专利简介

确定岩石长期强度的方法确定岩石长期强度极限的方法包括:给岩石试样加载,记录试样的裂隙率和根据试样裂隙率确定岩石的长期强度极限。为了提高确定岩石长期强度极限的准确性和效率,将一批试样通以电流,测定通过电流的次低频噪声强度。选出通过电流的噪声强度值最小的试样,将选出的试样再次进行通电,施加不断增大的压缩力,并测定电流的次低频噪声强度。根据通过试样     

岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。结果表明:组合试样应力-应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高。     

基于声发射能量值的煤岩试样损伤分析

试样内部微裂纹在压力作用下的萌生、分叉、扩展及贯通,最终导致了试样的破坏。声发射检测系统能实时检测获得试样在变形破坏过程中声发射信号,获得的声发射特征参数也因此包含了煤岩试样变形破坏过程中大量的损伤信息。通过利用试验获得的声发射特征参数对岩石变形破坏过程的损伤进行分析研究,得出岩石的声发射现象与岩石的损伤有密切关系。     

含单一孔洞岩石形状效应数值模拟研究

为研究形状效应对含孔洞岩石强度特征、变形特征和破裂演化规律的影响,利用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对不同宽度孔洞岩石试样进行单轴压缩数值模拟。结果表明:随着试样宽度增大,完整试样峰值强度表现为逐渐减小的特征,而含孔洞岩石试样峰值强度先增大后又逐渐减小,当试样宽度为160 mm时,取得最大值;孔洞岩石试样的破坏模式随着试样宽度的增大逐渐由拉伸破坏演化为剪切破坏。     

类岩石加锚试样单轴压缩力学性质及破坏机制

目前锚杆作用于完整岩体的锚固机制研究较少,以加松香的水泥砂浆和铜丝制成类岩石加锚试样,进行单轴压缩试验研究.与无锚试样相比,压缩试验的加锚类岩石单轴抗压强度明显提高,轴向锚固的弹性模量比横向锚固的弹性模量提高约48%,类岩石锚固体试样为剪切破坏或拉剪综合破坏,而无锚类岩石试样以劈裂张拉破坏为主.加锚类岩石抗拉强度有所提高,加锚试样压拉比大于无锚试样.类岩石加锚试样因锚杆锚固作用会形成等效围压,宏观上会提高围压与主压应力的比值,细观上使主裂纹产生挤压流动和塑性变形而不易形成拉伸翼裂纹,从而提高类岩石加锚试样的强度和改变类岩石加锚试样的破坏模式.     

脆性岩石中裂纹速度效应的试验研究

为考察岩石材料中与裂纹速度变化相关的系列现象,对两类岩石I型断裂梁式试样进行了落重加载试验,同时利用高速摄影记录试样表面的变化情况。之后,借助激光表面仪和扫描电镜等实验技术获得了断口和试样表面的细观结构信息。利用现象学方法分析了高速断裂中裂纹速度效应与岩石断裂模式和断裂耗能的关系。     

双向岩石试验机的设计

为了对岩石试样进行双向压缩试验,需要有专门的岩石双向压缩试验机。这里在总结前人经验的基础上,设计了具有自己特色的岩石双向试验机。该试验机实现了对岩石试样的双向恒压、恒速压缩,加载比例在1:1~1:2之间,可广泛运用于岩石试验的研究及教学中。     

加卸荷对岩石弱化破坏的影响

在岩石试样的加卸荷试验的基础上,结合工程实际,研究了加卸荷对岩石弱化破坏的影响.研究表明,加卸荷可以造成岩石试样的破坏;在增加轴向应力或减小最小主应力的条件下,岩石试样的变形会随之增大;卸荷破坏时岩石的强度较加荷破坏时更低.     

