冻结条件下岩石强度特性的试验

随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,人们越来越发现有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以从胡家河矿井筒冻结现场选取煤岩及砂岩2种具有代表性的岩样,在MTS815实验机上进行不同围压及不同温度条件下的单轴及三轴压缩实验,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种不同岩样的同一性和差异性进行了比较研究,推导了含温度因子的冻结岩石非线性破坏准则。为低温条件下岩石力学特性研究提供参考。     

基于Hoek-Brown强度准则磷矿体开采稳定性分析

磷矿是保障精细磷化工生产和粮食供应的物质基础,而地下缓倾斜磷矿体的开采一直是个难题.该文以湖北兴山后坪矿段磷矿层地下开采为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D,基于Hoek-Brown强度准则,对磷矿层的开采过程进行了数值模拟.首先进行单轴压缩模拟试验,求得各岩体的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比,模拟试验结果和室内试验结果基本一致.然后研究了磷矿层开采过程中采空区围岩的应力变化情况、上覆岩体的位移规律和矿柱屈服区分布情况,从而评价采空区的稳定性.最后,分析了在缓倾斜磷矿体中实施浅孔房柱法开采的的可行性.     

切削具的“后部效应”对岩石破碎的影响

本文通过一个光弹实验和静压卸载实验,着重讨论了钻井中做回转运动的切削具后部的岩石表面上出现张裂纹和卸载破坏的问题。光弹实验表明,运动的切削具(如金刚石颗粒)在其后部的岩石中诱发出一个张应力区,最大张应力是在岩石表面上,在此表面上极易形成微小张裂纹。卸载实验表明,对某些脆性岩石(如花岗岩),载荷只要达到其压碎载荷的60％以上,就可以通过卸载方式破坏岩石。     

复杂应力状态下岩石弹性波传播特性的研究

本文以探讨地下岩体处于三向不同应力状态下其内部弹性波的传播规律为目的,研究了两种不同致密程度的岩石(沙岩、灰岩),在单轴压力和三轴不同压力下,弹性波的传播特性和波速与应力的关系。结果表明,不同应力状态下岩石的弹性波速随应力的变化阶段与应变随应力的变化阶段大致相同,可分为三个变化阶段;对于处于弹性应力状态下的岩石,应力与弹性波速的关系可用不同的依赖系数线性表示。同时,对用弹性波法确定岩体地应力及水平构造应力进行了探讨。     

考虑孔隙压力影响的碳酸盐岩裂缝成因模式研究

通过三轴压缩实验研究了在不同围压和孔隙压力下碳酸盐岩破裂方式及裂缝分布形态。在设定的加载方式下,针对某异常高压油田碳酸盐岩实验结果表明:岩石在压缩导致破裂的过程中,破裂方式主要与有效应力有关;随着有效围压的增大,岩石逐渐由脆性变形转化为塑性变形。对三轴压缩实验后的岩心磨制了薄片,从微观上分析裂缝成因模式。随着有效围压的增大,裂缝类型分别为劈裂面、高角度缝、共轭剪切缝、高密度网状缝。     

煤岩交界面对水力压裂裂缝扩展的影响

针对井下煤层压裂过程中,压裂裂缝扩展至煤岩交界面处,受多种力学因素的综合影响,扩展方向可能会发生偏转.通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究.结果表明:煤岩交界面与水平剖面的相交角、水平主地应力差、最小水平主地应力、煤岩交界面的黏聚力及煤岩层弹性模量差异等是影响裂缝扩展方向的主要因素.随着相交角或水平主应力差的增加,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性增加;最小水平主地应力越大,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性越小;煤层交界面的黏聚力越小或煤层与顶板岩层的弹性模量差异越大,裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显.     

单轴压缩条件下脆性岩石变形破坏的理论、试验与数值模拟

利用损伤力学对脆性岩石在单轴压缩条件下的变形破坏行为进行了理论分析,并利用数值模拟试验机(RFPA)、伺服控制试验系统(RMT 150B)分别对岩石进行了数值及实验室试验,将理论分析曲线、数值试验及实验室试验曲线进行了对比研究,分析了理论结果、数值试验及实验室试验结果之间的联系与差别(尤其是全程应力应变之间的差别)以及产生这些差别的原因,结果表明数值试验并不是理论解析方法的简单重复,而是反映和研究岩石变形破坏全过程的有力手段·     

岩石扩容与超声波横波速率关系研究

通过超声波对单轴压缩试验中岩石扩容现象的测试,分析了超声横波在不同岩石压缩过程中的传播情况。利用超声横波的特性测出岩石在压缩的不同阶段的微裂纹发展情况和体积变化情况,进一步证明了不同岩石在单轴压缩过程中扩容的时间和程度存在差异:超声横波在各岩样中到达最大速率的时间在灰岩中较晚;超声横波的传播速率在玄武岩中传播较快,灰岩中次之,在砂岩中最慢;超声横波在不同岩石中传播时速率的变化幅度以及压缩各阶段传播速率变化幅度受轴向应力应变的影响而有不同。     

