微波热力冲击下硬脆砂岩冲击倾向性演化规律试验研究

冲击地压是深部资源开采的主要灾害类型,冲击倾向性是表征冲击地压风险的重要指标。为了探索微波热力冲击对岩石冲击倾向性的影响,本文对典型强冲击倾向性硬脆砂岩开展了微波热力冲击和单轴压缩试验,分析了微波热力冲击后砂岩的物理力学性质和冲击倾向性指标响应规律。研究结果表明：(1)微波作用后,砂岩表面温度随着热力冲击时间增加持续升高,直至150 s发生热破断;(2)微波热力冲击120 s后,砂岩内部结构发生微破裂,岩石冲击倾向性明显减弱,纵波波速与弹性模量分别下降了15.12%、8%;(3)单轴压缩变形破坏过程各阶段声发射信号密度增大,砂岩最终破坏时的绝对能量最大值下降42.3%;(4)岩石动态破坏时间增长了259%,冲击能量指数减小95%,弹性能量指数下降92%,砂岩由强冲击性岩石变为弱冲击性岩石。研究结果为煤炭深部开采冲击地压防治和深地工程高效破岩具有参考价值。     

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点，是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段，其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异，借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型，实现了微观矿物温度离散赋值，提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法，从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性，揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明：(1)微波照射下，试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下，试样内部裂纹数量极少；高照射功率(≥3 kW)下，试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育，并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩，试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低，在高照射功率(≥3 kW)下，力学参数跌落更加明显；当照射功率较高(≥3 kW)时，微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化，试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩，随照射功率增加，初始围压对试样强度提升效果越发强烈；低照射功率(≤2 kW)下，弹性...     

动静载荷耦合作用下PDC刀具的失效机理

运用应力波理论分析了冲击-静压切削模式下PDC刀具的破损机理，得出了冲击应力波的幅值、入射角（刀具侵入角）、刀-岩接触间隙，以及在接触面上的多次透、反射造成加载-卸载-再加载的循环，对破岩效果和PDC刀具破坏有很大影响.在自行研制的动静态多功能岩石破碎试验台上，以砂浆块和花岗岩为试验对象进行了冲击-静压切削破岩试验.结果表明：在硬岩破碎中，PDC刀具的破坏模式主要是轴向崩裂、冲击压碎和径向崩裂3种；施加一定的静压可使刃面与岩面充分接触，有利于应力波的传播，从而提高破岩效果和PDC刀具的使用寿命.     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

深部岩石高效破碎方法研究

随着油气需求量的增加和浅部油气资源的日益减少,深层油气资源和深层干热岩的勘探开发将是我国未来研究的重点。深部岩石硬度大、研磨性强、可钻性差,为提高深井、超深井地层、地热井的破岩效率,国内外学者提出了多种高效破岩方法。着重介绍当前一些主要的高效破岩方法,如激光破岩、等离子体破岩、微波破岩和粒子冲击破岩等,分别综述各种高效破岩方法的作用机理、优缺点、发展趋势及当前应用情况。分析发现,大部分破岩方法依靠热应力裂解或高温熔化来破碎岩石。因此对岩石热作用机理深入研究对推动这些破岩技术的发展至关重要。分析结果表明:粒子冲击破岩可能首先实现商业应用,等离子体液电冲击破岩因其可控高效等特点可显著提高深层油气资源和干热岩开发的钻井速度。     

瞬时胀裂破岩技术在厚层砂岩顶板控制中的应用

上覆厚层砂岩顶板大面积悬顶会进一步加大围岩应力集中程度,引起工作面压架等事故。为实现厚层砂岩顶板条件下的无煤柱安全高效开采,设计了一种以单裂面瞬时胀裂器为主的瞬时胀裂破岩技术。在明确瞬时胀裂破岩原理的基础上,以数值模拟的方式对普通爆破和瞬时膨胀破岩条件下的应力分布和岩石损伤进行了对比分析,发现瞬时胀裂破岩能实现对应力波的导向控制作用,只在切缝方向上对岩石产生损伤破坏。通过分析钻孔窥视效果,对比和朱家峁煤矿“110工法”留巷效果等情况,认为在控制厚层坚硬顶板来压时,瞬时胀裂破岩能实现安全高效定向破岩,可以满足无煤柱自成巷平衡开采的要求。     

干热岩高温力学特性及热冲击效应分析

在地热开发进程中,岩石所处温度的改变会导致其力学性质发生变化.通过开展实时高温下花岗岩试样的压缩实验,研究了温度对花岗岩力学强度的影响规律;分析了实时高温和热冲击条件下花岗岩物理力学性质的差异,并提出了热冲击损伤系数的概念,揭示了热冲击损伤破岩机理.结果表明:高温会弱化岩石抗压强度和弹性模量,在25～200℃之间,岩石...     

