多形态裂隙砂岩水力耦合破坏过程与增透机理试验研究

水力耦合激活岩石天然裂隙,诱导裂隙扩展形成复杂裂隙网络,增加岩石渗透性是矿产地热共采体系中的关键技术。本文通过预制含单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙的砂岩试样,进行三轴水力耦合试验,研究多形态裂隙砂岩的关键阈值（闭合应力、起裂应力、损伤应力、峰值强度）、弹性模量、泊松比以及破坏模式等力学特性,同时开展裂隙渐进演化过程中声发射和渗透率的演化规律研究,进一步分析水力耦合作用下裂隙岩石增透机理。结果表明:多形态预制裂隙砂岩试样在水力耦合作用下,既有裂隙均通过拉伸、剪切或混合模式扩展形成次生裂纹,构成裂隙网络,试样渗透率显著增加。单裂隙试样的次生裂隙以剪切破坏为主,T型和Y型裂隙试样的次生裂隙为剪切破坏和张拉-剪切破坏两类。此外,多形态裂隙对试样强度的影响大于水的弱化作用。随着轴压增大,岩石渗透率峰前阶段先减小后增大,达到强度破坏时突跳增大。当试样达到峰值后应力突然下降时,渗透率达到最大值,渗透率增透效果最好。预制裂隙角度和形态的变化对突跳系数的影响幅度较小,单裂隙的平均突跳系数值大于Y型裂隙大于T型裂隙。研究结果有助于理解裂隙破坏和流体流动行为,进而指导矿产地热共采的工程。      

不同岩石单轴压缩破裂全过程声发射序列分形特征研究

通过对青砂岩和花岗岩两种岩性岩石的单轴压缩声发射试验,获取岩石破裂全过程的基本力学特征及声发射时域特征参数,观察两种岩石破裂时的破坏情况,着重对比了两种岩石的声发射事件率及能率时域特征,并探讨了声发射事件率及能率的分形特征。试验结果表明:声发射事件率及能率均可很好地描述岩石破裂损伤的整个过程,青砂岩事件率变化特征有明显的"上升期"和"下降期",花岗岩则无明显变化特征,两种岩石能率变化特征均存在两个"活跃期(Ⅰ,Ⅱ)"和一个"缓慢释放期";青砂岩事件率分形特征与花岗岩差异明显,相比较花岗岩而言,青砂岩分形维数D值存在多处转折点;能率分形特征,两种岩石较为相似,分形维数D值均表现为随着加载应力比的增大而波动增加,在试样破裂前又突降至最低值。     

砂岩单轴压缩变形规律及声发射特性

为准确确定岩石岩爆倾向性,对砂岩进行单轴压缩条件下声发射检测试验,研究岩样单轴压缩变形规律与声发射特征.对荷载-变形曲线、AE参数进行统计分析,结果表明,压密阶段和线弹性阶段声发射振铃计数较少,累积能量曲线十分平缓,释放弹性应变能较低,从塑性变形阶段开始,AE活动频繁,累积能量呈指数级释放,损伤加快,声发射类型由之前的突发型变为连续型,应变曲线拐点处,往往出现AE参数峰值.分别对AE振铃计数、累积能量和岩石损伤进行监测分析,能较准确判断砂岩岩爆倾向性.     

砂岩单轴压缩下声发射特征与损伤演化

为获取钨矿砂岩矿柱岩石破坏过程中声发射特性及损伤演化规律,对其进行单轴压缩条件下同步测试应力-应变曲线、声发射参数-时间变化曲线的室内声发射试验,通过分析声发射参数与应力变化关系,并试用声发射振铃计数、能量计数来表征岩石损伤。结果表明:该岩石的声发射分布可分为三个不同阶段;第Ⅰ阶段为相对平静期,振铃计数较小、幅值较小,能量释放值较低;第Ⅱ阶段为活跃期,声发射活动分布逐渐密集,但大多数信号值都处于低级别水平,岩石仍处于稳定阶段;第Ⅲ阶段为失稳前兆期,振铃计数、幅值均值和弹性能释放迅速增大,且分布更为密集,出现多个峰值,峰值处都对应着应力-应变曲线上的拐点,岩石失稳时各声发射参数都达到最大值。用声发射振铃计数或能量计数能较好的反应岩石内部的损伤演化过程。     

