三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

交替加卸载条件下原煤的变形及渗透特性研究

采用热流固耦合伺服实验系统,开展了变轴压加载速率条件下交替加卸载过程中原煤的变形及渗透性实验,分析了交替增轴压、卸围压过程中含瓦斯原体的变形及渗透特性。结果表明：增轴压、卸围压过程中试样轴向呈压缩变形、径向呈膨胀变形,轴向压缩变形量和径向膨胀变形量随围压应力水平的降低均逐渐增大;增轴压过程中试样渗透率缓慢降低,卸围压过程中试样渗透率缓慢增大,满足二次函数关系;采用单位应力条件下试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化率分析轴压和围压对试样变形参数的影响特征,采用单位时间内试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化速率分析变轴压加载速率对试样变形参数的影响特性;随着轴向荷载强度和轴压加载速率的增大,试样轴向应变和径向应变变化速率的绝对值逐渐增大,渗透率变化速率的绝对值先增大后减小;相反,随着轴压加载速率的减小试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化速率的绝对值均先增大后减小;卸围压过程中2个试样轴向应变和径向应变变化速率的绝对值均逐渐增大,而渗透率变化速率的变化规律相反。     

高温作用下围压对页岩力学特性影响的试验研究

利用MTS815型程控伺服刚性试验机对页岩开展高温常规三轴压缩试验,基于试验结果分析围压与页岩应力-应变曲线特征、峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值应变的关系。结果表明,按体积应变特征,应力-应变曲线可归为3类：扩张型、压缩-扩张过渡型和压缩型,围压对页岩具有较明显的扩容作用。在同一温度时,在5～25 MPa围压范围内,页岩峰值强度（σ1-σ3）较低,表现出较强的塑性变形破坏特征,峰值强度和弹性模量具有随围压增加而增大的趋势。围压小于15 MPa时,页岩泊松比随围压增大而增大,而峰值轴向应变和峰值横向应变均随围压增加而逐渐降低;围压大于15 MPa后,泊松比随围压增加呈小幅下降,峰值轴向应变和峰值横向应变随围压增加而略有增大。     

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。     

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。     

砂岩峰后应变卸载围压摩擦滑动分析

进入深部采矿活动后,围岩受工程扰动后进入峰后阶段,其力学性质较峰前有较大差异。探究其峰后卸围压过程中应力、应变响应特性对巷道支护而言至关重要。利用MTS815实验系统,进行了不同围压条件下砂岩峰后固定轴向应变卸载围压试验。探讨了卸载围压过程中砂岩相关力学性质的影响。结果表明:试验围压内,峰值强度和峰后残余强度均符合线性MohrCoulomb强度准则。峰前加载段,剪应力比K随轴向应力的增加而减小,但变化速率逐渐减慢,在轴向应力达到峰值强度时,K值达到最小值0;在轴向应力达到峰值后,K值开始逐渐增大,到残余段时,K值保持不变。     

大理岩常规三轴压缩试验的相关性分析

大理岩常规三轴压缩试验结果表明,随着围压的增加,大理岩的峰值强度和残余强度逐渐增大,且峰值强度和残余强度与围压之间存在较好的相关性,但残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。当围压20 MPa时,各大理岩试样的应力-应变曲线中直线部分基本重合,弹性模量没有明显变化;当围压>20 MPa时,岩样刚度加大,全应力–应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡,弹性模量增大。     

细砂岩峰后力学特性和材料强度研究

 通过细砂岩三轴试验,得到不同围压的应力-应变曲线和轴向应变-径向应变曲线,分析和研究了峰值点与断层产生点的不同。试验表明,岩石在断层产生之后沿断层面滑移,围压、岩块的材料强度和岩块排列的结构效应三者共同决定了岩石的峰后力学行为。将压缩试验得到的不规则岩块浇注在混凝土试样中,运用剪切仪进行了专门设计的剪切试验,获得岩块的材料强度。对比不同加载历史的岩块压剪试验数据,表明试验设计的围压对岩块材料强度影响很小,压缩实验和剪切实验得到的强度参数存在差异。     