裂隙性对岩体稳定性影响的评价

在由坚硬岩石构成的岩体中,岩石的裂隙性对矿山坑道的稳定有决定性的影响。岩体被其生成和存在过程中形成的裂隙系统分割破裂,导致产生岩体结构的弱化效应,它表现为裂隙岩体的强度低于岩石试样的强度。裂隙构成现有弱面的总体,通常沿这弱面发生岩体破坏。所以在坚硬岩石中的结构弱化比尺寸效应(随着试样体积增大,其强度降低)占优势,尺寸效应在评价矿山工程     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

采用SDAES型数字声发射仪和岩石参数动态测试系统,对云南大红山铜矿2组岩石进行了单轴压缩条件下的声发射实验,研究岩石在单轴加载过程中声发射活动随时间和应力、变形等内在规律,比较2组岩石声发射规律的异同,在此基础上分析了岩石的破坏机理。实验结果表明：2组岩石声发射活动规律大体相同。除加载初期外,岩石声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与试样体积变形的主要原因。岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率不完全一致,声发射能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感,更适合用来预测岩石的破坏。     

级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应

通过对3种厚度在20～50mm不等的圆柱形岩石试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法分析了试样厚度对岩石劈裂强度的影响,得出单轴抗压强度越大的岩石,巴西劈裂强度的尺寸效应越明显;不同岩石劈裂强度的尺寸效应各有不同,白色大理石劈裂强度随试样厚度增加呈线性减小,硅质砂岩劈裂强度随试样厚度增加呈线性增大,炭质泥岩劈裂强度随厚度增加呈指数增大.拟合这3种岩石劈裂强度与厚度关系的函数,相关系数都在0.99以上.试验结果还表明,不同岩石劈裂时横向应变和轴向应变也受试样厚度的影响,存在明显的应变尺寸效应.     

岩石试样脆塑性破裂全过程数值试验研究

为了探究岩石试样形状与其塑性性能的关系,在PFC2D中建立了中颗粒大理岩和三峡花岗岩的数值模型,进行不同高宽比数值试样的单轴压缩试验。比较应力-应变曲线,发现随着高宽比的减小,两种岩性的试样均出现了由脆性破坏向延性破坏发展的趋势。同时声发射模式由主震-后震型向前震-主震-后震和群震型转化。另外,利用两种常见的脆性评价方法,计算了不同高宽比试样的脆性指数。随着高宽比的变化,岩石的脆、塑性性能体现出巨大的差异性,试样脆性指数与其高宽比呈正相关关系。根据应力-应变曲线、声发射曲线、裂缝扩展形式和脆性指数的变化情况,较好地阐述了岩石试样随高宽比的改变所呈现出脆-延-塑性转化的特性。岩石的脆、塑性破坏的本质是因为其裂缝扩展方式的显著不同,岩石的脆性失稳是由一条或者较少的主裂缝贯穿引起,而塑性失稳往往会产生较多的主裂缝。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正交型裂隙试样起裂应力集中于0.22σ_c～0.34σ_c,起裂发生在较低应力水平;当岩石中存在与加载方向垂直的裂隙时,岩石的破裂与破坏受此类裂隙的影响最为显著。     

基于尺寸效应的砂岩巴西劈裂声发射特征试验研究

利用SAW-2000岩石伺服压力机和SAEU2S声发射监测系统,对5组厚径比一定,直径不同的砂岩圆盘试样进行巴西劈裂试验,并对加载过程中的应变、声发射参数进行分析。结果表明:在试样同厚径比的条件下,试样的抗拉强度与试样直径符合一定的函数关系,岩石巴西劈裂的抗拉强度随尺寸的增大而减小,当尺寸达到某一阈值时强度趋于稳定;岩石巴西劈裂过程中尺寸效应对声发射(AE)能量的释放影响明显,小尺寸试样AE累计能量与时间的曲线呈现多个"台阶形"变化,随着试样尺寸的增大,AE累计能量与时间曲线前期变化平缓,临破裂前出现激增。     

类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的相关性

类岩石锚固体声波波速与其强度特性的研究较少,针对类岩石锚固体试样制作的特殊性,结合室内单轴压缩试验,利用声波测试技术分析类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的关系特点.无论标准试样有无锚固或相似原料配比变化,纵波波速增大,单轴抗压强度也相应随着增大.锚杆轴向布置和横向布置均能提高试样的单轴抗压强度,但提高的幅度很相近,这可以通过两种加锚方向的试样纵波波速变化不大来反映.对比类岩石锚固体试样单轴抗压强度随试样密度和纵波波速的变化关系,纵波波速的影响更显著.     