岩石分形节理光弹实验与数值模拟研究

从分形几何的观点出发，根据岩石结构面具有统计自相似特征，采用Mandelbrot-Weierstrass函数在聚碳酸脂板人为生成不同分维的分形曲线来模拟岩石节理不同的粗糙度，对该试样进行了一系列单压和压剪光弹实验。运用ANSYS系统，通过对模拟分形节理实验过程的数值模拟，研究了定量刻划节理粗糙性的分维对应力场分布变化的影响，并与光弹实验结果作了对比分析。研究表明，数值模拟结果与光弹实验结果有较好的一致。     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

不同围压下煤岩声发射特征试验

利用MTS815岩石力学试验系统对煤岩试样进行常规单轴和三轴围压下的声发射(AE)试验.对声发射信号特征进行综合分析,结果表明:常规单轴压缩和围压作用下试样的AE参数变化均具有明显的趋势性;围压的作用下,弹性阶段的声发射信号显著减少,破坏前无明显AE相对平静期现象,随时间分布的AE振幅及其包络线可以间接反映应力的变化趋势.随着振幅的增加,声发射事件数呈递减的趋势,反映累积幅度分布的m值随着围压的增加而增大.AE频率均分布在3个频域范围内,试样破坏时AE主频成分所占比例显著增加.     

单轴压缩下石灰岩损伤统计本构模型与试验研究

基于岩石应变强度理论和岩石强度的Weibull分布假设，引出能合理描述岩石微元强度的参量，采用损伤力学理论，建立了能够反映残余强度的单轴压缩下岩石损伤统计本构理论模型．并利用伺服控制试验系统(RMT-150B)对石灰岩进行了单轴压缩试验，得到合理的石灰岩损伤统计本构关系，并验证了理论模型。     

岩体裂隙区全长黏结锚杆应变测试方法

受到裂隙岩体非连续变形以及全长黏结锚杆与黏结剂间复杂剪切作用的影响,裂隙区域的锚杆应变量值一直难以准确测量.通过3D打印制备全长黏结锚杆,并在杆体内、外侧分别粘贴应变片,利用单轴压缩试验获得了裂隙开裂过程全长黏结锚杆拉应变的演化规律.研究发现,外侧的应变片受黏结剂剪切变形影响较大,且当黏结剂塑性变形能力较强时,其测试结果易失真.而内部的应变片能准确获得杆体应变的全过程曲线.最后利用FLAC软件模拟裂隙处锚杆失效过程,验证了应变片不同粘贴方式对测试结果的影响,也进一步证明了杆体内粘贴应变片测试方法的可行性.     

V形裂隙类岩石材料单轴压缩光弹性试验

天然岩体内交叉裂隙按几何形状可分为X形、T形与V形等,其中V形裂隙可以近似看作前两者在“短交叉”情况下的特殊形式,其裂纹扩展破坏规律与其它两种形式存在显著不同。为了探究V形裂隙在荷载作用下对于岩体损伤破坏规律的影响,开展了不同裂隙倾角的类岩石材料单轴压缩光弹性试验,根据应力–光学定律计算试件表面的应变场,分析V形裂隙岩体的损伤破坏规律。结果表明,岩体强度随裂隙倾角增加而增加,但增长速度不断减小,并建立了裂隙倾角与单轴强度的拟合曲线;V形裂隙岩体裂纹扩展首先发生在非交叉端,随后在交叉端产生沿加载轴向的裂纹,当裂隙倾角不大于45°时,随着荷载增加在两个非交叉端之间也会产生宏观裂纹。     

红透山铜矿矿岩破坏过程中声发射实验研究

通过对红透山铜矿矿岩学轴压缩状态下声发射实验,分析了各种岩石产生声发射的机制及岩体破坏机制。实验表明,声发射的显著增加都发生在极限应力的95％,因此,声发射显著增加作为岩体破坏预报点是可行的。     

单轴压缩下岩石损伤统计本构模型与试验研究

基于岩石应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,建立了能够反映残余强度的单轴压缩下岩石损伤统计本构模型．利用伺服试验机对大理岩进行了单轴压缩试验．基于试验结果确定出损伤统计本构模型参数,理论结果和试验结果吻合较好．     

薄煤层冲击矿压发生机理及防治研究

分析了崔庙矿薄煤层诱发冲击矿压的原因,验证了薄煤层深部开采时具有冲击矿压现象,实验研究了薄煤层的冲击矿压危险性与煤岩体的结构特征的关系,即组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板与煤样高度比值的增加而增加,随着煤岩高度比减小,组合煤岩单轴抗压强度增大,煤层厚度的变化对煤体中的应力分布有着很大的影响,探讨了薄煤层应力分布及转移规律和冲击矿压机理,即煤层越薄,煤体承载能力越强,越不容易产生应力转移,由于开采煤体,引起峰值应力区垂直应力升高,水平应力对煤体约束减小,导致冲击矿压。文中以崔庙矿为工程研究背景,通过设置切顶巷和顶板深孔爆破降低了冲击危险性,取得了显著效果,验证了薄煤层开采切顶巷防冲技术和顶板预裂爆破技术的可行性。