真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明:真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。

真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统"开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明:随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。

真三轴应力条件下钻孔围岩塑性区及增透半径研究

深部岩体处于三维应力场中受开挖扰动影响钻孔、巷道围岩处于明显的真三轴应力状态。钻孔抽采技术是煤矿广泛用于瓦斯治理的重要措施,钻孔周围塑性区是瓦斯流动的优质通道,研究钻孔围岩塑性区特性对于抽采钻孔的优化布置至关重要。为研究钻孔围岩的塑性区特性,基于广义平面应变理论分析围岩应力分布,比较几种常用强度准则(MC、Mises、D-P、MLC、SMP)的适用性和精确性,对比试验结果表明,MLC准则能较好地表征岩石的真三轴强度特性。基于MLC准则推导了围岩塑性区半径公式,分析偏应力、中间主应力、岩石内摩擦角、岩石黏聚力和钻孔半径对增透半径的影响,结果表明,增透半径随着偏应力的增大而增大,随中间主应力的增加先减小后增大,随岩石内摩擦角、岩石黏聚力的增加而逐渐减小,随钻孔半径的增加而线性增大。研究结果可为实际工程中巷道支护、煤层瓦斯抽采等技术的参数设计等提供重要参考。

堆石体在真三轴应力状态下的非共轴性与剪胀特性

基于连续-离散耦合分析方法,发展随机颗粒不连续变形分析方法。采用不规则多面体模拟实际堆石颗粒,制备初始各向同性的堆石料数值试样,进行等平均静水压力p、等中主应力系数b应力路径的真三轴数值试验。分析堆石料在真三轴应力状态下的剪胀特性,以及应变增量与应力增量的非共轴性。研究结果表明:刚开始加载时,应变增量与应力增量共轴,随着加载的进行,应变增量的方向发生偏转,偏转量与中主应力系数b有关,在三轴压缩应力路径(b=0)和三轴拉伸应力路径(b=1)时,几乎不发生偏转;对比Rowe,Roscoe,改进的Roscoe以及Lagioia剪胀模型,改进的Roscoe剪胀模型预测的剪胀曲线与数值试验结果较吻合,在改进的Roscoe剪胀模型上引入1个角隅函数,以反映中主应力对剪胀特性的影响。

真三轴应力状态下岩石损伤本构模型

从岩石微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,建立了真三轴应力状态下岩石损伤软化统计本构关系;根据应力应变关系的几何条件,建立了本构模型参数与岩石变形过程中应力应变曲线特征参量的理论关系,从而增强了模型的适应性;最后通过试验实测数据验证了模型的合理性.

真三轴应力作用下煤样三维渗透率与地应力耦合关系研究

煤层气渗透率的高低直接决定了煤层气井单井产量。为了研究真实地应力状态下煤样渗透率与地应力的关系,利用实验室自主研制的国内首台真三轴三维渗流物模装置,对沁水盆地南部晋城寺河矿区煤样进行三轴应力独立阶梯递增和递减加载下的渗流实验,发现垂直应力对煤样渗透率的影响程度最大,得出在增压和减压过程中三维渗透率与地应力的耦合关系式,符合经典的岩石流固耦合模型中的幂律模型。

基于离散元法的真三轴应力状态下砂土破碎行为研究

基于可破碎三维离散颗粒模型模拟了一系列常规三轴试验与真三轴试验,研究了砂土在真三轴应力状态下的破碎行为。数值调查主要关注试样的应力应变特性、级配及相对破碎率的演化。随着围压增大,颗粒破碎率增大,试样应变软化特性和剪胀性逐渐减弱,而超过临界高围压后,由于固结中颗粒大量破碎,试样剪胀性反而增强。真三轴试验中,试样偏应力比峰值均随中主应力参数b值增大而减小。由于破碎随b值增加而明显增大,试样剪胀性随b值增大而逐渐减弱。试样内摩擦角φ随围压增大而减小,其演化关系基本满足对数关系;内摩擦角随b值增大先增大后减小,Lade-Duncan准则较为适合描述其变化规律。此外,试样相对破碎率增大的速率随围压和轴向应变增大而逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。

