冲击压缩载荷作用下损伤砂岩的动态能量演化及破碎特征

开挖和构造运动等外部扰动使岩体处于不同程度的损伤状态,损伤岩体内缺陷的产状、密度和大小与预制裂隙岩体存在显著的差异。本研究基于Weibull分布,分析了冲击载荷作用下损伤岩体的耗能密度增长率与静态损伤因子之间的理论关系,并通过室内试验开展验证。采用不同上限静态预压后使砂岩处于不同程度的损伤状态,并用CT成像进行验证。然后,利用高速摄像机和几何分形技术探究了不同驱动压力作用下不同损伤砂岩的破裂过程和破碎特征。实验结果验证了耗能密度增长率关于静态损伤因子的函数关系式服从Weibull分布,耗能密度增长率随着损伤因子的增加逐渐增大;随着砂岩损伤程度或驱动压力的增加,破碎岩块的数量和破碎程度都增加。这些研究成果扩展了岩石动力学理论,验证了冲击载荷下损伤砂岩的能量演化、破裂过程和碎裂特征,还为动力灾害显现下岩体的风险解危提供了参考。

脉冲射流冲击混凝土的损伤演化与破碎特征研究

脉冲水射流作为一种高效、绿色的混凝土拆除方法,具有动载频率高、水垫效应弱等优点。为明晰脉冲射流冲击混凝土的损伤演化与破碎特征,本文基于SPH-FEM耦合算法,开展了脉冲射流冲击混凝土的数值模拟,分析了脉冲射流冲击下混凝土损伤场的演化特征,获得了破碎坑深度、宽度和面积的变化规律。研究结果表明:随着混凝土强度等级的增加,混凝土的整体损伤程度、破碎坑深度和面积呈逐渐减小的趋势,破碎坑深度和面积呈幂函数变化,破碎坑宽度呈线性正向相关变化;随着射流速度的增加,混凝土的整体损伤程度、破碎坑深度和面积呈逐渐增大的趋势,破碎坑深度和面积呈线性正向相关变化。破碎坑宽度随混凝土强等级的增大而增大,受射流速度影响较小。混凝土在脉冲射流冲击下,在液固接触区域均产生了“碗状”破碎坑。

基于模型试验的滑体不同节理组合岩块破碎特征研究

岩块破碎在高速远程滑坡碎屑化运动中起关键作用,而岩块内在结构控制着滑体的变形、破坏特征和运动距离。为研究不同节理设置对岩块在自重作用下的失稳停积是否会产生不同的破碎效果和运动距离,开展了物理模型试验。试验中通过改变节理方向和组合形式设置了8种不同组合的滑块,其在自重作用下失稳下滑,利用高速摄像机记录试块撞击底板破碎和停积的过程,分析试块撞击底板时的破碎模式;通过人工测量方法获取最远运动距离和堆积体累积质量曲线,并引入相对破碎率对最后试块的破碎程度进行量化;利用由图像处理方法获取的运动参数推导出破碎耗能比,进而研究破碎特征与运动距离、破碎耗能比之间的关系。结果表明:(1)根据滑块的接触方式可将破坏模式分为:撞击破碎、二次碰撞破碎以及滑动摩擦破碎;(2)存在竖向节理、水平向和竖向组合型节理时,滑块的破碎程度和运动距离明显增加;(3)最远运动距离、破碎耗能比都具有随相对破碎率增加而增加的趋势。

王家岭煤矿12309工作面顶煤破碎特征及运移规律研究

为掌握12309工作面顶煤破碎特征及运移规律,采用理论分析+现场观测分析进行顶煤破碎特征的分析,根据顶煤破坏规律分析得出顶煤受力特征,基于现场测试得出顶煤破碎块度及冒落特征;通过数值模拟进行顶煤运移规律的分析,并在工作面回采期间进行顶煤活动规律的监测。结果表明,顶煤冒落块度基本在40 cm×30 cm×30 cm内,顶煤一般在支架顶梁后方及时垮落;顶煤放出7次后即进入稳定周期,顶煤的运移主要出现在超前工作面10~30 m内,工作面走向上顶煤运移可划分为4个区域。

落锤冲击加载下炸药基体内不同粒度AP颗粒破碎特征

为研究炸药基体内不同粒度高氯酸铵（AP）颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征,用中粒径为6--8,130,300μm的AP制备了三种AP/HTPB样品,用落锤冲击加载损毁样品。回收冲击试验后样品,用扫描电镜（SEM）研究AP颗粒的破碎特征。分析炸药基体内不同粒度AP颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征。结果表明,冲击加载后,三种样品内的AP颗粒均发生脆性破裂,部分晶体上清晰可见剪切带现象,且粒度越大颗粒破碎越严重。破碎后AP颗粒尺寸均在10--100μm,最小颗粒小于10μm。结合材料剪切理论、AP颗粒破碎特征和破碎尺度,可推断：在落锤冲击下AP颗粒由于样品内部的剪切作用发生脆性断裂,且AP颗粒破碎尺度特征与材料剪切现象中的剪切带尺寸特征相类似。