岩石试样声发射的加载体刚度效应

基于加载体刚度对岩石试样产生声发射率时间序列的影响，利用统计细观损伤力学对加载体和岩石试样组成的简单力学模型产生的声发射进行了理论分析，推出了具有围压作用的应力－应变全过程关系，并利用计算机对全过程进行了仿真模拟．结果表明，加载体刚度的变化通过影响岩石试样变形速率的方式来参与影响岩石试样声发射率的时间序列．理论结果和实验值吻合较好．     

岩石爆炸加载破碎特性与其声学特性关系

研究表明岩石声学特性能较好地反映岩石某些重要物理力学特性及结构特征。分析了作为岩石声学特性重要参数之一的纵波速度与岩石某些物理力学特性的关系,对大理石试样进行了超声波测试,并进行了爆炸加载初步试验。试验初步显现出岩石声学特性与岩石爆破破碎关系密切的特点,在无约束单向爆炸加载条件下,沿试样纵波速较高的方向加载时岩样的破碎程度较高。     

综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理

为研究综放工作面不同赋存位置的煤与岩石近红外光谱曲线特征和吸收机理,从同煤集团塔山矿综放工作面采集煤与岩石钻芯,按赋存位置的差异将煤与岩石钻芯依次分为:3～5号煤层夹矸、2号煤层夹矸、直接顶岩、基本顶岩、3～5号煤层所含煤,2号煤层所含煤,共计六大类、27种煤与岩石试样。在实验室利用AVANTES近红外光谱仪分别获取27种煤与岩石试样在长波近红外波段(1 100～2 500 nm)的反射光谱曲线。通过X射线衍射、X射线荧光、工业分析等实验手段分别测定煤与岩石试样的矿物成分、元素含量、工业成分含量。同时为研究煤与岩石光谱曲线特征差异的普适性,依次采集山西、山东、宁夏、内蒙古等矿区的22种煤与岩石试样,并分别获取其在长波近红外波段(1 100～2 500 nm)的反射光谱曲线。通过对塔山矿综放工作面煤与岩石试样的光谱特征和吸收机理以及不同矿区煤与岩石试样的光谱特征研究表明:①煤层夹矸与顶板岩相比,煤层夹矸的吸收特征和曲线斜率绝对值偏小,主要是因为煤层夹矸中相对较多的不透明炭质物质遮蔽了无机离子在其特征波长处的吸收特征。虽然煤中基质(主要是C,H,O元素组成的有机物)是其矿物的5.3倍,但是有机基团在近红外波段没有明显的吸收特征,且大量不透明炭质物质遮蔽了无机离子在近红外波段的吸收特征,使得煤的光谱曲线较为平滑且呈上升趋势。②煤与岩石光谱曲线的差异特征可用吸收谷深度之和、斜率和凹凸度来描述。     

薄层状岩石试样3D打印与力学特性试验研究

薄层状岩石广泛存在于矿山开采与地下工程建设中，针对其力学特性的研究对于该类岩体工程的安全施工与运营具有重要意义。借助自主研发的岩土类材料3D打印设备，基于湿料挤出沉积成型3D打印工艺，开展了不同层理产状薄层状类岩石试样的3D打印试验，成功获得了层理面与试样长轴夹角θ为0°、45°、90°的类岩石试样。针对打印试样开展单轴压缩试验，借助数字图像相关方法（DIC）对试验过程开展非接触式全场应变观测，对比分析了不同层理产状3D打印试样的宏观力学参数、空间应变场演化规律与破坏模式。结果表明：所提出的湿料挤出沉积成型3D打印工艺与设备，可以构建力学特性及破坏模式与薄层状岩石类似的人工试样。受层理产状与加载方向的关系影响，试样的宏观力学参数及破坏模式存在显著差异，θ=0°、45°、90°试样的峰值强度均值分别为1.88、1.55、3.32 MPa，弹性模量均值分别为0.37、0.32、0.98 GPa。DIC观测结果可以更直观地揭示层理产状与加载方向的关系对于薄层状岩石破坏过程与破坏模式的控制机制。相关成果可为3D打印技术在岩石力学中的推广应用提供借鉴。