红砂岩受高压电脉冲击穿作用下的破裂行为试验研究

高压脉冲放电破岩具有绿色环保、能量可控的特色,是一种应用前景广阔的新兴岩石破碎技术。通过电击穿试验分析了高压脉冲作用下红砂岩的破裂机制,研究了不同试件尺寸和放电电压下红砂岩的破裂模式及破裂程度。结果表明：高温和冲击波是导致试件破裂的内在机制。高压电脉冲作用下,红砂岩在电极附近由于等离子通道贯通后的迅速膨胀作用形成击穿区,损伤最为严重。击穿区外侧受冲击波的影响出现径向裂纹,冲击波强度足够时可继续诱发试件边界附近出现剥落裂纹。击穿区、径向裂纹及剥落裂纹的形成与试件的尺寸和放电电压密切相关。采用裂纹密度和分形维数两个指标量化分析了高压脉冲作用后试件的破裂程度。随着试件尺寸增加,试件由块状破碎转变成穿孔破坏模式,试件的裂纹密度、裂纹的复杂程度以及分形维数呈现出降低趋势。随着放电电压的增加,试件由穿孔破坏模式转变成块状破碎,其裂纹密度、裂纹的复杂程度和分形维数呈现增加趋势。     

压应力作用不同裂纹分布下岩石破坏过程的数值模拟

应用岩石破裂失稳软件RFPA2D对压应力作用下裂纹岩石破坏进行数值模拟研究,针对裂纹的不同分布及裂纹对岩石试件破裂过程的影响,得出了不同裂纹分布的岩石破坏过程不同,裂纹离岩石试件边界越近,岩石越容易破裂且水平裂纹比竖直裂纹对岩石强度影响大;另外裂纹的走向对岩石试件影响也不同,裂纹走向为45°时,岩石强度最低,裂纹走向为90°时,岩石强度最大,裂纹走向为0°时,岩石强度居于中间。     

不规则砂岩的三维模型数字重构及其破裂过程研究

以烂泥沟金矿为工程背景,基于数字图像处理及破裂过程分析程序对不规则砂岩进行三维模型数字重构,模拟单轴压缩作用下不规则砂岩的真实细观非均质力学模型的失效机理及破裂过程;研究了不同颗粒粒径及不同内部结构砂岩的破裂过程及力学特性。结果表明:不规则试件在单轴压缩条件下破裂模式由单裂纹向多裂纹转变,裂纹方向与主应力方向成一定夹角;随着应力的增加,试件内部拉伸破坏单元的产生、发育、贯通导致试件形成宏观剪切破裂带;岩石试样在破裂过程中释放的大部分能量来自于高应力区的破碎带。此外,在模拟过中发现试件越趋于球形,应力 应变曲线线性行为越长,试件强度越大。研究结果对探讨矿岩破碎机理、寻找高效节能的破岩方式具有重要意义。     

不同形态下红砂岩力学特性和裂纹断裂特征研究

为探究不同形态下红砂岩的力学特性变化以及裂纹断裂形态的发展,改变红砂岩的含水率以及预制不同倾角的裂隙,在单轴压缩条件下研究其抗压强度的变化,同时通过图像处理对产生的裂纹进行量化分析,研究不同含水率、不同裂隙倾角、不同裂隙长度情况下试件的裂纹发展特征以及破坏形态.研究表明:单轴压缩下含水率的增加使红砂岩试件抗压强度降低,裂纹形态变复杂;预制裂隙倾角为０时,试件出现了不同于其他裂纹倾角下的特殊裂纹发展形态,裂纹倾角为４５°的试件,其抗压强度最低,产生的分支裂纹较少;试件预制裂隙长度越长,其抗压强度越低,裂纹率和崩坏面积系数越小,裂纹增长速率增大.试验所得结论较为全面地记录了不同形态下红砂岩的裂纹发展变化,对红砂岩裂纹发展的进一步研究提供了依据.     