预制裂隙花岗岩的强度特征与破坏模式试验

为了探究单轴压缩条件下裂隙岩石的强度特性、裂纹起裂规律及破坏模式, 采用水刀切割技术预制裂隙花岗岩试件, 利用GAW2000刚性试验机对单裂隙花岗岩试样进行单轴压缩试验.试验结果表明: 与完整试样相比, 裂隙岩石试样单轴抗压强度明显降低, 降低幅度与预制裂隙和外荷载方向的夹角β密切相关, β=75°时, 强度最低, 降幅达到84.5%, 基于最大畸变能准则计算了裂隙花岗岩的峰值抗压强度与裂隙倾角的关系, 试验结果与数值解吻合; 裂隙的存在改变了岩石的破坏模式, 裂纹起裂角随裂隙倾角的增加而单调增大, 岩石试样的破坏模式由剪切破坏为主转变为张拉破坏占主导.真实裂隙岩石试样的力学性质及裂纹起裂特征更准确地揭示了单裂隙花岗岩的强度变化规律和破坏模式, 为岩土工程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据.      

岩石材料脆性剪切破坏模式下的强度分析

使用声发射法与三轴试验相结合的方法对岩石试样微裂隙产生和发展进行监测,以获取岩石脆性剪切混合破坏模式的特点.采用断裂力学与岩石力学理论相结合的方式进行理论分析和试验数据处理,得到了试样三阶段特征强度随应力状态变化的规律,并提出了一种适用于岩石脆性、剪切混合型破坏强度分析方法,据此建立了Mohr-Coulomb、Griffith和Hoek-Brown等强度准则与脆、剪混合强度模型的关系.采用此模型对水厂边坡混合花岗岩的全应力-应变试验数据进行脆剪混合强度分析,理论值与试验值具有良好的一致性.      

十字交叉裂隙扩展机理试验与数值模拟研究

岩石内部微裂隙的起裂贯通破坏易引发边坡滑坡、隧道塌方和采场冒顶等工程事故,造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。为了探究裂隙岩石中裂隙演化规律及破坏机理,根据相似理论,采用细沙、白水泥和水按一定比例制作含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机对其进行单轴压缩试验,并基于室内试验测试结果,建立了含预制十字交叉裂隙岩石试样的PFC数值模拟模型,分析含十字交叉裂隙试样的裂纹起裂、扩展和贯通的演化规律及其失稳破坏机理。研究结果表明:含十字交叉裂隙试样的峰值强度和弹性模量低于完整试样;数值模拟结果的峰值强度、弹性模量、起裂应力和裂隙倾角的变化关系与室内试验测试结果的变化关系基本吻合,即随着裂隙倾角的增大呈现先增大后减小的倒"V"形变化趋势;裂隙倾角为0°时微裂纹起裂于主次裂隙尖端,裂隙倾角为30°时裂纹起裂于主裂隙尖端,裂隙倾角为45°和60°时裂纹起裂于次裂隙尖端;微裂纹数量随应变增加经历了静止期、增加缓慢期、中期增加期和最活跃期4个阶段,且后一阶段增长率总是高于前一阶段;裂隙倾角为0°、30°、45°和60°时试样的破坏模式均为对角剪切破坏。     

拉伸试验中充填体声发射特性及数值模拟研究

下向胶结充填采矿过程中, 胶结充填体顶板的破坏不仅受抗压强度的影响, 而且还表现为张拉破坏, 为了充分探索充填体顶板张拉破坏过程中的损伤演化规律, 对胶结充填体试件进行了单轴抗拉破坏声发射试验, 并利用RFPA2D软件对其拉伸破坏过程及声发射信号进行了数值模拟.模拟分析表明, 胶结充填体的抗拉破坏是始于试件圆盘中部, 沿着加载轴线方向出现裂隙萌生与扩展, 并汇聚成宏观的裂隙带, 最终导致整体失稳的破坏过程.模拟结果还再现了抗拉破坏时声发射的分布规律, 其结果对比室内试验的声发射特征规律, 具有很好的一致性.      

