冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试,并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构,分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明,冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响,具体表现在:①受围压和轴压的影响,冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力-应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。②冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用,气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大,瓦斯压力越高,含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分,所形成的裂隙结构愈复杂。③含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展,冲击载荷耦合瓦斯压力作用下,含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动-裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后,随着气体压力增加以及气楔作用的增强,瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动-裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律,含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

单轴压缩条件下单裂隙花岗岩力学特性及破坏特征

为研究含贯通单裂隙花岗岩的力学特性及破坏特征,以我国高放废物地质处置甘肃北山预选区完整花岗岩及含倾角30°、45°和60°贯通裂隙的花岗岩为研究对象,开展单轴压缩试验研究.结果表明:裂隙倾角越大,试样的单轴抗压强度、损伤应力以及弹性模量越低;与完整岩石相比,倾角30°、45°和60°裂隙花岗岩的抗压强度分别下降7.97%、29.17%和71.68%,损伤应力分别下降9.35%、24.26%和69.79%,弹性模量分别下降5.89%、23.32%和60.49%.裂隙倾角不同,试样的应力-应变曲线呈现出显著的差别;裂隙倾角越大,损伤应力至峰值应力之间的屈服阶段越明显,发生沿裂隙面滑移破坏特征越显著;裂隙倾角影响花岗岩的破坏模式,试样的破坏形式主要表现为穿裂隙面破坏(倾角30°)、穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移并存的复合破坏(倾角45°)以及沿裂隙面滑移破坏(倾角60°);倾角60°的裂隙花岗岩的抗压强度与试验前后裂隙面的分形维数差符合幂函数增长关系.

河流下综放工作面覆岩破坏特征和陷落柱防水煤柱留设研究

目的长平矿Ⅲ2317工作面在开切巷处揭露陷落柱,地表丹河流向与工作面推进方向一致,受采动影响,陷落柱内部水体及河水可能通过开采裂隙导入回采空间,从而造成工作面突水。针对以上问题,方法本文采用理论分析、数值模拟和现场观测等方法,对回采工作面覆岩“两带”高度、覆岩破坏特征和陷落柱煤柱留设宽度进行研究。结果结果表明:工作面顶板垮落带与导水裂隙带最大发育高度分别为18.38,93.85 m,河水对工作面不构成突水威胁;无煤柱开采时,陷落柱一侧顶板裂隙沿陷落柱胶结面向上高度发育;结合理论计算和数值模拟分析,确定煤柱宽度为35 m。工作面在留设35 m煤柱条件下安全完成回采,地表变形特征符合预期,最大下沉量达到4000 mm,回采过程中工作面未发生突水事故。结论研究结果可为类似条件下的煤层安全开采提供理论和经验支撑。

层状复合夹煤岩石组合体试样强度试验与破坏特征研究

针对巷道复合夹煤组合结构顶板易冒落问题,以某矿取芯和钻孔窥视探测获得的巷道层状复合夹煤顶板结构组合类型为实验背景,对砂质泥岩、中砂岩以及煤厚度为20、30、40 mm不同结构组合类型的复合试件进行了单轴压缩试验,研究了复合夹煤岩石组合体的力学特性与破坏特征。试验结果表明:复合夹煤岩石组合体的抗压强度均小于单一岩石,中砂岩夹煤厚度为30mm时抗压强度达到单一中砂岩抗压强度的85.95%,抗压强度随着煤厚变薄而下降;砂质泥岩夹煤厚度为20 mm时仅为单一砂质泥岩抗压强度的32.5%,随着夹煤厚度增加抗压强度也增大,夹煤厚度超过30mm后抗压强度增大不明显。复合夹煤岩石组合体整体呈X状共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏、部分拉伸破坏,随着复合夹煤岩石组合类型不同呈现不同的破坏特征等。