高温处理后含铜矽卡岩的动态力学特性及损伤破碎特征

为探究热处理后矿岩的动态力学特性及损伤破坏特征,以含铜矽卡岩为研究对象,开展“岩样密度、热处理温度、冲击气压”三因素影响下的动态冲击试验研究。研究结果表明:“三因素”对含铜矽卡岩本构曲线变化趋势的影响不明显,都未改变动态压缩应力-应变曲线先后经历的似直线段、非线性上凸段、类平台段和峰后下降段;但含铜矽卡岩的动态峰值应力、动态变形模量却随热处理温度的升高而减小,随岩样密度的增大而增大;基于生物种群理论定义了可反映热损伤程度的损伤变量,并得出岩样内部损伤先后经历了缓慢增加-快速增加-减速增加-宏观破坏四个阶段;接着,通过捕捉冲击过程中岩样的损伤历程、分析破碎块度的形状及分形维数特征,得出裂纹起裂于岩样入射端,且分形维数的变化规律与破碎岩块块度随热处理温度、岩样密度、冲击气压变化而变化的规律相呼应;最后结合岩样内部破裂面形态及碎块多呈长条状、三棱锥状和粉末状,得出热处理后含铜矽卡岩的破坏模式复杂多变,且以拉伸破坏和压剪破坏为主,以混合型摩擦破坏为辅。基于研究结论,可推测热处理温度、动态扰动都对矿岩的动态强度劣化、损伤破碎程度起促进作用,而岩样密度的增大有利于提升矿岩抗外界冲击荷载的能力,其为深部资源开发利用及围岩状态控制方案的制定提供了理论参考。

节理试件单轴压缩下的破碎特征分析

为了研究节理化程度和节理倾角对岩体破碎特征影响,对不同节理化试件在单轴压缩后的破碎体进行了筛分实验。按照单轴压缩后的碎屑粒径分布大小不同,将其分为粗粒、中粒、细粒、微粒4个级别,通过计算碎屑的粒度质量分数、粒度频数、比表面积和分形维数,分析了相同节理层间距不同节理化条件下,随节理倾角的变化,试件的块度分布特征变化规律。结果显示:随着节理倾角的增大,试件的破碎程度均是先减小后增大,β为45°时破碎程度最低,β为0°、30°、90°的破碎程度较高。节理中心距为30 mm时,节理连通率越小,破碎越严重。节理连通率为0.8时,节理中心距越大,破碎越严重。

基于代表性体积单元模型的矿石组分界面破碎特征

矿物组分的界面破碎特征一般指黏结界面在外部载荷作用下产生的应力、应变等,其对研究矿物组分解离、提高矿石破碎效率具有重要意义。针对矿石内部组分矿物聚集、有用矿物非均匀分布的特点,开展了岩石内部岩相分析实验和矿物界面原位加载实验,在此基础上,利用非线性、多尺度建模平台DIGIMAT构建符合组分矿物微观结构的代表性体积单元(RVE)模型,并通过DIGIMAT-ABAQUS耦合开展矿石RVE模型原位破碎模拟。结果表明:(1)黑钨矿石中有用矿物以颗粒状分布在矿石内部,主要分布在石英矿物内及其与硅质岩矿物黏结界面处;(2)不同组分黏结界面的力学性质存在差异,且与组成矿物的物理属性、形态特征等相关,石英-硅质岩界面的最小破碎应力(界面发生破坏时的应力)范围为1.1785~1.4826 GPa,石英-钨界面的最小破碎应力范围为1.3355~1.5420 GPa;(3)加载速率为0.010或0.005 kN/s时,矿石破碎峰值应力无明显变化,但其对矿石内部形变的影响较大,且加载速率为0.010 kN/s时,强化阶段应力易突然降低并不断波动;(4)原位载荷产生的破坏主要发生在载荷作用区域边界,且两组界面中石英矿物破碎力学性能参数大于钨矿物和硅质岩矿物,即界面组成矿物中石英矿物优先形成破坏。