深部岩石破碎方法

深部开采给岩石破碎理论与方法赋予了新的使命和内涵,探索适合深部特殊环境的岩石破碎技术对于安全、高效回收深部资源有着重要意义。综观目前国内外各类破岩方法的基础上,针对深部岩石的特点,指出了水介质破岩在深部开采中的优势,并分析了几种水介质破岩技术的现状和应用前景。     

微波照射后花岗岩裂纹扩展规律试验研究

硬岩裂隙的形成和扩展规律是研究岩石损伤机理的重要内容。为了探究微波照射下,岩石裂隙的扩展规律,为微波辅助破岩技术提供理论依据,利用扫描电镜(SEM)设备对花岗岩试件在微波照射及单轴抗压强度测试后进行扫描观测,分析岩石断口的形貌、裂纹的类型及断裂模型。结果表明：高功率微波照射后,试件表面出现颜色变化,并伴随有张拉裂纹出现,在压缩试验后,试件上部结构呈粉末状破碎|SEM设备观测下花岗岩断口形貌特征主要为平坦面状和条纹状断裂|花岗岩的裂纹类型主要为张拉裂纹和压剪裂纹|花岗岩的断裂模型主要为沿晶断裂、穿晶断裂以及两者叠加。     

微波照射后花岗岩裂纹扩展规律试验研究

硬岩裂隙的形成和扩展规律是研究岩石损伤机理的重要内容。为了探究微波照射下,岩石裂隙的扩展规律,为微波辅助破岩技术提供理论依据,利用扫描电镜(SEM)设备对花岗岩试件在微波照射及单轴抗压强度测试后进行扫描观测,分析岩石断口的形貌、裂纹的类型及断裂模型。结果表明：高功率微波照射后,试件表面出现颜色变化,并伴随有张拉裂纹出现,在压缩试验后,试件上部结构呈粉末状破碎|SEM设备观测下花岗岩断口形貌特征主要为平坦面状和条纹状断裂|花岗岩的裂纹类型主要为张拉裂纹和压剪裂纹|花岗岩的断裂模型主要为沿晶断裂、穿晶断裂以及两者叠加。     

循环载荷下深部花岗岩的破坏机理研究(增刊)

在深部地下环境,随着温度升高和围压增大,花岗岩等硬岩呈现出从脆性到塑性转变的特性。同时,其力学行为和本构关系也会发生重大变化。岩石在循环载荷作用下,内部裂隙分阶段扩展,破坏过程受到裂隙空间分布、力学行为和加载条件等的影响。本文以水厂露天矿混合花岗岩为研究对象,通过三轴压缩试验和声发射监测试验,得到了岩石破裂各阶段的声发射特征值和相应的应力水平,获得了裂隙初始应力、裂隙贯通应力、峰值应力和残余应力的强度包络线,分析了深部花岗岩的破坏机理,确定了声发射信号和岩石破坏特征之间的对应关系,为工程应用提供了依据。     

循环载荷下深部花岗岩的破坏机理研究

在深部地下环境,随着温度升高和围压增大,花岗岩等硬岩呈现出从脆性到塑性转变的特性。同时,其力学行为和本构关系也会发生重大变化。岩石在循环载荷作用下,内部裂隙分阶段扩展,破坏过程受到裂隙空间分布、力学行为和加载条件等的影响。本文以水厂露天矿混合花岗岩为研究对象,通过三轴压缩试验和声发射监测试验,得到了岩石破裂各阶段的声发射特征值和相应的应力水平,获得了裂隙初始应力、裂隙贯通应力、峰值应力和残余应力的强度包络线,分析了深部花岗岩的破坏机理,确定了声发射信号和岩石破坏特征之间的对应关系,为工程应用提供了依据。     

单双压头动静组合载荷破岩数值试验研究

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,以脆性岩石花岗岩为研究对象,进行了对单压头和双压头在不同加载模式下的破碎数值试验,采用声发射活动作为衡量标准表征破岩效果.结果表明:所加静载较小或动载荷应力波幅值小于岩石强度时破岩效果差;动静组合载荷加载条件下单压头和双压头均能大幅提高岩石破碎效果,且单压头破岩声发射能量大于双压头;双压头动静组合载荷破岩时压头间距对破岩效果有影响.     

