准静态应变率下的煤岩非线性力学特性

为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征，利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5~10-2 s-1准静态应变率下的单轴压缩试验，分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律，基于煤岩显著的非线性力学特征，修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:① 煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出，随着应变率的增加，压密阶段缩短，线弹性阶段增长，屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显;② 由于原生裂隙的闭合和扩展，煤岩受载作用下，各阶段均呈现显著的非线性力学特征，随着应变率的增加，压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势;③ 准静态应变率10-5~10-2 s-1范围内，抗压强度随应变率增加由8.83 MPa增加至12.57 MPa，增长率42.35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势，在10-5~10-4 s-1应变率区间，弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa，随后在10-4~10-2 s-1应变率区间内减小，变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势，从1.53下降到0.71，减小53.59%;整个准静态应变率范畴下，煤岩的力学特征参数(抗压强度、弹性模量、泊松比)均表现出显著的非线性变化趋势，均在临界应变率10-3 s-1附近发生转折。④ 利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式，综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后，引入材料常数a对胡克定律进行修正，推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程，并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。     

饱水煤岩基本力学性能的试验研究

利用MTS电液伺服岩石试验系统对煤岩试件进行了饱水与自然两种状态下的单轴压缩与拉伸试验,结果发现,与自然状态煤样相比,饱水煤样单轴抗压强度降低了26.71%,弹性模量降低26.85%,轴向应变增大,普氏系数与泊松比均有所降低;饱水煤样抗拉强度平均降低43.86%,且破坏时间大为缩短。此外,煤岩单轴压缩与拉伸试验曲线均呈锯齿状,其中煤岩单轴压缩过程依次经历裂隙压密、表观线弹性变形、弹塑性变形以及断裂破坏4个阶段,拉伸试验中煤岩受力呈线性增加直至弹脆性拉断,失稳破坏瞬间发生。     

不同加载条件下原煤力学渗流特性试验研究

以潞安集团常村煤矿煤样为研究对象,利用WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置研究不同加载条件下原煤的力学渗流特性。结果表明,三轴压缩煤样的极限抗压强度和弹性模量均大于单轴条件下的相应值;随着围压的不断增大,煤样抗压强度和弹性模量也会增大,且弹性模量呈现很好的线性;循环加卸载轴压应力-应变曲线在一定程度上受制于常规三轴压缩试验相应曲线,峰值强度降低;煤岩应力-体应变曲线,在低围压试验下表现出扩容机制;在高围压条件下,从峰前至峰后,煤样体积始终呈压缩状态。三轴压缩条件下含瓦斯煤的渗透率与轴向应变呈斜"V"字型走势;循环加卸载轴压试验,随着加卸载次数的增加,煤样渗透率整体降低,但降低梯度减小。     

袁大滩矿主斜井冻土物理力学性质研究

为分析冻土单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度变化的规律,以及冻土的蠕变规律,开展单轴压缩和单轴蠕变试验,研究袁大滩矿主斜井冻结表土层的物理力学性质。试验结果表明,单轴抗压强度和弹性模量随冻土温度的降低而增加,泊松比随冻土温度的降低而减小,冻土的蠕变应变较小,但当应力水平较高时,冻结黏土会发生蠕变断裂。     

高家堡煤矿冻岩单轴压缩力学性质试验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究砂岩低温下物理力学性质变化,对高家堡煤矿525,657和782 m深度层位砂岩,进行了不同低温(-15～-5℃)下的单轴压缩试验,观察3个深度层位砂岩在不同低温下的单轴压缩后的破坏模式,并分析应力、应变变化规律以及单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化规律。试验结果表明,在试验温度范围内,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比均受温度影响较大,单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低而增加,泊松比随温度的降低而减小。拟合出砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化曲线,得出结论:砂岩单轴抗压强度和弹性模量在-15～-10℃温度范围内的变化率,比在-10～-5℃温度范围内更大;而其泊松比变化率受温度影响不大。     

特厚煤层矸石充填控制岩层变形特性研究

为研究特厚煤层在矸石充填下岩层变形特性,以某矿矸石为充填材料,采用侧限压缩试验研究其在压应力下的变形特征,并采用FLAC^3D建立数值模型,将侧限压缩试验中压实8 MPa的矸石的弹性模量应用至数值模型中,对比分析充填和未充填两种开采模式下的岩层的受力及变形。研究结果表明,矸石充填体变形特征表现为随着载荷的持续增加应变量逐渐增加,且两者呈现对数函数关系,应变量前期变化明显,后期逐渐减小;矸石充填开采后,对比未充填时岩层的位移量明显减小,且应力在岩层中分布更加均匀。试验和模拟结果均表明,矸石的压密致使充填体的变形趋于稳定,从而可以承担上部压力。     