矿物界面破碎特征分析与预测

根据不同组分矿物界面的差异性,利用盒子维法实现对矿物界面几何特征的描述、利用原位加载实验实现对矿物界面力学特征的描述,并利用反向传播(back propagation, BP)神经网络算法对矿物界面几何特征和力学特征进行映射预测。结果表明:所研究黑钨矿石中石英-钨界面分形维值大于石英-硅质岩界面的,且石英-钨界面分形维值范围为1.855 1~1.936 8、石英-硅质岩界面分形维值范围为1.163 3~1.371;不同组分粘结界面的力学性质存在差异,且与组成矿物的物理属性、形态特征等相关,其中石英-硅质岩界面最小破碎应力范围为1.178 5~1.482 6 GPa,石英-钨界面最小破碎应力范围为1.335 5~1.542 03 GPa;BP神经网络可实现矿物界面几何特征对力学特征的有效预测,在预测前期误差最大仅为4.14%,随着样本数据增多,预测精度越来越高,在预测后期误差最低仅为0.011%。

颗粒粒径对采空区破碎煤体压实破碎特征影响机制

煤矿采空区垮落带一般由破碎煤岩体组成,在垮落带压实过程中,破碎煤岩体的破碎特征直接影响着垮落带的物理力学性质及孔隙渗流特征。为了研究不同粒径破碎煤样压实过程中的破碎特征及其影响机制,构建了基于曲率半径与接触应力的颗粒材料屈服准则,进行了不同粒径破碎煤样的实验室压实试验与三维数值模拟研究。颗粒破碎准则表明影响颗粒破碎的主要参数为接触颗粒尺寸和接触颗粒的材料参数。得出垮落带相同压实应力条件下,破碎煤岩体尺寸越大,破碎煤岩体之间的接触应力越小。在实验颗粒粒径范围内,加载至相同应力状态下,颗粒粒径越大越不容易破碎,根据加载前后的级配数计算获得的破碎率越小。进而提出颗粒配位数(颗粒接触数)是加载过程中粒径对破碎率影响的主要原因。拥有较少配位数的小颗粒在传递相同应力的时候具有更大的偏应力进而导致相对于多配位数颗粒更容易破碎。加载过程中的量化模拟结果表明在初始粒径颗粒全部破碎时,3种粒径颗粒(10,15以及20 mm)中数量大于100子颗粒的占比分别为6.7%,24.6%,31.5%。随着破碎煤样的加载,不同粒径煤样最大颗粒对应的配位数不断增加,使得破碎煤样能够承受的应力远超过其自身强度。在颗粒配位数达到一定程度时,破碎煤样基本不再破碎,颗粒配位数基本保持不变。综合理论分析、实验室测试与数值模拟结果最终得出破碎煤样颗粒尺寸对破碎特征影响的主要决定因素是接触应力与配位数。在加载初期,破碎煤样配位数相差较小,破碎煤样尺寸越大,模型相同加载应力状态下的颗粒接触应力越小。在加载后期,大颗粒粒径的配位数要大于小粒径颗粒,使其更不容易破碎。

微波照射后花岗岩动力响应及破碎特征

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对微波加热后的湖北麻山花岗岩进行动态冲击压缩试验,研究了不同含水状态下花岗岩动态力学性质及破碎特征,对比分析了不同微波加热参数对其力学性能的影响,揭示了微波对花岗岩强度弱化的作用机制。研究结果表明:当微波功率小于2.6 kW时,岩石强度降低是由微波生热及岩石内部水分共同作用造成的;当微波功率大于2.6 kW时,热的劣化占主导作用。花岗岩试件在达到应变均匀变化状态时所需时间较长,因此可认为是在近似恒应变率下进行的冲击压缩试验;在一定微波照射功率范围内,花岗岩动态峰值应力随着冲击气压的升高呈增大趋势,且冲击气压每增加0.05 MPa,岩石强度提高10%~20%;在一定微波照射功率范围内,花岗岩动态抗压强度折减程度远小于其静态抗压强度折减程度;在微波加热和荷载的共同作用下,岩石多为轴向拉伸及压碎破坏,且随着微波加热功率及荷载的增大,花岗岩破坏程度增大,碎块愈加细致且均匀。

侧限压缩过程中散体矸石变形及破碎特征研究

散体矸石宏观变形的主要来源是侧限加载过程中对试样初始孔隙的直接压缩,以及压实压密阶段粗矸破碎后对孔隙的再次充填。采用加载设备与声发射装置相结合的试验系统,以加载速率为影响因素,基于理论推导和试验数据分析,对侧限压缩过程中散体矸石的宏观变形、孔隙率和破碎程度等特征进行了系统研究。研究结果表明:直接压缩初始孔隙对宏观变形的影响最为明显;孔隙率随着应变的减小而增大,与应力呈单调递减的反比例型复合函数关系;对散体矸石破碎分形函数进行了重新推导,比较双对数曲线拟合斜率得出,加载速率越大,破碎程度越小;声发射定位数随着试验力的增大而不断增加,随加载速率的增大而减少,试样中部颗粒破碎最为密集;颗粒的破碎程度越大,对孔隙的二次填充率越高,孔隙不容易被进一步压缩,试样抗变形能力增强。