真三轴应力下锦屏大理岩长期强度确定方法

长期强度对于研究深部工程岩体的时效力学特性至关重要,基于真三轴应力诱导硬岩各向异性时效破裂特征,提出用于确定锦屏大理岩长期强度的新方法——稳态蠕变速率法,即σ_(1)与σ_(3)方向稳态蠕变速率相等时的应力被确定为岩石长期强度。除此之外通过等时曲线法、过渡蠕变法和稳态蠕变速率法分别求解了锦屏大理岩长期强度。研究结果表明:过渡蠕变法并不适用于真三轴应力下锦屏大理岩的长期强度求解;等时曲线法可以获得真三轴应力下锦屏大理岩长期强度范围,其精确程度受多级蠕变试验选取的应力增量影响;稳态蠕变速率法可以较为准确地获取真三轴应力下锦屏大理岩的长期强度,证明了该方法的正确性及可靠性。

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.

真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等σ3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。

真三轴应力下塑性混凝土性能及破坏准则

基于5组配合比共45组塑性混凝土立方体试件的真三轴试验，研究了塑性混凝土的力学变形性能和破坏准则。结果表明，塑性混凝土第一主应力一应变关系曲线可分初始反弯段、直线段、曲线段和直线平台段，其中初始段有明显的弹性特征，直线段之后塑性变形较大。当第二、第三主应力较小时，真三轴应力下塑性混凝土试件破坏形态与单轴受压相似，当第二、第三主应力较大时，试件破坏呈现八字形斜裂缝。第一主应力随第二、第三主应力的增加而增大，且对第三主应力的变化较为敏感；对于同组配合比的塑性混凝土，固定第二主应力、变化第三主应力时的黏聚力和内摩擦角与第二和第三主应力同时成比例增加时的黏聚力和内摩擦角相比，分别是2倍和0．5倍左右；塑性混凝土三轴抗压强度是单轴抗压强度的3—5倍。在此基础上，运用强度理论分析了本文及文献的试验数据，建立了真三轴应力下塑性混凝土的二参数、三参数和四参数破坏准则，并与普通混凝土进行了比较。

花岗岩实时高温真三轴的水力压裂

在干热岩资源开发中,水力压裂是提高热储层的渗透率与产热量的重要手段。然而,在高温高压环境下的水力压裂机理仍不清楚。本文在不同真三轴应力下对花岗岩进行了室温与200℃下的水力压裂试验,应用光学显微镜和核磁共振技术,表征了花岗岩试样水力裂缝从微观至宏观的特征形态,揭示了不同温度下的水力压裂机理。试验结果表明,在相同应力条件下,相对于室温下水力压裂,200℃下水力压裂能显著降低破裂压力与起裂压力,200℃下压裂曲线增压阶段明显偏离线性。在20 MPa的水平应力差下,200℃下水力压裂会形成具有多尺度裂纹的云状裂缝,而不是与室温下水力压裂类似的单一主裂缝。此外,核磁共振结果显示,在200℃水力压裂后的花岗岩试样中,微尺度裂纹的增加会导致压裂体积增加,这是由200℃水力压裂下孔隙压力的扩散导致微裂纹而造成的。

真三轴应力状态下含预裂缝石灰岩静态破碎裂纹演化规律

为了模拟500m地下煤层巷道采空区坚硬顶板的放顶试验,采用真三轴压力机对200mm×200mm×200mm含预裂缝的立方体石灰岩试样进行三轴应力下静态破碎试验,研究岩石静态破碎过程中裂纹演化规律,并利用声发射空间定位技术对静态破碎过程中裂纹起裂与扩展进行监测。结果表明:真三轴应力下裂纹起裂位置为钻孔中部的预裂缝两侧,并先后形成两组裂纹,沿预裂缝方向的裂纹对称分布并大致成一直线,并且当预裂缝方向垂直于最大阻应力方向时,也总能沿着预裂缝方向起裂与扩展。

真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统的研制及其应用

为研究深埋、高地应力条件下地下洞群围岩稳定性,新研制大型真三轴加载地质力学模型试验系统,该系统主要由三维钢结构台架装置和液压加载控制系统组成,可实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载。在各加载面上研制和布设组合型滚珠式滑动墙,实现新型超低减摩技术。用该系统开展洞群开挖支护的模型试验,在试验技术和模型制作工艺上有了创新和重大改进:采用预制模块堆砌黏结成型的工艺方法制作模型,提高全模型在力学性能上的一致性;采用数字照相变形量测技术、基于光纤Bragg光栅的棒式位移传感器和新研制的高精度光栅尺型微型多点位移计进行围岩内变形量测;新研发施作注浆锚杆和预应力锚索的独到工艺技术;还开展大埋深条件下的超载试验,观察到围岩破坏的发展过程,试验结果还与数值分析进行对比。研究的方法技术及结果将对类似工程研究有一定的指导和借鉴意义。