围压下岩石破坏过程的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D对模拟岩样进行了双轴压缩模拟,从细观角度观察和分析了围压对岩石强度特征、变形特征和破坏形态的影响。研究结果表明:随围压增加,岩样的抗压强度呈线性增强,且符合库伦强度准则;岩样的初始破裂应力和裂损应力均随围压增大而线性增大,但与峰值抗压强度的比值接近常数;岩样的弹性模量亦随围压增大而增大,但在较高围压时趋于平稳;压缩过程岩样轴向峰值应变和径向峰值应变均随围压增大呈线性增大,轴向峰值应变的增加幅度更大,且在模拟围压范围内均出现了体积扩容现象;围压下岩样以剪切破坏为主,且随围压增大,岩样破坏模式由脆性向延性转变,但围压对破坏角的影响较小,符合库伦准则。     

分级循环加卸载试验下砂岩的力学特性研究

采矿工程中岩体受开挖过程影响易发生不可逆破坏,为保证矿山开采的安全运行,须研究扰动荷载 下岩石的力学特性。为此,探讨了不同围压条件下,致密砂岩在常规三轴加载和分级循环加卸载作用下的力学特 性,并将二者进行对比分析。得出结论：破坏形式均属脆性破坏,循环加卸载下的砂岩试样破碎程度更大;循环加 卸载试验中,试样峰值强度较常规三轴试验有所减小,轴向峰值应变有所增大;增大围压能够提高砂岩抵抗变形的 能力;随着分级循环上限应力值的增加,滞回环曲线的面积逐渐增大,产生的耗散能也逐渐累积;循环加卸载过程 对砂岩弹性模量起到强化效应;同时,循环荷载加剧了裂纹损伤。此研究结果对砂岩在复杂应力下的矿山安全工 程实践具有重要的理论指导意义。     

深部灰岩力学性质及残余强度试验研究

在MTS试验系统上对采自凡口铅锌矿深部的灰岩进行了准静态单、三轴压缩试验,获得了不同围压下灰岩峰值强度前后的应力－应变关系曲线。根据试验结果,分析了岩石在不同围压下的受力变形特征,岩石的峰值强度前弹性模量、峰值强度与围压之间的特性,给出了峰值强度、峰值应变与围压、应力之间的量化关系。研究了岩石峰值强度后的应变软化特点和残余强度,并建立了残余强度、初始残余应变与围压之间的量化关系,得出在准静态加载条件下大多数岩样峰后产生弹脆性“跌落式”软化的重要特点,为该矿深部岩体工程应用研究中的岩石本构模型理论研究提供依据。     

基于灰色关联分析法的页岩储层脆性影响因素研究

针对页岩脆性影响因素多、权重分配模糊的问题,利用RTR-1000岩石三轴测试系统对鄂尔多斯盆地南部延长组长7段的15块页岩岩芯进行应力-应变曲线测试。通过线性回归和灰度关联法对10个影响页岩脆性的因素进行了定性和定量化表征,结果表明:围压、泊松比、弹性模量与页岩脆性呈正相关关系,峰值应变、峰值应力、破裂时间、残余应力、残余应变、差应力、破裂面条数与页岩脆性呈负相关关系;峰值应变对页岩脆性影响最大,残余应力,残余应变等次之,弹性模量对页岩脆性影响最小;峰值处的力学参数(峰值应变、峰值应力、破裂时间、差应力)对页岩脆性影响最大,峰后力学参数(残余应力、残余应变、破裂面条数)次之,峰前力学参数(弹性模量、泊松比、围压)对脆性影响最小,峰前、峰值处、峰后的力学参数对页岩脆性影响权重比例为0.181∶0.499∶0.319。对页岩脆性影响因素权重的分析,不仅可以简化脆性评价公式,同时可以提高脆性评价的准确性。     

侧向变形控制下的灰岩破坏规律及其峰后本构关系

根据不同含水状态（干燥和泡水饱和）和不同围压条件下的灰岩岩样的三轴压缩全程试验和峰后加卸载循环试验,分析干燥和饱水状态灰岩的变形破坏规律、围压对灰岩峰值强度和残余强度及破裂面角度的影响,研究灰岩峰前、峰后强度与变形之间的关系。结果表明：灰岩的破坏方式不仅和围压水平有关,而且和岩石的含水状态相关;灰岩的残余强度与峰值强度相比很小,且随峰后加卸载循环次数的增加继续衰减;该类灰岩在低围压下产生拉剪组合破坏,导致其破裂角度较Coulomb 准则预测值偏大,在高围压下发生完全剪切破坏,破裂角度与Coulomb 准则计算结果吻合;岩石轴向应力在峰值前是由其轴向应变决定的,峰后则由侧向变形控制,随侧向变形的增加逐渐衰减至残余强度。在此基础上建立了灰岩峰后本构模型,给出了分段的岩石应力-应变关系函数。利用该模型对岩石应力-应变全过程进行计算,计算结果与试验结果吻合较好。     