基于声发射的岩石损伤演化特征分析

选用脆性红砂岩进行声发射单轴压缩试验,利用单一参量振铃计数得出红砂岩受力之后内部的损伤变化特征,并得出岩石损伤变量增长曲线及应力-应变曲线。两种曲线都能反映出微损伤生长、发展到裂隙生成、贯通的全过程,并将其损伤演化过程划分为4个阶段:微损伤压密阶段;微损伤生长、连接阶段;宏观损伤裂隙阶段;损伤裂隙贯通、破坏阶段。通过在损伤变量前提下得出的预测红砂岩裂纹尺度增长曲线,相比实际裂纹尺度增长曲线符合的较好。因此损伤变量完全可以对岩石内部损伤做出演化分析,同时也表明声发射信息中振铃计数参量包含着岩石内部变化的详细信息。     

不同含水状态砂岩损伤分析研究

通过对不同含水状态砂岩进行单轴压缩声发射试验,对比分析了不同含水状态和不同损伤表征的砂岩损伤特征。试验结果表明：干燥状态时,低应力阶段,损伤曲线非常平缓,当处于损伤急速增加阶段时,损伤曲线呈多个阶跃上升,较为陡峭;天然含水状态时,损伤曲线开始增长较快,之后进入平静期,曲线较为平缓,临近破坏时,曲线有所上升,但上升幅度较干燥状态小;饱和含水时,低应力阶段也是出现损伤值上升较快,然后进入较长的平静期,临近破坏时损伤曲线变化较小,岩石基本上无破坏征兆。结果表明：砂岩含水率越高,声发射越集中分布于砂岩破坏瞬间,破坏前兆越不显著,破坏时表现出的脆性破坏越明显,声发射参量表征的损伤较应变表征的砂岩损伤更合理。     

不同荷载作用下岩石的声发射特征

由于岩石破裂过程的尺度无关性质,通过对岩石样品破坏过程中声发射特征的研究可增进对采矿工程岩体失稳过程的认识。基于室内声发射试验及国内外学者在岩石声发射方面的大量科研成果,讨论了各种受力状态对岩石声发射活动性的影响,即单轴加卸载和三轴加卸载等多种荷载条件下的声发射特征,重点分析了岩石破坏前"声发射平静期现象"出现的条件。通过与岩体破裂过程中声发射监测结果中"沉寂区"的对比分析得出,在利用声发射技术监测地下工程岩体结构的稳定性时,必须深入分析岩体的声发射特征和应力状态变化过程,才能准确识别岩体破坏前兆现象,有效地作出对地质灾害的预报。     

含预制裂隙类岩石裂隙演化与破裂特征的试验研究

裂隙岩体是自然界中普遍存在的工程岩体,在外力作用下易引起岩体结构破坏失稳而诱发工程故事。为此,基于相似理论制作了含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机,对含有不同裂隙长度和裂隙倾角的类岩石试样进行单轴压缩试验,分析其裂隙演化规律和破裂特征。研究结果表明:含预制裂隙试样的抗压强度明显低于完整试块;当主裂隙长度一定时,裂隙岩样的峰值应力随次裂隙长度的增大而降低;当裂隙倾角为0°和60°时,裂隙岩样表现为拉伸型翼形裂纹的破坏形式;当裂隙倾角为30°和45°时,裂隙岩样表现为拉剪混合型裂纹的破坏形式,既有翼形裂纹,又有次生共面裂纹。     