真三轴卸载试验中岩石的破裂特性（英文）

深埋地下工程围岩常出现板裂化破坏,而对于板裂破坏的机理尚不明确。考虑到工程开挖卸载的应力路径,即"卸载最小主应力,保持中间主应力,增大最大主应力",为了揭示中间主应力对岩石板裂破坏的影响,开展真三轴卸载岩石压缩试验。通过监测试验过程中岩石试件的声发射和红外热辐射特性,分析岩石板裂破坏的发生和发展。试验结果表明:随着中间主应力的增大,岩石的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为板裂破坏。当中间主应力较小时,岩石的声发射为群震型;而当中间主应力较大时,岩石的声发射为主震型。在不同的中间主应力下,岩石的红外热辐射特性也不同。当中间主应力较小时,岩石试件的临空面上温度变化区域为剪切面,当中间主应力较大时,温度变化区域为岩石的整个临空面,进一步证明了岩石的破坏模式转变为板裂破坏。

真三轴加载条件下含瓦斯煤体复合动力灾害及钻孔卸压试验研究

煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害严重威胁矿山安全高效生产。煤矿进入深部开采后,受原岩应力升高及地质赋存条件变化的影响,冲击与突出复合型动力灾害呈逐渐增多趋势,其发生原因、机理较单一动力灾害更为复杂。因此研究深部煤矿复合动力灾害致灾机理对于动力灾害的有效防治至关重要。本文基于自主研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,进行了考虑气体影响的完整煤样和卸压孔煤样的5面加载、单面临空试验。结果表明,复合动力灾害是煤岩在应变能和气体内能作用下非线性瞬发性破坏的动态过程。其发生过程具有明显的阶段性,主要经历颗粒弹射、碎片弹射、局部煤体破坏、煤体抛出失稳和重新平衡状态,煤样破坏后形成明显弧形阶梯状煤体抛出坑。中间主应力在一定范围内有增强煤样强度的特性,试样强度随中间主应力的增加而逐渐增加,试样破坏后形成平行于中间主应力方向的主断裂面。钻孔卸压措施可在一定程度上改善煤岩力学性质,软化煤岩结构,降低煤岩强度,增强其塑性变形特性,使集聚的弹性能量缓慢释放,降低动力灾害发生的可能性。对比试验结果表明,卸压孔平行于中间主应力时煤样产生的塑性区范围更大,塑性程度更强,钻孔后的试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构,与未钻孔和其他钻孔布置方式相比,致灾程度弱化,无明显动力显现特征,卸压效果更好。卸压钻孔主要通过优化能量释放结构,促进煤岩渐进式损伤,最终煤岩趋于静态缓慢式破坏。针对现场具体工程条件,提出了根据实际地应力、地质条件等布置卸压钻孔方位的技术方案和可行的治理措施。

真三轴条件下的岩石细观损伤力学模型

本文提出了真三轴条件下的岩石细观损伤力学模型，建立了岩石的损伤演化方程，给出了损伤柔度的求解公式。数值分析表明中主应力对岩石应力－应变关系有明显的影响，一般表现为随中主应力的增加，最大主应力方向的变形减小，最小主应力方向的变形增大；但当最大主应力很大时，大的中主应力反而使最大主应力方向的变形增加，最小主应力方向的变形减小。

考虑中主应力的常用破坏准则适用性研究

针对岩土工程中常用的考虑中主应力效应的5种破坏准则,推导各准则考虑中主应力影响的内摩擦角表达式,建立真三轴应力下内摩擦角与中主应力系数的关系,探讨中主应力的影响规律。与砾石料、密砂和黄土3种材料的真三轴试验结果进行比较,并采用标准差量化方法,探讨各准则对中主应力的反映程度及其适用性。研究结果表明:5种破坏准则均不同程度地反映中主应力效应,Drucker-Prager准则计算拟合效果较差,修正Lade-Duncan准则拟合效果较好,其余3个准则拟合程度相当,对于不同的材料应选用不同的破坏准则。