高压电脉冲破岩试验装置的研制

高压电脉冲破岩钻进在国际上被认为是一种在深部钻探中具有广阔发展前景的破岩方法,但在国内研究还很少。本文设计制造了一套高压电脉冲破岩试验装置,包含伺服电动缸、控制柜、岩石容器等部件,试验装置配套了Ø60 mm和Ø100 mm的电脉冲钻头,可选择手动或自动加压放电破碎岩石。在放电电压为120 kV、放电频率为1 Hz的条件下进行了红砂岩等岩石的钻进试验,实现了60 mm口径的钻进碎岩。试验结果表明,该装置能满足电脉冲破岩试验的基本要求,可用于电脉冲碎岩室内研究。     

冲击荷载作用下煤矿泥岩能量耗散试验研究

岩石破裂破碎实质是一个能量吸收与耗散的过程,煤矿岩巷钻爆掘进过程中,既要有足够的爆炸能量使待开挖区岩石破裂破碎和抛掷、形成空腔,又要控制爆炸能量对保留岩体造成的损伤,尤其是冲击荷载作用时强度较低的泥岩的动态响应特性更需要重点研究。以淮南矿区典型巷道泥岩为研究对象,利用直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下泥岩动态压缩试验,研究在冲击荷载作用下泥岩的动态力学性能和破裂破碎特征,重点研究动荷载作用下泥岩的能量耗散规律。为了进一步揭示泥岩动态破碎破裂与泥岩构成主要化学成分与细观结构之间的关系,对泥岩的静态物理力学性能进行了测试并进行泥岩的X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)测试,确定其主要组分、化学和颗粒成份;同时采用放大1 000倍的电子数码显微镜对泥岩试件表面、断口进行放大观察,从岩石细观结构出发,通过对细观结构变化、物理与力学过程的分析研究了岩石的损伤及其演化。结果表明:泥岩的主要化学成分主要为Si O2,其次为Al2O3,Fe2O3,其力学强度低,物理性能指标差,在冲击荷载作用下,泥岩内部大量空隙缺陷(如空穴,位错,微裂隙等)动力学过程加剧,形成损伤;在应力波的持续作用下,大量的微损伤和微观不均匀处在试件内部进行复杂的演化,在颗粒内部结构、沿颗粒间裂缝和沿晶粒界会产生大量的微裂纹并发展,在构造边界碎片分层、夹杂物中也产生裂纹,泥岩试件最终产生环向断裂破坏和轴向劈裂拉伸破坏;试件吸收能、透射能和反射能均随入射能增加而增加,分别呈线性、对数和二次函数形式增长;试件吸收能可以用单位体积耗能密度、单位质量耗能和吸收阻抗比能表征,三者均随入射能增加呈线性增长,随应变率呈二次函数增长。     

动静复合加载下红砂岩破碎规律研究

振动碎岩具有能量消耗量低、所需轴向压力小等特点。为提高碎岩效率同时降低成本,进行了振动-加压相结合的碎岩模式研究。本文以红砂岩为研究对象,围绕动静复合加载条件下球齿侵入导致的红砂岩内部裂纹扩展规律开展研究。结果表明,球齿下岩石的破碎程度随着动、静载荷的增大而变大,并且只有当组合载荷峰值达到100 kN时,岩石才会发生明显的体积破碎。在破岩初期,当载荷较小时,岩石倾向于发展为侧向裂纹,岩石损伤成“宽而浅”特点。随着载荷的增大,岩石更倾向于发展中间的深部裂纹,而后才倾向于发展侧向裂纹,即呈“窄而深”的特点。岩石破碎的各项指标受各载荷参数的影响程度存在差异：即在相同的幅值增量条件下,增加动载幅度导致的破碎程度要大于增加相同静载荷时的破碎程度。以上结论可为提高动静载复合破碎硬岩效率、攻克硬岩钻进技术难题提供重要支撑。     

