高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制

 基于流体动力学与弹性力学基本理论,分析水射流冲击岩石过程中产生的水锤压力与滞止压力,推导不同压力阶段水射流截面上动压力径向分布函数,建立水射流以不同的夹角?冲击横观各向同性岩石的数学模型,选取? = 0°,45°,90°研究冲击夹角对岩石破碎规律的影响;选择具有良好横观各向同性的砂岩开展不同夹角的冲击实验。理论分析与实验研究表明：水锤压力导致横观各向同性岩石产生冲击破碎坑,滞止压力诱发岩石内部裂纹的产生与扩展;水射流以垂直于、倾斜于、平行于层理冲击横观各向同性岩石导致其分别产生横向裂纹、倾斜裂纹和劈裂裂纹。     

水射流冲击含饱和流体岩石介质耦合机理分析

根据含饱和流体的岩石孔隙介质在水射流冲击下包括水射流与岩石、水射流与孔隙流体以及孔隙流与孔隙固相介质三种耦合作用,建立了淹没条件下水射流冲击孔隙介质的耦合分析的理论模型,给出了数值计算方法。按建立的模型计算了出口速度为447.2,547.7和632.5m/s的水射流冲击岩石时水射流流场、岩石孔隙介质内渗流场和应力场的分布规律,为高压水射流破岩机理的研究提供一种新的数值方法。     

冲击荷载作用下岩石动力特性的试验研究

应用高压气枪冲击试验设备对大理岩样进行了不同固体冲击速度下的冲击试验,探讨岩石类材料在冲击荷载下作用下的破坏过程和动力特性。共对9组大理岩样进行了冲击试验,试验时固体冲击速度逐渐增加,速度范围是126.2～531.9m/s。得到的初步试验结果如下:当固体冲击速度较低时,岩样整体没有崩解破碎,局部发生破碎,且随着冲击速度的增大,产生的微裂纹会逐渐增多;当固体冲击速度较高时,岩样整体发生崩解破碎,且随着固体冲击速度的增大,破碎后的岩样中细颗粒的含量增大,即随着固体冲击能的增大,岩样的破碎程度逐渐增加。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论：在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。     

聚能药卷的爆炸裂纹定向扩展过程试验研究

应用透射动焦散线试验研究爆炸裂纹定向断裂超动态破坏力学特征。试验结果表明,爆炸主裂纹断口特征为典型的拉伸断裂,爆炸裂纹尖端的动态应力强度因子、裂纹扩展速度、扩展长度的变化趋势几乎相同,爆炸主裂纹主要在60～200μs完成,极限动态应力强度因子很少超过1.5MN/m3/2,爆炸裂纹止裂韧性约为0.3MN/m3/2。聚能药卷具有明显的爆轰波卸载效应和聚能方向爆生气体射流效应,高压爆生气体射流的"气楔效应"是聚能方向压缩径向裂纹进一步扩展的主要驱动力,同时抑制了非聚能方向压缩径向裂纹的发展。双孔点射流聚能药卷、双缝线射流聚能药卷都能实现岩石定向断裂爆破,形成良好的爆破断裂面,多缝线射流聚能药卷适用于高瓦斯煤层增透防突的深孔预裂爆破。     

磨料射流破碎岩石的性能研究

磨料射流在切割破碎岩石时,将产生比纯水连续射流巨大的冲击力。从固液两相流特点出发,对高压磨料射流破碎岩石的机理进行了分析与实验研究。得出岩石在受到磨料射流的冲击下,磨粒与水体对岩石的冲击压力与岩石在水介质作用下力学特性的变化共同促使了岩石的破坏。岩石破坏时最大剪应力位于0．5倍喷嘴直径的径向距离处,同时在固体介质表面边缘产生最大拉应力。该研究从理论与实验上为磨料射流破碎岩石奠定了理论基础。     

水射流在煤层中水平钻孔的试验研究

分析了水射流流动结构中存在的三个射流阶段和水射流作用于煤层时所具有的撞击、冲击、水楔、气蚀、剪切等破岩机理和岩石的破坏过程。深入探讨了目前有关水射流破岩的前沿问题，提议从岩石动态破碎和水射流与岩石的相互耦合作用的角度来分析水射流的破岩过程。提出了用高压水射流在煤层中钻孔的一种新方案，即采用缠绕在辊筒上的连续钢管，将水射流钻头与高压水泵连接起来，在煤层中实施连续钻孔作业，本方案自动化程度高。可加快钻孔速度。通过试验数据分析了水射流破岩距离与射流压力的非线性关系，对钻孔煤渣做了分样分析，认为水射流钻孔产生的煤渣颗粒大于普通的钻孔煤渣。研究结果表明：水射流破岩时存在一个门限压力，水射流压力和流量与破岩效率成非线性变化的相关规律，与流量相比，射流压力对破岩作用更为重要。     