动载作用下锚固体应力波传递及破坏特征研究

为研究动载作用下锚固体的应力波传播规律及破坏特征,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对锚固体试件开展了不同预应力及不同冲击次数的冲击试验。研究结果表明:随着预应力增加,锚固围岩中应力波峰值逐渐增加,衰减速度逐渐减小,增大锚杆预应力,锚固自由端拉伸波峰值明显减小;随锚固体试件预应力增加,锚固体轴力损失越快,轴力损失率呈二次线性增加的趋势;预应力较小时,锚固自由端围岩产生裂缝较多,多次冲击下裂缝距离较为接近;随着预应力的增加,自由端头破坏程度减弱;随着预应力增加,拉拔最大位移量越来越小,未受动载作用的原始试件拉拔后未出现明显的破坏;动载作用后,随着预应力增大,锚固端头发生一定程度的劈裂破坏,预应力持续增加劈裂破坏程度越来越弱。

深部极高地应力花岗岩隧道岩爆破坏特征及成因机理研究

深部极高地应力花岗岩隧道施工过程中,岩爆灾害异常突出,硬岩岩爆不同程度地造成岩体片状剥落、棱板状破裂、岩块抛掷及强烈弹射等。为了揭示花岗岩隧道岩爆成因机制,综合地质调绘、监控量测、岩爆实录统计、室内岩石力学试验、微观分析和数值模拟分析等方法对隧道高地应力及岩爆的形成、破坏特征及影响因素进行探讨分析。根据现场岩爆实录统计分析,花岗岩隧道岩爆破坏特征复杂多样,发生时间集中,高水平构造应力使靠近雅鲁藏布江河谷一侧岩爆烈度显著增大,大埋深高自重应力导致岩爆主要分布在隧道掌子面和拱顶。基于钻孔实测地应力数据和初始地应力场反演分析,发现花岗岩隧道地应力场由构造应力和自重应力共同主导,隧道沿线82.0%的区段处于高到极高地应力状态,为岩爆的发生提供内动力地质条件。室内岩石力学试验表明二长花岗岩和花岗闪长岩均具有中等岩爆倾向性,厚层状、强度大、刚度高、完整性好的岩体为岩爆提供充足的物源条件。受控于雅鲁藏布江缝合带地质构造作用以及新生代岩浆活动作用影响,花岗岩隧道呈现高地温特征,地温梯度为5.5℃/100 m,最高实测地温达到89.6℃,高温热力耦合作用加速岩爆发生并提高岩爆危险性等级。隧道施工工艺会改变围岩应力重分布,影响围岩的应力集中,造成一定的尺寸效应,影响岩爆发生的烈度等级、时间和空间分布。

不同组构砂岩微观破坏特征分析

为了研究不同组构砂岩宏观-微观破坏特征的内在联系,对香花岭矿区三种砂岩开展物相分析、沉积相判别及单轴压缩和剪切试验,观察微观结构差异.研究结果表明:陆相沉积石英砂岩抗压强度最大,长石砂岩次之,海相沉积海绿石砂岩最小;单轴压缩试验宏观上石英砂岩、长石砂岩发生脆性破坏,而海绿石砂岩呈现出具有软化特性的延性破坏,微观上石英砂岩发生沿晶破坏,断面平整,长石砂岩发生沿晶和穿晶破坏,断面呈小扇贝状,表面附着少量碎屑,海绿石砂岩断面呈平板-花团复合状,晶粒破碎且擦痕明显,晶粒、胶结物质及结构弱面共同控制破坏特征;剪切试验微观上石英砂岩先发生沿晶破坏后发生穿晶破坏,断面不平整、擦痕及碎屑多,长石砂岩以沿晶破坏为主伴随穿晶破坏,断面部分平整、擦痕及碎屑较多,海绿石砂岩同时发生沿晶破坏和穿晶破坏,断面平整、几乎无擦痕和碎屑,砂岩微观破坏特征受晶粒和晶间胶结物质强度的共同影响.