岩石表面形态的各向异性及其摩擦特性研究

岩体的力学性质取决于岩块的强度、岩块的表面形态和岩块的几何组合结构,通过对砂岩、泥岩破裂面及其互层接触的摩擦试验,分析了不同接触面的剪应力一位移变化规律,提取了摩擦试验中样品的表面形态参数,研究了砂岩、泥岩在摩擦前后破裂面表面形态的变化,分析了它们的粗糙度及其起伏特性在摩擦前后的变化规律,研究了岩石表面形态的各向异性和岩石摩擦强度的关系．结果表明：岩石破裂面的力学行为具有各向异性特征,而这种特征不但取决于破裂面的空间形貌,即破裂面形貌自身的各向异性,而且还和摩擦面相对移动的方向有关．     

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。     

冲击荷载下轴压对峰后破裂砂岩力学特性的影响

针对深部工程围岩常处于峰后破裂状态且遭受动力扰动影响的特点,利用动静组合加载SHPB实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行冲击压缩试验,开展一维动静组合加载下破裂岩石的力学特性研究。试验中预先设置轴向静载为8,24和48 MPa三个系列,然后进行不同应变率下冲击加载,研究轴向静载对峰后破裂砂岩动力学特性的影响。对比完整砂岩试验结果表明:轴向静载8 MPa和相近应变率条件下,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均低于完整砂岩组合强度与冲击强度,两者变形模量相差不大,但峰后破裂砂岩单位体积吸收能大于完整砂岩单位体积吸收能。轴向静载相同时,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均随着应变率的增大而增大;轴向静载不同时,峰后破裂砂岩组合强度随着轴向荷载的增大而增大,而冲击强度随着轴向静载的增大先增大后减小。随着轴向静载的增大,峰后破裂砂岩单位体积吸收能也随之增大。动静组合加载下峰后破裂砂岩呈剪切破坏模式,且原始裂纹影响破裂面的扩展方向。     

高温后花岗岩声发射特征与损伤演化规律

为研究高温对岩石力学特性和内部结构的影响,对高温处理后的花岗岩进行单轴压缩和声发射测试。研究结果表明:高温对花岗岩力学特性影响显著,由于高温导致脱水和热膨胀,加热到200℃使花岗岩的强度升高了15%;此后,峰值强度随着处理温度升高而大幅降低,这归因于矿物晶粒的过度膨胀和相变引起的裂纹发育;此外,花岗岩逐渐由脆性破坏转为延性破坏,对应的临界温度在400℃和600℃之间;不同于低温下的情况,加热到600℃及以上的花岗岩在加载的初始阶段就有明显的声发射现象,这与高温诱发的热裂纹在外载荷作用下迅速扩展有关。考虑到初始热损伤,提出了一个修正的损伤变量,其变化特征较好地揭示了热处理后花岗岩在单轴压缩下的损伤演化过程。     

油气钻井组合载荷破岩数值试验研究

机械破岩是各类油气井钻进工程中重要的基础技术。运用岩石破裂分析系统RFPA,对不同组合载荷加载条件下压头侵入破碎硬岩(花岗岩)和软岩(页岩)情况进行了数值试验,采用声发射能量作为表征岩石破碎效果的指标。结果表明:较小的单一静载荷或动载荷破碎软岩可取得良好的破岩效果,但对硬岩则效果不佳;不论软岩还是硬岩,静、动组合载荷破碎岩石单元数量和声发射能量均大于单一静载荷或动载荷;声发射能量可以作为衡量最终破岩效果的指标。     

芦岭煤矿8煤层覆岩移动规律数值模拟

煤层开采将引起原有应力平衡的破坏,导致覆岩的变形与破断,不利于矿井的安全生产。基于岩石损伤力学的基本原理,分析了覆岩变形失稳的条件。结合矿区钻孔99-4揭露的开采地质条件和岩石力学性能等参数,运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)建立了力学模型。结果表明:覆岩中的离层面和纵向破断面的张开和闭合是一个动态演化过程;细中砂组合覆岩采动中直接顶基本是在工作面推进40m时发生离层破坏,而基本顶则是在工作面推进约65m时整体垮落,之后周期垮落步距10~15m。     

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。