初始压应力场对爆生裂纹行为演化效应的实验研究

采用自主设计的动静组合加载系统,实现了在模型试件中产生静态应力场和爆炸动应力场,并对动静组合应力场中爆生裂纹的扩展行为演化特征进行焦散线实验研究,探讨初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。通过对四周施加均布载荷和不施加载荷的两组试件进行实验,对比分析两组试件中爆生裂纹的扩展长度、速度和裂纹尖端动态应力强度因子随时间的变化规律,发现在垂直于裂纹扩展方向的压应力降低了裂纹尖端的应力集中程度,阻碍了裂纹的扩展,而平行于裂纹扩展方向的压应力对裂纹的扩展基本没有影响。     

红砂岩单轴压缩破坏的声发射信号及时空演化特征

针对红砂岩在单轴压缩下的变形损伤规律和破裂失稳机理,进行了红砂岩单轴压缩的声发射定位实验研究。结果表明:加载过程中声发射信号随时间的变化特征能够反映出红砂岩的张拉破坏模式,声发射定位点首先在岩样的下部产生,随时间的变化定位点数不断增加,并逐渐向上扩展至整个试件,且下部产生的定位点数比上部密集,红砂岩最终发生劈裂破坏,声发射定位点主要集中在裂纹附近;随着有大裂纹的产生,红砂岩临近破坏时声发射定位有突增的特点。研究结果反映了岩样内部裂纹产生和扩展的空间位置以及三维空间演化过程,为研究红砂岩破裂失稳机理提供了依据。     

基于COMSOL的高压放电破碎岩石仿真研究

常规旋挖钻机在钻进硬岩地层钻孔桩时存在进尺困难,钻头磨损大等问题。高压脉冲放电岩石破碎技术作为一种新型非机械式岩石破碎技术,在硬岩钻进领域具有广阔的应用前景。本文在分析高压脉冲放电破碎岩石机理的基础上,运用COMSOL Multiphusics软件,建立电-热-力多物理场耦合模型,开展花岗岩和砂岩在电压、电极间距、电解质等条件下的破碎规律仿真研究。结果表明,随着电压的增大,岩石产生的破碎区域呈线性增大;电极间距的增大导致岩石破碎区域减小;液体介质的电导率大小对放电结果的影响不大;选用多电极对放电可有效增加岩石的破碎面积。研究结果可为高压放电破碎岩石技术提供参考。     

FeCr纳米合金粉的制备及性能

本文采用电爆炸法制备了FeCr纳米合金粉,对不同放电电压和金属丝丝径对粉体粒径及其分布的影响进行了探究。结果表明,在其他工艺参数不变的前提下,随着放电电压的增大、金属丝丝径的降低,纳米粉体粒径逐渐降低,粒径分布逐渐变窄。根据影响规律,对较优实验条件下制得的FeCr纳米合金粉进行性能表征,粉体呈光滑球形,粒径大小基本处于100nm以下,平均粒径仅为57.87nm,其Fe、Cr、O含量与FeCr合金丝基本相同,物相结构主要为Fe-Cr合金相。     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

完整及含裂隙岩石试件单轴压缩过程数值模拟

采用 FLAC^3D数值模拟程序对完整岩石试件及含有单一裂隙岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟。结果揭示了完整岩石试件和含裂隙岩石试件破裂过程的发展规律，即岩石试件破坏一般分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行，完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区，最终形成一个倾斜的应力面，导致试件最后形成一个倾斜的破坏面；而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的两端出现应力集中区，随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展贯通整个岩石试件。     