温压炸药近爆作用下RC梁破坏特征和毁伤规律试验研究

作为一种高能量密度炸药,温压炸药的爆炸毁伤效应及毁伤机理有别于传统炸药。结合敞开空间温压炸药爆炸冲击波及热效应试验,研究温压炸药爆炸冲击波特征及传播规律,采用高速摄像技术和光纤多谱线测温技术分析爆炸火球演化特征及火球表面温度变化规律。为研究温压炸药爆炸荷载对钢筋混凝土结构的毁伤效应,针对两种典型钢筋混凝土梁开展不同比例爆距下的爆炸试验,阐明两种钢筋混凝土梁在不同药量、不同爆距下的破坏特征和毁伤规律。研究结果表明:相比TNT炸药,温压炸药爆炸冲击波具有超压峰值大、正压作用时间长及峰值衰减缓慢的特点,温压炸药爆炸最高温度达到2400 K,超过1000 K的高温持续时间超过160 ms,高冲量爆炸冲击及持续高温作用导致钢筋混凝土结构受到更大程度的毁伤破坏。结合药量对毁伤规律的影响,提出钢筋混凝土梁在温压炸药近区(0.20~0.75 m)爆炸荷载条件下基于比例爆距和药量的毁伤判据。

金川二矿区3个中段协同开采巷道变形破坏特征研究

为研究金川二矿区3个中段协同开采巷道变形破坏特征,通过现场调查、数值计算及理论分析,对二矿区3个中段协同开采巷道位移变化规律、应力分布特征、塑性破坏范围以及巷道变形破坏原因进行研究。结果表明:金川二矿区3个中段协同开采过程中,中间中段巷道变形破坏最显著,下部中段次之,上部中段最小;不同中段巷道变形破坏具有区域性,上部中段与中间中段巷道中部变形破坏明显,下部中段巷道东西部变形显著;各中段巷道变形破坏呈明显非对称性,巷道近扰动侧边帮变形破坏较远扰动侧边帮更显著;协同开采扰动、地应力及矿岩条件是导致协同开采巷道变形破坏的主要因素。研究结果可为金川二矿区3个中段协同开采巷道安全控制提供一定理论依据。

水下滑坡运动诱导形成的内波特性及破坏分层特征

为改善湖库因季节性水温分层而导致的水质恶化现象,通过水下滑坡体扰动的方式人工诱导产生内波,探究了水下滑坡运动诱导形成的内波特性及其对水体温度分层结构的破坏特征,结果表明:水下滑坡破坏水体温度分层结构主要通过扰动引起上下层水体交换实现,在此过程中内波作用效果持久且较为平缓;滑坡倾角和滑坡体运动速度对分层水体破坏效果有重要影响;滑坡倾角为45°工况相较60°工况诱导的内波规模更大。

深埋大理岩三轴压缩渐进破坏裂纹扩展特征

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中的裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC3D颗粒流模型对深埋大理岩开展25、50、80 MPa 3种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数定义3种特征应力,并据此开展深埋大理岩渐进破坏过程中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明:1)室内试验与数值模拟的应力-应变曲线吻合较好,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段4个阶段,并根据裂纹数量定义3个特征应力点。3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σci时,裂纹从两端开始萌发;加载至损伤应力σcd点时,裂纹向中间扩展;达到峰值应力σc点时,在宏观破坏面附近扩展、增生;加载至峰值点后70%峰值应力点时,最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σc点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。5)加载前期,围压的增长对裂纹数量增长促进作用更强;加载后期促进作用减弱;最终裂纹扩展形成的实际宏观破坏角度大约为210°。

基于碾压混凝土破坏特征研究

以目前碾压混凝土重力坝坝体破坏特点为背景,利用扩张有限元数值方法,对碾压层厚度对大坝应力分布规律和裂缝扩展的影响进行了研究,并将在同一超载系数下的计算结果进行了比较,其中,超载系数从1.04~3.04,一共9种。在同样的过载条件下,裂缝的垂直延伸长度随碾压层的加厚而略有下降,裂缝的垂直延伸长度比正常情况下要小,仅在K=2.29、K=2.79两个位置与正常情况相当。大坝的压应力和物质的抗压强度相近,表明大坝在这个时候会出现总体失稳,而且裂缝的发展会转向沿河流的流向;在坝体各部位的材料达到对应的强度后,裂缝的横向发展速率会迅速增加,直至整个坝体的断裂。通过对4种不同荷载作用下坝体裂缝扩展深度、坝顶位移、坝踵及坝址处的受力情况进行了比较,结果显示,不同荷载作用下坝体裂缝呈现出脆性突发性破坏特征;结果表明:在荷载作用下,坝体裂缝扩展深度和坝顶位移均有一定程度的降低。

