切破坏,破裂角度与Coulomb 准则计算结果吻合;岩石轴向应力在峰值前是由其轴向应变决定的,峰后则由侧向变形控制,随侧向变形的增加逐渐衰减至残余强度。在此基础上建立了灰岩峰后本构模型,给出了分段的岩石应力-应变关系函数。利用该模型对岩石应力-应变全过程进行计算,计算结果与试验结果吻合较好。     

岩石流变扰动效应三轴试验系统

深井软岩巷道围岩易发生流变变形,且对外界扰动极为敏感,为研究岩石在不同流变状态下受外加扰动影响变形规律,在以往两种型号流变仪的基础上,研发出了RRTS-III型岩石流变扰动效应三轴试验系统,流变仪主机提供了长期稳定的轴向压力,采用齿轮和液压两级扩力结构,扩力比达1∶100;注油式三轴压力室提供了长期稳定的围压,结构采用油气隔离的设计原理,液压泵能够最大提供50 MPa压力,精度为0.1 MPa;改进后的冲击扰动加载装置可操作性高,依据冲击作用原理设计出了IEPE动态力传感器,量程0～10 000 N,灵敏度0.497 mV/N,能够精确测量单次实际冲击扰动荷载大小;配备自动监测系统包括荷载、位移、应变和振动4种数据采集仪及处理软件。运用岩石流变扰动效应三轴试验系统初步进行了单轴流变扰动试验及三轴流变试验,其试验过程操作简便,数据结果可靠性较高。     

循环载荷作用下饱水灰岩力学性能及能量演化规律研究

为了探究水力耦合作用下煤层底板石灰岩的力学特性及变形规律,预防因工程扰动而产生的底板失稳破坏,利用岩石微机伺服多场耦合试验系统,开展了不同围压下饱水灰岩的常规三轴压缩试验及循环加卸载试验。通过经典岩石力学理论划分了岩石全应力-应变曲线的各个阶段,从能量耗散及累积损伤的角度,对循环载荷作用下的岩石破坏机理进行研究。研究发现：(1)在围压不变的条件下,循环加卸载试验下岩样的峰值强度较常规三轴压缩试验有所降低,整体应变量随卸荷水平的增加而变大,扩容现象逐渐显著;(2)在围压及循环载荷作用条件下,饱水灰岩的破坏形式主要为剪切破坏,当围压增大后,逐渐出现了以横向、纵向为主的张拉破坏;(3)随着循环等级的增加,弹性应变能的占比相应降低,耗散能的占比逐渐增大,同一循环等级下,随着循环次数的增加,耗散能占比呈小幅降低趋势;(4)扩大卸荷水平,岩石损伤行为越发活跃,但同等级循环内岩石损伤出现小幅度降低,与耗散能的演化规律及机理基本一致。     

不同扰动条件下深部岩石真三轴岩爆试验研究

为了研究深部工程受不同扰动的变形破坏特性,以某深部铁矿花岗岩为研究对象,采用QKX-YB200伺服真三轴岩爆试验仪,对试样施加2种不同动力扰动,进行"预静载+动力扰动"下围岩破坏试验。研究结果表明:试样在动力扰动作用下,存在发生岩爆的阈值(轴向静应力比为90%),当轴向应力超过该阈值时,岩爆很快发生,且随着轴压持续增大,岩爆的频度和破坏程度加剧。在相同的预静载下,试件岩爆的发生受不同动力扰动影响显著,不规律的扰动更容易诱发岩爆。在地震波扰动下试样受轴压影响更大,地震波扰动更容易诱发岩爆。