两向加卸载含瓦斯煤变形破裂数值模拟研究

为了模拟煤矿工作面前方应力变化时含瓦斯煤体的力学特性,应用RFPA~(2D)-Flow软件模拟研究了轴向加载-横向卸载作用下含瓦斯煤的变形破裂规律,讨论了初始围压、轴压和卸载速率效应对试样变形破坏的影响。研究结果表明:在加载和卸载方向,轴向应力和横向应力初期都呈线性增加,当达到极限强度后煤体的变形破裂导致急剧的应力降,直至煤样失去承载能力时基本保持恒定。初始围压、轴压越大,卸载速率越小,煤体的极限抗压、拉强度及其对应的轴向、横向应变越大;峰值强度及应变与初始围压、轴压呈明显的线性相关性,而与卸载速率表现出阶梯状,随着卸载速率的增加极限强度及应变减小速率逐渐降低。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

含气岩石的强度特性及脆性评价研究

储层岩石的强度特性与脆性特征是薄互层煤层气（瓦斯）合采中井壁稳定性及压裂效果评价的重要指标。基于三轴流固耦合试验系统,开展了不同围压条件下含气页岩和不含气页岩的强度特征及脆性评价的试验研究。结果表明:当围压保持一定,含气页岩的峰值强度均低于不含气页岩的峰值强度和残余强度;随着围压的增加,含气页岩和不含气页岩的峰值强度和残余强度均表现出增加的趋势。基于应力—应变曲线的岩石脆性特征评价方法,得出含气页岩和不含气页岩的脆性指标随着围压的增加而降低;当围压相同时,含气页岩的脆性指标均高于不含气页岩的脆性指标。基于应力—应变曲线考虑峰后相对应力降大小和应力降速率的岩石脆性特征评价方法具有较高的准确性。该研究对薄互层煤层气（瓦斯）安全高效合采具有重要的指导意义。     

不同围压下共面双裂隙脆性砂岩裂纹演化特性颗粒流模拟研究

为了研究裂隙岩体在不同围压作用下裂纹演化规律,采用颗粒流程序PFC2D对含共面双裂隙脆性砂岩不同围压作用下的破裂过程进行模拟研究。主要得到如下结论:1)通过单轴压缩下共面双裂隙脆性砂岩峰值强度、弹性模量及最终破裂模式数值模拟与室内试验的比较,验证了细观参数的可行性;2)峰值强度随共面裂隙倾角总体呈现增加趋势,但不同围压下峰值强度变化趋势有所改变,主要是试样的最终破裂模式不同所导致的;3)将预制裂隙试样大体分为四类:试样的最终破裂模式主要为轴向劈裂破坏为主、试样最终以剪切破坏为主且剪切面倾角受预制裂隙倾角及围压的影响、试样的最终破裂模式随围压的增大由轴向劈裂转变为剪切破坏、试样最终以剪切破坏为主且剪切面主要受围压的影响;4)试样的最终主要以轴向劈裂破坏和剪切破坏两种形式为主,两种破裂模式的破裂过程不同,且裂纹周围的位移场分布明显不同。     

循环荷载作用下冻结灰砂岩强度特征与弹性模量演化规律

针对典型中生代富水弱胶结地层中的灰砂岩,利用TDW-200冻土三轴试验机对冻结饱水灰砂岩进行常规三轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同围压条件下的强度特征,重点研究了循环加卸载作用下冻结灰砂岩弹性模量的演化规律。试验结果表明:循环加卸载时,在低围压下峰值强度有所增加,而在高围压下峰值强度有"弱化"的现象;冻结灰砂岩试样加卸载全过程中弹性模量的变化规律与加卸载路径变化趋势具有一致性;单个滞回环内,切线弹性模量随着偏应力水平的增加呈现出先增加后减小的趋势,同一偏应力水平下,切线模量随循环次数的增加也表现为先增加后减小趋势。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积吸收能随冲击次数增加呈先缓慢增加后突然增加的趋势;在循环冲击荷载作用下,砂岩试样吸收能量的能力增强,随着冲击次数的不断增加,试样内部微裂纹分布增多且扩展速度加快,主要发生受拉破坏,沿轴向加载方向产生贯穿于砂岩试样的环状破坏面。