类煤岩材料煤岩组合体力学及能量特征的煤厚效应分析

采用DYD-10电子万能试验机和PCI-8型声发射信号采集系统,对不同煤厚(11.11%,20.00%,33.33%,50.00%,62.50%)的试件开展了单轴载荷作用下变形破坏全过程的力学及能量特性实验。结果表明:随煤厚占比增加,试件压裂形态从拉伸破坏,经过拉伸剪切复合型破坏,逐步变为剪切破坏;试件抗压强度逐渐减小,压密阶段占比逐渐延长、弹性阶段占比逐渐缩短;随着载荷不断增大,声发射能量和振铃计数均出现与应力应变曲线相匹配的阶段性变化,单轴压缩破裂时AE峰值能量随煤厚占比增大而减小,平均减小率为13.32%;根据能量理论,试件全应力应变过程中弹性能、耗散能分别在弹、塑性阶段有明显增加,随煤厚占比增加,试件储能极限和耗散能转化率逐渐降低,能够有效表征煤层采动覆岩裂隙演化及煤层受载破坏时的剧烈程度。     

水分对煤力学性能及冲击能量指数的影响研究北大核心

煤的破坏是能量驱动下的一种失稳现象,为探究水分对煤破坏过程中能量积聚与耗散的影响,开展了不同含水状态煤样的单轴压缩试验,并基于此对煤的力学性能及冲击能量指数进行分析。结果表明:随含水率的增加,煤样单轴抗压强度和弹性模量显著降低;煤样的初始压密阶段、塑性变形破坏阶段及峰后破坏阶段在全应力-应变过程中的占比均增大,线弹性阶段占比减小;煤样峰前积聚变形能减小,峰后损耗变形能升高,冲击能量指数降低;含水率增加使煤样由劈裂破坏转变为剪切破坏,在破坏时崩落的碎块粒径变大,碎块数量减少,破坏声响减弱;饱水状态下煤样较干燥状态煤样单轴抗压强度、冲击能量指数及冲击能量速度指数分别下降35.32%、86.07%、99.63%;采用煤层注水工艺能有效降低煤层冲击倾向性。     

浸水时间对饱水岩石损伤破坏过程中声发射特征影响的试验

为研究不同浸水时间饱水岩石损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对天然及不同浸水时间的饱水闪长岩进行单轴压缩力学试验和声发射试验,研究单轴应力状态下其力学特性和声发射特征,结合累积声发射数与损伤变量一致的观点,建立了基于浸水时间的饱水岩石声发射损伤模型。结果表明:饱水岩石的单轴抗压强度和弹性模量随浸水时间的增加呈指数的变化规律逐渐减小,浸水60 d后其值均趋于稳定;在加载的各个阶段不同浸水时间的饱水岩样均有声发射事件产生,声发射事件率与岩样的应力-应变关系趋势均具有较好的一致性;声发射累积数的变化规律与岩样内部损伤演化规律具有一致性。     

砂岩变形率与水理效应的力学特性研究

通过不同变形加载速率下干燥和饱水岩样的单轴压缩试验,研究了砂岩抗压强度、 弹性模量、峰后应变和声发射特性的变形率效应和水理效应,定义力学参数的强化和弱化 因子,建立考虑砂岩变形率和水理效应的一维本构模型并进行验证。 结果表明:① 干燥砂 岩的应力-应变曲线包括弹性、弱塑性和破裂三个阶段,饱水砂岩则出现较长压实阶段,同 时弹性阶段缩短,塑性阶段增长。 ② 加载速率对干燥和饱水砂岩的抗压强度均具有强化作 用,抗压强度的率效应强化因子随加载速率的增大而增大;水对砂岩抗压强度具有弱化作 用,且水理效应弱化因子随加载速率的增大而增大;随着加载速率的增大,干燥和饱水砂岩 抗压强度的差值逐渐减小。 ③ 加载速率对干燥和饱水砂岩的弹性模量均具有强化作用,且 随加载速率呈线性增大趋势;水对砂岩弹性模量具有弱化作用,不同加载速率下砂岩弹模 的弱化因子变化不大。 ④ 加载速率对砂岩峰后应变的影响较小,饱水砂岩的峰后应变远大 于干燥砂岩,峰后应变的水理强化因子对加载速率不敏感。 ⑤ 砂岩的声发射信号随着加载 速率的增大而增多;相对于干燥砂岩,饱水砂岩的声发射能量累积速度明显推迟,但能量累 积的总量增大3~5 倍。     