应力波作用下三点弯曲梁破坏过程数值模拟

岩石类准脆性材料三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏受应力波加载速率以及应力波峰值的影响。使用新发展的并行RFPA2D-Dynamic数值模拟工具对三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏过程进行了数值模拟,研究了不同加载速率和加载峰值的破坏规律。数值模拟结果与物理实验结果具有较好的一致性。在低加载速率下,三点弯曲梁发生拉伸破坏,且只出现一条裂纹;在较大加载速率时出现多条平行拉伸裂纹;在大加载速率时出现拉伸、剪切复合裂纹。应力波峰值较小时形成单一的拉伸裂纹,而随着加载峰值的提高,形成多条平行拉伸裂纹。     

层状复合岩体冲击动力学特性试验研究

为探究岩石工程中较为常见的层状复合岩体的动态力学性能,采用波阻抗差别较大的红砂岩和灰砂岩"拼接"成层状复合岩体试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,分别对灰砂岩靠近入射杆和红砂岩靠近入射杆2种情况进行不同冲击速度下的冲击压缩试验,对比研究应力波由硬入软和由软如硬2种情况下复合岩体应力波传播特征、动态应力–应变关系以及能量耗散规律。理论分析复合岩体的受力特征和强度条件,同时结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对复合岩体的破坏特征进行研究。研究结果表明:(1)复合岩体的动态力学特性及能量耗散规律均具有明显的应变率效应。(2)相同冲击速度下,受波阻抗匹配关系影响,应力波由硬入软和由软入硬时复合岩体动力学特性差异性明显。但是随着冲击速度的增大,两者之间的差异逐渐减小,趋于一致。(3)复合岩体两部分岩石破坏程度和破坏形式明显不同。波阻抗小的红砂岩破坏程度较波阻抗大的灰砂岩更为剧烈。红砂岩以剪切破坏为主,且交界层面处红砂岩后于其他区域红砂岩发生破坏;灰砂岩以张拉破坏为主,高速下产生局部剪切破坏,且交界层面处灰砂岩先于其他区域灰砂岩发生破坏。     

南沙群岛珊瑚礁礁灰岩力学特性研究

 对取自南沙群岛永暑礁和渚碧礁的礁灰岩的物理性质和力学性质进行测试,包括声波测试、单轴抗拉强度试验、单轴抗压强度试验和三轴压缩强度试验。试验结果表明,礁灰岩具有较高的孔隙率,远远大于其他岩石,其纵波波速为2 700～3 700 m/s,并随着孔隙率的增大线性减小;礁灰岩的软化性较弱,干燥抗拉强和度饱和抗拉强度相差不大;礁灰岩的破坏形态表明其具有脆性岩石的特点,但又与花岗岩等脆性岩石有本质的区别。在破坏时并不像其他脆性岩石一样具有单一破裂面,而是沿着珊瑚生长线同时出现多个破裂面,并保持较高的残余强度,礁灰岩的这种破坏模式是由其特殊的岩体结构决定的。     

单轴荷载下砂岩波速特征与损伤演化规律研究

超声波波速变化是判定岩体裂纹扩展、损伤演化的重要手段。联合单轴压缩与超声波波速测试试验,探索了加载过程中砂岩试样的波速变化特征,并据此对砂岩的破裂发展及损伤程度开展了评价。结果表明,在压密和弹性阶段内,砂岩的波速和动弹性模量都呈增大趋势,表明砂岩结构随加载变得更加致密;而随加载进行由弹性阶段逐渐进入塑性阶段,波速和动弹性模量均开始下降;横波、纵波波速的转折点基本对应压密—弹性、弹性—塑形的转折点,而波速比的变化较符合岩心内部裂隙发展特征;对比发现,横波波速变化比纵波波速敏感性更大;在整个加载过程中,岩石的动弹性模量与应力应变曲线都呈现良好对应关系,表现为弹性阶段后期动弹性模量开始下降,而进入塑性阶段后,动弹性模量下降速率渐趋于最大值。该研究可为砂岩内部损伤演化规律及灾变预报预警等有益参考。     