岩石-混凝土组合体单轴压缩力学与破坏特征数值模拟研究

目的为研究单轴压缩条件下混凝土组分骨料含量、强度等级、占比和界面倾角对岩石-混凝土组合体力学与破坏特征的影响,方法结合凸多边形随机骨料生成投放程序与RFPA2D分析系统,构建组合体数值模型并进行数值模拟。结果组合体的破坏类型可分为由混凝土组分破坏并延伸至花岗岩组分或两种组分及界面共同破坏引起的“两体Ⅰ型和Ⅱ型破坏”,由混凝土组分单独破坏或混凝土组分和界面共同破坏引起的“单体Ⅰ型和Ⅱ型破坏”。对界面处应力状态进行分析,从理论上解释了沿界面宏观裂纹的形成原因;组合体抗压强度接近混凝土的抗压强度,其值与混凝土组分强度等级正相关而与占比负相关;组合体弹性模量数值模拟结果与理论值吻合较好,且与骨料含量和强度等级正相关,与混凝土组分占比和界面倾角负相关;组合体泊松比与骨料含量和混凝土组分占比负相关,强度等级对其影响较小;组合体抗压强度和泊松比均随界面倾角的增加先减小后增加。结论构建了含骨料岩石-混凝土组合体数值模型,并运用RFPA2D分析系统对4种组合方式组合体进行数值模拟,可通过提高混凝土组分强度、降低混凝土组分占比与材料间的界面倾角提升组合体的力学特性。研究结果可为地下或坝体等工程的稳定性分析提供参考依据。

含断层构造露天边坡变形破坏特征及稳定性研究

为了探究断层构造对露天边坡变形破坏特征及稳定性的影响,采用遥感影像、现场调查与数值模拟研究手段开展了含断层构造的露天边坡变形破坏特征及安全系数计算研究,并进行了边坡变形破坏发展分析,揭示了含断层构造露天边坡变形破坏特征规律。结果表明:露天采场北部边坡产生滑塌灾害是断层构造(内因)、井下矿体开采卸荷(外因)共同作用的结果。在地下矿体开采扰动与F15断层切割的作用下,边坡易形成沿断层构造滑坡垮塌并不断扩大滑塌区域。F15断层构造以上坡体的变形位移相对较大,且沿F15断层构造向东部沟谷发展,F15断层构造改变了北部边坡上部坡体的变形破坏趋势。露天采场边坡安全系数为1.45时,潜在滑动面为F15断层构造;北部边坡沿断层构造尚未出现大变形。

甘肃积石山6.2级地震房屋破坏特征分析

2023年12月18日晚,甘肃省积石山县发生M_(S)6.2地震,震源深度10 km。地震导致震区房屋出现不同程度的损毁,并诱发了大量同震滑坡,造成了严重的人员伤亡和经济损失。基于已有文献资料,结合高精度遥感和野外调查数据,开展此次地震房屋破坏特征分析。结果表明:震中房屋及建构筑物破坏以大河家镇最重,石塬镇、刘集乡、柳沟乡等次之。调查点内土木结构房屋以严重损坏或倒塌破坏为主;砖木结构房屋以严重破坏或局部倒塌破坏为主;砖混结构房屋破坏特征城乡地区差异大,城镇地区砖混结构房屋以一般或轻微破坏为主,农村自建砖混结构房屋多发生严重破坏;框架结构房屋填充墙多产生大量裂缝与剪切破损。现场调查分析不同结构房屋的破坏比与破坏特征、特点,对灾后应急救援及房屋重建安置工作具有非常重要的意义。结合震后第一手资料,就不同结构类型房屋的破坏特征、严重损坏比例,及震后地震地质灾害与隐患等进行分析探讨。研究可为灾后房屋重建、地震震后烈度调查与地震应急评估等相关工作提供一定的参考。