干湿循环作用下岩石力学性质的实验研究

为了模拟风化作用对岩石力学特性的影响.利用MTS815岩石力学测试系统,实验研究了岩石在干湿循环条件下的变形与力学特性,得出:岩石应力应变全过程曲线可分为四个阶段:即初始压密阶段、弹性阶段、应变硬化阶段、应变软化阶段;随干湿循环次数的增加,试件的变形增大;干湿循环作用下,岩石的单轴抗压强度、弹性模量、E50模量减小,且与干湿循环次数呈对数函数关系.研究成果为岩石工程设计与保护具有重要的理论和工程实际意义.     

饱水孔道砂岩力学特性试验

针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩,利用MTS815试验机进行不同围压下三轴压缩试验,利用RMT-150C试验机进行单轴压缩试验,结果表明:(1)单轴压缩条件下,岩样的全应力-应变曲线明显分为4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至裂隙发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后破坏阶段.(2)单轴压缩条件下峰后应力-应变曲线表现出悬崖式下降趋势的特征;三轴压缩条件下无明显的压密阶段,峰后应力-应变曲线表现出由弹脆性向弹塑性转化趋势的特征.(3)随着围压的增大,除泊松比表现出减小的趋势之外,其余力学参数均有增大的趋势,对峰值强度和峰值应变的影响最为显著,峰值应变逐渐增大,岩样的塑性不断增加,表现出延性破坏的特征.(4)单轴压缩条件下岩样主要以X型裂纹的剪切破裂为主,单一斜平面的剪切破裂为辅;三轴压缩条件下岩样主要以单一裂纹的剪切破裂为主.     

高应变率下煤力学特性试验研究

利用Φ50 mm分离式霍普金森(Hopkinson)压杆(SHPB)试验系统,对煤进行单轴冲击压缩试验,明确煤的力学特性随应变率的变化规律。试验气压等级设计为0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55 MPa,为试样提供相应的6组不同应变率。试验结果表明:高应变率下煤应力-应变曲线大致分为压密阶段、弹性变形阶段、微裂纹演化阶段、裂纹非稳定扩展阶段以及卸载阶段;应变率升高缩短压密阶段,延长弹性变形阶段;随着应变率的升高,煤动态弹性模量与峰值应力近似呈对数形式增加,而峰值应变近似呈对数形式降低;煤试样的破坏程度随应变率的升高而增加,应变率由68.666 s-1增加到79.751 s-1,煤破坏程度对应变率的敏感性最为显著。研究结果可为采矿工程割煤参数的确定提供依据。     

人工负温高强混凝土动态力学特性研究

为研究人工负温早龄高强混凝土的动态力学特性,采用SHPB试验系统对-7℃不同龄期高强混凝土进行单轴冲击压缩实验,得到多组不同应变率作用下的动态应力应变曲线。研究发现:高强混凝土的强度具有明显的温度效应;标准及-7℃养护环境下,混凝土试块3d强度分别为单轴抗压强度的77. 4%、46. 7%;在低应变率作用下,负温混凝土脆性比较明显,中高应变率(大于30s~(-1))作用下,负温混凝土韧性增加,脆性降低;动态抗压强度、峰值应变具有明显的应变率相关性,三个龄期的峰值应变均在0. 002~0. 004;同一应变率及龄期的混凝土,其强度及弹性模量均随着受冲击次数的增加而减小,相反,其峰值应变变大。     

加载速率对岩石材料力学性质与能量演化特征的影响

为研究加载应变率对硬岩的力学性质与能量吸收、储存和耗散的影 响,本文对砂岩试样开展了不同应 变率下的单轴压缩试验,试验结果表明砂岩试样的峰值应力、峰值应变和弹 性模量均随着加载应变率的增大而增大, 但加载应变率对砂岩试样的单轴抗压强度影响显著。 研究了砂岩试验在不 同阶段变形过程中的能量吸收与耗散规 律,得到了砂岩试样在变形前期以弹性应变能的形式储存能量,同时又以损 伤演化等耗散能量,在变形后期以剧烈地 释放能量为主,且加载应变率越大,能量释放率越快。 研究结果表明能量耗 散是导致砂岩试样强度降低的本质原因, 基于能量耗散与裂纹损伤之间的内在联系,得到了加载应变率越大砂岩试样 的损伤应力比、损伤应变与损伤应力也 越大。 从能量吸收与耗散的角度研究硬岩损伤破裂规律,可从本质上揭示 硬岩在外荷载作用下的变形破坏机制,可 为实际工程提供参考。     