红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

以标准红砂岩试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置结合自行开发的煤岩 细观力学特性测控软件,对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究,并 基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象。结果表明:载荷大小对红砂岩剪切蠕变力学特性具有 明显的影响,直接决定着加速剪切蠕变阶段的有无、试样的破坏与否和试验时间对其剪切蠕变力学特性的 影响程度;存在2个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ₁、τ₂,它们将红砂岩剪切蠕变类型分为3种, 即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏;红砂岩试样破裂带的形成过程表现为渐进式,破坏过程表现为渐 进式与突发式结合,破裂面附近区域为裂纹结构丰富区且该面为非平直剪切面;不同载荷水平作用下岩石剪 切蠕变力学特性可以用来解释边坡失稳发育过程中的现象,认为边坡内潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变 破坏是边坡发生失稳的力学机理。     

注浆对岩体节理面加固作用的试验研究

为了确定裂隙注浆后对围岩理化性质的影响,通过现场采样,制作了5个红砂岩尺寸相同试件,在试件进行模拟注浆,借助激光扫描仪对试件在不同配比注浆材料和保养天数后,注浆材料对注浆岩体的节理面影响。结果表明:随水灰比的增大,红砂岩试件的最大剪切应力呈不断减小的趋势,且养护天数越长剪切应力越大,水泥—岩体的黏聚力先增大后减小,而内摩擦角先减小后增大;对试件施加的法向应力越大剪切应力越大,相同法向应力下添加减水剂的水泥—岩体大于未添加减水剂的最大剪切应力;节理面注浆宽度越大,红砂岩试件的最大剪切应力越大,且随水泥水灰比的增大试件的最大剪切应力逐渐减小;随结构面粗糙度的增大,剪切应力呈不断上升的趋势。     

扫描电镜低加速电压在样品分析中的应用研究

根据“在低加速电压下 ,电子束在样品中产生的扩散区小”的原理 ,对各类样品做了一些实验性的研究工作 ,结果发现 :在 7 5kV加速电压下 ,对导电性差的样品做形貌分析时 ,避免了在 2 0kV加速电压下样品的充、放电现象 ,提高了图像的分辨率 ,可改善图像质量 ;对几微米的细小颗粒做定性分析时 ,克服了在 2 0kV加速电压下分析区域之外所含元素的X射线的干扰 ,易于得出正确结论 ;在高倍下做元素的线扫描、面分布时 ,由于扩散区小 ,所得的特征X射线像边界清晰、视觉效果好。     

基于颗粒流的砂岩三轴破裂演化宏-细观机理

以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2d数值砂岩试样的细观参数标定。针对0.5~20 MPa围压下数值砂岩在双轴试验中的宏观力学响应,从试样内部位移、3种类型裂纹(总裂纹、拉裂纹和剪裂纹)的数目演化和角度分布等细观层面进行了解释。研究结果表明：PFC2d数值试样能代表物理砂岩的主要宏观力学特性;试验过程中,试样内3种裂纹数目均呈“S”型累积,其突变点与宏观应力-应变曲线的弹、塑和破坏特征点对应;随着围压增大,由试验过程中剪裂纹始终占主导逐渐变为拉裂纹始终占主导,拉裂纹的占比逐渐增大;对于整个试样和破裂带,破裂带内拉裂纹的占比始终高于整个试样;总裂纹和剪裂纹角度分布的主方向明显,与加载方向相同;拉裂纹的角度分布较为均匀,在加载方向、破裂面及共轭破裂面方向的集中度相对明显。     

荷电细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究

为了研究荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果以及抑爆机理,根据静电感应原理,自行设计了小尺寸的荷电细水雾发生装置,并开展了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究。实验分析了在不同荷电极性、荷电电压以及雾通量下,荷电细水雾对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的影响。结果表明:荷电细水雾较普通细水雾能更有效地降低瓦斯爆炸压力峰值以及火焰传播速度,且随着荷电电压的增大,荷电细水雾的抑爆效果显著增强。同时荷负电荷的细水雾较荷正电荷的细水雾抑爆效果更好。当荷电电压为8 k V时,荷电细水雾使瓦斯爆炸压力峰值下降64.7%,升压速率下降33.03%,火焰传播速度下降34.9%。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。