盾构隧道监测管片破坏特征和地震响应机理

国内外地震对地下车站及隧道损害的实例较多,而关于地下隧道受地震损害的实测资料较少。从江苏省南京市江宁区牛首山地区于2020年发生的地震入手,浅析地震后某地铁盾构隧道监测管片连续破坏特征和地震响应机理;地震响应机理的研究方法以地震观测法为主,并参照实验法和理论分析法的研究成果;研究内容为地震后管片横断面的力学论证等;研究结论包括在压应力和剪应力合力作用下,右线盾构隧道管片拱腰外侧受横向压应力作用,内侧受横向拉应力作用;拱底和拱顶外侧受竖向拉应力作用,内侧受竖向压应力作用,并优化地下盾构隧道的抗震设计、施工措施。

某深埋凝灰质砂岩隧洞破坏特征及微震演化规律

某深埋凝灰质砂岩隧洞,采用敞开式TBM掘进,地质条件复杂,掘进过程中发生塌方、岩爆等不同类型破坏,存在安全风险,影响施工进度。为指导现场施工与支护措施,提高施工效率,连续开展微震监测,以现场地质踏勘资料为基础,结合微震监测信息分析不同类型破坏特征,总结微震活动时空演化规律。结果表明:该隧洞中松弛掉块分布范围广,塌方发生位置较集中,部分塌方与松弛掉块交替发生,轻微岩爆呈零星散发的特点;地质特征与破坏特征存在相关性,结构面越发育破坏规模越大,塌方风险越高;不同类型破坏分布与微震活动时空演化规律一致性较好,现场破坏规模与微震事件数和微震释放能均呈正相关关系;通过对微震监测信息分析,可以判识、预测该隧洞破坏规模和类型,为施工提供指导。

深埋TBM隧洞围岩时滞型片帮破坏特征与影响因素研究

深部工程硬岩表现出强时效性,时滞型片帮等时效灾害时有发生。为保证隧洞的长期稳定性,文章采用现场调查、微震监测方法对时滞型片帮的破坏特征、微震活动特征开展研究。结果表明:①时滞型片帮集中于洞周应力集中处;②高应力作用下围岩的持续破坏是造成时滞型片帮的直接原因,附近的结构面会增加这一破坏风险;③及时锚喷支护有助于降低围岩时滞型片帮的风险。研究成果可为TBM隧洞时滞型片帮的预测与控制提供参考。

充填体破坏特征的聚类分析及数值模拟

充填体破坏是影响矿山安全稳定的重要因素之一。为研究充填体的破坏特征,采用室内实验、机器学习层次聚类分析及数值模拟等方法,对矸石胶结充填体(GCPB)裂纹演化的全状态进行了研究。结果表明:当GCPB试样PC-5、PC-10、PC-15、PC-20的特征键平均键长能量分别大于35、50、60、150 ms·mV时,出现宏观主裂纹面,且主裂纹破坏面随水泥掺量的增加由张拉破坏面向剪切破坏面转变;破坏过程中特征键子集尺度Ω与损伤变量D之间呈负线性相关关系,Ω可表征充填体损伤演化程度;在应力达到峰值应力和破坏后残余强度前键长值特征空间相关长度ξ表现为明显增长,为充填体宏观损伤的开始及第1次破坏结束的前兆特征;通过颗粒流程序(PFC)数值模拟,可以有效观测到裂纹的类型和变化规律,数值模拟结果与聚类分析结果一致。

不同加载速率下煤岩组合体力学响应与破坏特征

制备高度比为1∶1的砂岩—煤组合体,分别进行4种速率单轴加载试验,得出不同加载速率下煤岩组合体的力学行为及破坏特征。实时监测加载过程中声发射信号,计算碎屑平均粒径及远场碎屑质量占比,以定量评价破坏程度,分析煤岩组合体力学性质及破坏特征的应变率效应。研究结果表明:煤岩组合体单轴抗压强度、弹性模量、煤样破碎程度及脆性特征与加载速率均成正相关;在高加载速率条件下,非均质性对煤岩组合体力学行为的影响减弱。声发射振铃计数峰值随加载速率提高而增大,表明单次声发射强度增大,内部单次微破裂加剧。在较高加载速率条件下,煤岩组合体强度高,煤样破碎程度及脆性特征增强。