不同埋深灰岩岩爆倾向性及声发射特征试验研究

通过开展不同埋深灰岩的常规单轴试验,获取灰岩破坏过程中的应力—应变曲线和声发射时域特征参数。利用弹性能量指数W_ET、变形脆性指数K_ε和线弹性能W_e指标,判别不同埋深灰岩岩爆倾向性。通过分析灰岩破坏过程的声发射特征参量及其变化规律,建立了发生岩爆的前兆信息特征。结果表明：随着埋深梯度递增,岩石岩爆倾向逐级增强,当埋深达1 000 m以上时,灰岩具有强岩爆倾向;不同埋深灰岩受压破坏过程中声发射累计能量—时间变化曲线可划分为平稳、增长和破坏3个阶段,随着灰岩岩爆倾向逐级增强,岩爆破坏释放的能量越大;各埋深灰岩试样主频主要为90~180 kHz的低频带,同时中等和强岩爆倾向具有270~330 kHz高频率次主频;各埋深梯度下灰岩声发射能率分形特征与其内部裂隙演化规律具有一致性,不同埋深灰岩岩爆倾向性由弱到强的分维值演化模式按“升维—波动—降维”到“平稳—降维”演化。研究结果可为深部开采预警岩爆提供理论依据。     

岩石细观损伤演化与宏观变形响应关联研究

基于岩石全息干涉图的判读和统计分析,高精度定量获取了单轴压缩变质砂岩、板岩和花岗岩岩石试样变形破坏各阶段的细观裂纹演化及其与应力应变的对应关系,分析了岩石细观损伤演化对宏观变形的贡献;在岩样裂纹演化统计值与宏观力学响应的定量研究基础上,建立了试样表面裂损度和宏观变形响应之间的关系,岩石细观损伤引起变形特性的改变可以通过计量岩石表面裂损度加以描述,直观演示了岩石细观损伤演化与宏观力学响应的关联,能够有效地为岩石工程稳定性评价提供理论支撑。     

非均质岩石破裂及声发射演化数值模拟

在应变软化本构模型的基础上,考虑岩石材料非均质性和损伤过程中力学性质的弱化特性,建立了非均质岩石损伤软化本构模型,推导了损伤软化本构模型的差分格式,在VC++环境下实现了损伤软化本构模型在FLAC3D中的二次开发。研究了不同均质度对岩石变形强度等力学特性的影响,以及岩石破坏过程中的声发射演化特性。研究表明：随着岩石均质度的增高,岩石的破坏过程由延性向脆性转化,岩石峰值强度和峰值应变不断增大,而残余强度降低;当岩石均质度较低时,岩石破坏剪切带的形成会发生滞后,随着均质度的增加,单轴加载条件下岩石声发射体现出由强度低、频率高向强度高、频率低转化的特性,并表现出群震型、前震—主震—余震型和主震型3种典型模式。     

含预制缺陷类岩体模型破断试验与分析

为了探究内部缺陷形状由裂隙至圆孔的变化对类岩体脆性材料破断模式与特征的影响,构建了含缺陷的单轴压缩力学模型,并利用水泥砂浆材料制作类岩体试样,系统地研究了缺陷形状由裂隙至圆孔变化过程中含缺陷试件的强度变化特征和裂纹演化扩展机制。结果表明:当荷载方向与缺陷长轴垂直时,缺陷周边应力集中在长短轴端点处且与缺陷无关;缺陷对试样峰值强度影响较为明显,在缺陷形状由裂隙向圆孔变化的过程,峰值强度降低幅度逐渐增大;缺陷变化对试样的裂纹起裂与裂纹扩展的影响不显著;缺陷试样的最终破坏模式可划分为剪切破坏和拉-剪混合破坏,当m值大于0.60时破坏模式为剪切破坏,当m值小于0.33时破坏模式为拉-剪混合破坏。     