橡胶颗粒混凝土在深部软岩巷道中的数值模拟研究

为研究橡胶颗粒混凝土在高地应力软岩巷道底板支护的可行性,运用ABAQUS数值模拟软件,对橡胶颗粒混凝土在高地应力软岩巷道中的支护效果及其弹性模量和单轴抗压强度对卸压效果的影响进行模拟计算,并分析了橡胶颗粒混凝土的卸压机理。结果表明:在高地应力环境下,将橡胶颗粒混凝土应用于巷道底板与普通混凝土层之间效果较好;橡胶颗粒混凝土弹性模量在3~4 GPa,单轴抗压强度在3~5 MPa时得到最佳卸压效果;橡胶颗粒混凝土通过与底板围岩协同变形,释放围岩中的应力,从而减小支护结构所承受的荷载。     

周期荷载作用下盐岩疲劳特性试验研究

利用RMT-150C型岩石力学多功能试验机,针对盐岩进行了单、三轴周期荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的破坏特征、变形特性及损伤。单轴试验结果表明,盐岩疲劳破坏终点的变形量受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和幅值对盐岩的疲劳寿命有着显著影响;轴向应变和损伤都可以分为初始、等速和加速三个阶段;当上限应力小于单轴抗压强度的75%时,盐岩未发生明显破坏,疲劳效应明显弱化,可以认为是盐岩的门阀值为75%。盐岩的三轴疲劳试验表明:不同上限应力和幅值对疲劳寿命起关键作用;盐岩在三轴周期荷载作用下,很快完成初始变形阶段,而很长时间内处于稳定的等速变形过程,这种疲劳特性对储气库的稳定性有利。     

不同分层数量的煤系地层岩石单轴压缩试验分析

研究采用单轴抗压试验，以分别取自孔庄矿-1015水平3个取样点典型煤系岩石为对象，探究了层间具有粘结力的岩石力学性质。研究发现，煤系地层的层状岩石具有独特的力学性质，分层数量对岩石的压密阶段影响最大，增长范围为6.30%～88.58%.将层数对岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比值、纵横应变及应力应变状态进行了对比分析。结果显示，随着层数增加，抗压强度呈现上升趋势，而弹性模量呈现下降趋势，泊松比不受层数变化的影响，纵横应变和应力状态逐渐趋于缓和。     

充填膏体蠕变宏观硬化试验研究

为探索煤矿充填膏体的长期强度特征,采用水泥、粉煤灰、煤矸石等材料按照1∶4∶6配比制成充填膏体试件,对其进行了单轴压缩与蠕变试验。基于试验结果,分析了充填膏体试件的物理特性、蠕变瞬时变形模量等参数变化规律。研究表明:充填膏体致密性差、可压缩性强,在缓慢加载过程中试件趋于均匀、致密;蠕变试验过程中,在破坏前的各级应力水平上,随着应力水平提高和变形增加,充填膏体试件的瞬时变形模量增大,增长率为1.77×105%;同时,每级应力水平下弹性应变阶段的应变率随应力水平提高而逐渐减小;充填膏体蠕变强度大于单轴抗压强度,平均蠕变系数为1.09,充填膏体在蠕变过程中强度发生了宏观硬化。     

离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响研究

构建不同结构特征的离散裂隙网络,然后建立相应的等效岩体模型,通过单轴压缩数值试验得到等效岩体模型的力学参数,分析离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响。结果表明：随着裂隙密度P₃₂的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变近似线性递减,泊松比近似线性递增；随着裂隙倾角均值的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变先减小后增大,泊松比先增大后减小,在60°时达到极值；对于裂隙倾角的分布特征,当裂隙倾角均值为60°时,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变随Fisher分布常数的增加而减小,泊松比随Fisher分布常数的增加而增加,而对于其它裂隙倾角均值的情况,Fisher分布常数对裂隙岩体力学参数的影响较小；对于裂隙直径的分布特征,幂律分布指数对裂隙岩体力学参数的影响较小；敏感性分析结果表明,单轴抗压强度对于离散裂隙网络几何参数的敏感性最大,弹性模量的敏感性最小。