高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究

利用分离式霍普金逊压杆装置（SHPB）进行单轴动态压缩实验,研究砂岩经历25℃～800℃高温作用冷却后,密度、纵波波速、峰值强度随温度的变化规律;同时从破坏模式、块度分布以及高速摄影特性角度分析了高温后砂岩的动态破碎特性。研究结果表明：随着温度的升高,试样的密度、纵波波速、峰值强度均逐渐减小,200℃后纵波波速降低的幅度增大,400℃～600℃之间峰值强度降低幅度较小,800℃后峰值强度急剧下降;历高温后砂岩的动态破碎特点主要为拉伸破坏,且随着温度的升高,破碎程度越大,岩块分布趋细粒化。通过高速摄影仪拍摄图象,直观地再现了岩石动态破坏过程,发现纵向裂纹沿加载方向随机分布在岩样四周,且初始载荷时岩石破碎形态不具代表性而是随着应力波多次反射才形成最终的破坏形态。     

饱水及高温对砂岩声学力学性质影响试验研究

对砂岩经历饱水及不同温度(25~1 000 ℃)前后的物理参数、纵波波速及力学性能参数进行了量测,分析了砂岩试样的密度变化率,纵波波速的变化规律,抗压强度、抗拉强度的变化及压缩破坏形态的差异。结果表明砂岩在经历饱水、高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;经历不同温度后砂岩波速的变化率与温度等级近似呈线性关系;800~1 000 ℃之间存在一个温度阀值,高于此温度后砂岩的密度、纵波波速、强度都急剧降低;温度的不同也会影响砂岩的破坏形态,200~800 ℃范围内及饱水后砂岩的破坏模式基本为剪破坏,25~100 ℃范围内破坏模式为张破裂。基于试验结果结合砂岩材料的微观结构特征对温度和饱水作用下砂岩各方面性质的变化进行了机理分析,结果可为实际岩体工程提供一定参考。     

水压诱发裂缝拉伸与剪切破裂的理论模型研究

 基于断裂力学理论,分别研究水压诱发的拉伸与剪切破坏特征。在水压诱发拉伸破坏方面,建立考虑井筒影响的地应力与水压耦合下的射孔尖端裂缝应力强度因子计算方程,推演该条件下拉剪复合应力状态下的断裂准则以及临界水压和启裂角的计算式。运用该方法从理论上分析了井筒周围存在对称的2条裂纹时,启裂水压和角度受射孔倾角、射孔长度、井筒半径及主应力差的影响。研究结果表明,依据推演的拉剪复合型断裂准则计算得到的射孔启裂水压和角度与试验结果吻合良好。参数分析表明：随着射孔长度或井筒半径的增加,临界水压减小。在水压诱发剪切破坏方面,则根据裂纹面的应力状态,分别推导裂纹处于压剪闭合状态和压剪不闭合状态下,水压诱发剪切破坏的断裂准则,并考虑非奇异应力对剪切断裂的影响,进一步推导压剪闭合应力状态下发生剪切破坏的临界水压计算公式。     

Numerical study on static and dynamic fracture evolution around rock cavities

In this paper, a numerical code, RFPA^2D (rock failure process analysis), was used to simulate the initiation and propagation of fractures around a pre-existing single cavity and multiple cavities in brittle rocks. Both static and dynamic loads were applied to the rock specimens to investigate the mechanism of fracture evolution around the cavities for different lateral pressure coefficients. In addition, characteristics of acoustic emission (AE) associated with fracture evolution were simulated. Finally, the evolution and interaction of fractures between multiple cavities were investigated with consideration of stress redistribution and transference in compressive and tensile stress fields. The numerically simulated results reproduced primary tensile, remote, and shear crack fractures, which are in agreement with the experimental results. Moreover, numerical results suggested that both compressive and tensile waves could influence the propagation of tensile cracks; in particular, the reflected tensile wave accelerated the propagation of tensile cracks.     

Strength degradation of sandstone and granodiorite under uniaxial cyclic loading

Change in mechanical properties of rocks under static loading has been widely studied and documented. However, the response of rocks to cyclic loads is still a much-debated topic. Fatigue is the phenomenon when rocks under cyclic loading fail at much lower strength as compared to those subjected to the monotonic loading conditions. A few selected cored granodiorite and sandstone specimens have been subjected to uniaxial cyclic compression tests to obtain the unconfined fatigue strength and life. This study seeks to examine the effects of cyclic loading conditions, loading amplitude and applied stress level on the fatigue life of sandstone, as a soft rock, and granodiorite, as a hard rock, under uniaxial compression test. One aim of this study is to determine which of the loading conditions has a stronger effect on rock fatigue response. The fatigue response of hard rocks and soft rocks is also compared. It is shown that the loading amplitude is the most important factor affecting the cyclic response of the tested rocks. The more the loading amplitude, the shorter the fatigue life, and the greater the strength degradation. The granodiorite specimens showed more strength degradation compared to the sandstone specimens when subjected to cyclic loading. It is shown that failure modes of specimens under cyclic loadings are different from those under static loadings. More local cracks were observed under cyclic loadings especially for granodiorite rock specimens.     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。