基于声发射的倾斜软硬互层岩石破坏特性研究

为研究深部矿井中常见的软硬互层岩石的破坏特性,结合声发射技术对红砂岩和混凝土组合的软硬互层岩石试样进行了单轴压缩试验。对单轴压缩试验现象和数据进行分析,对试样的破坏模式进行了分类,给出了软硬互层岩石峰值抗压强度随软层倾角变化的N型曲线。对声发射数据进行分析,结果表明：（1）软层倾角大小对软硬互层岩石的稳定性有显著影响;（2）软硬互层岩石软层倾角增大时,更容易诱导裂纹密集生成从而导致失稳破坏;（3）软硬互层岩石发生失稳扩展的频次随着倾角的增加呈现先增加后减少再增加的规律;（4）随着倾角的增大,剪切裂纹占比呈现先增加后降低再增加的规律。     

不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性

针对巴西圆盘荷载接触条件对巴西劈裂试验影响的问题，采用声发射监测系统开展线/非线荷载接触条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验。直径为50 mm，厚度为25 mm的标准巴西圆盘按照同一种传感器三维布设方式布置8个Nano30传感器。在相同的荷载速率下，声发射监测Richter8系统对线/非线荷载两种荷载条件下的巴西圆盘进行准静态加载的波形信号连续记录。通过P波自动到时及网格坍塌搜索算法进行定位，在线/非线荷载条件下分别有1131和931个声发射事件被成功定位。圆盘的起裂位置均在圆盘非中心位置，对于非中心起裂的试验值可能低估了巴西抗拉强度。裂纹下半球极点密度投影分析表明，非线荷载条件下破裂面的局部扭曲程度大于线荷载。试样三维损伤演化结果表明，圆盘所受荷载面积大小，显著影响圆盘损伤累计的时间、释放能量的大小和裂纹扩展的稳定性。对有效声发射定位事件进行矩张量分解获取了两种荷载条件下各向同性部分（ISO）、纯双力偶（DC）和补偿线性矢量偶极成分（CLVD）频率百分比，并采用微裂纹破裂类型分类方法来定量分析震源机制，结果表明巴西劈裂对荷载条件并不敏感，两者均可以解释为近似平行于荷载方向上的张拉裂纹的萌生、扩展及贯通。      

砂岩单轴循环加卸载试验及声发射特征研究

通过对砂岩进行循环加载试验,揭示了砂岩在循环加卸载过程中的强度变化及声发射特性。试验利用电液伺服岩石三轴试验机和SDAES数字声发射检测仪采集系统,对两组砂岩试样分别进行单轴抗压、单轴循环加卸载试验。试验结果表明岩样在经过循环加卸载后试样的单轴抗压强度略有增大,循环加卸载过程中在伴随着岩样内部原始天然裂隙的压密、新生裂纹的产生、扩展和贯通的同时,也伴随着声发射不断产生。声发射事件在砂岩再次加载应力到达上次加载最大应力前极少发生,达到上次加载最大应力以后则大量发生,说明砂岩岩样在循环加卸在作用下存在声发射的Kaiser效应,而无Felicity效应产生。     

循环载荷下胶结充填体损伤声发射表征

胶结充填体是充填采矿法应用的关键部分,其稳定与否是充填采矿成功实施的基础和前提。实际采矿活动对充填体产生一种循环重复的加卸载扰动,通过研究循环加卸载作用下充填体损伤破坏过程的声发射特征,探求充填体的损伤演化机理,可为充填体声发射监测技术提供基础性依据。本研究利用RMT-150C电液伺服系统和PIC-2型USB数字多通道声发射仪对灰砂比为1∶4的4组试样进行多级加卸载试验,模拟充填体实际所处应力环境。通过对试验过程系统接收到的声发射信号分析处理后,发现了循环载荷下胶结充填体的损伤演化具有3个不同阶段特征;同时用经过声发射参数量化后的损伤值表征充填体的损伤,为充填体稳定性监测技术的建立提供数值依据。