高速抛击平板玻璃形成破碎特征的相关因素研究

目的研究高速抛击平板玻璃形成破碎特征的相关因素,为该类案件侦破提供线索。方法采用不同直径的钢珠以不同速度抛击不同厚度的平板玻璃,观测各种破碎特征的形成情况。运用统计原理,分析击穿和切向裂纹与钢珠直径、抛射速度以及玻璃厚度之间的相关性,击穿与形态特征之间的相关性。结果击穿和切向裂纹与钢珠直径、抛射速度呈正相关,与玻璃厚度呈负相关;击穿与切向裂纹、脱落现象不相关,与孔洞最小直径对5mm厚度的玻璃呈正相关,对8mm厚度的玻璃不相关。结论破碎特征形成的相关因素包括钢珠直径、抛击速度和玻璃厚度,破碎特征之间相关性较小。

耿村煤矿综放开采顶煤运移与破碎特征

根据耿村矿 130 1综放工作面顶煤位移及风巷围岩变形观测结果 ,提出了耿村矿综放开采顶煤运移与破碎特征。

考虑单颗粒破碎模式的破碎特征与强度特性研究

单颗粒破坏是影响颗粒材料力学性能和变形特性的重要因素,研究单颗粒的强度和破碎特性可为堤坝变形控制提供试验参数和理论基础,具有重要意义。为研究单颗粒破碎模式对灰岩料的破碎特征和强度特征的影响作用,对不同粒径的庙堂水库灰岩料开展单颗粒压缩试验,总结了4种颗粒破碎模式,并根据颗粒破碎模式将颗粒分类进行筛分统计,研究了颗粒破碎模式对灰岩料破碎特征的强度特征的影响作用。结果表明:除棱角破坏型破坏模式外,其余破坏模式下颗粒级配曲线拟合成果均符合分形分布,破碎后级配曲线拟合成果计算分形维数D较为准确,而棱角破坏型破坏模式的拟合成果值得商榷。不同破坏模式下的颗粒破碎强度均具有明显的尺寸效应,且破碎强度存在明显的差异。结果可为颗粒材料力学性能研究提供理论基础。

矿石颗粒破碎特征的影响因素研究

矿石破碎所消耗的能量是矿山企业能源消耗的主要方向,为了寻求有效的节能方法,探讨了颗粒破碎特征的主要影响因素,系统阐述了粒度、孔隙度和矿物组成对矿石颗粒力学性质的影响。结果表明,粒度较大的矿石颗粒内部的孔隙密度大,强度相对较低;预弱化能使矿石内部出现微裂缝,增加矿石的破碎程度;石英和斜长石是硬度较高的矿物,但它们含量在临界值以下时,对矿石破碎的影响不明显。

波浪在陡坡上传播演化破碎特性试验研究

文中选取不同波浪入射参数和水深,分析了波浪在陡坡上传播破碎规律,采用高速摄像机对卷破破碎组次进行拍摄,结合频谱分析对陡坡上波浪破碎形态、破碎位置、波能演化特性进行研究.结果表明:对于卷破破碎波,影响最大的因素是水深,其次是波高和周期.卷破波破碎的过程是水团和卷舌不断演化扩大最后消失的过程,是波能从低频向高频转换的过程,高倍频向主频及次频转移最终趋于稳定标志着卷破破碎的结束.

碟盘刀具截割姿态倾角与破岩模式特征

刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础,而刀具截割姿态对破岩模式影响显著,探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联,反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态,在非线性岩石破坏准则的基础上,根据Mohr-Coulomb准则给出了岩石拉剪耦合破坏条件,扩展延伸成三段式线性岩石破坏全域准则(拉破坏、拉剪耦合破坏、剪破坏、压剪耦合破坏和压破坏),给出了不同破岩模式下刀具楔面挤压应力的数学描述,基于楔面作用的最小能量原则提出了破岩模式识辨方法,构建了刀具倾斜姿态截割岩石的载荷模型,并通过数值模拟和实验分析了不同截割姿态倾角下刀具载荷特性和岩石破碎特征(岩石块率分布和粉尘粒度分布)与破岩模式之间的关联特性。结果表明:碟盘刀具楔面能耗表征值与姿态倾角呈正比,破岩模式由拉剪耦合破坏向压剪耦合破坏转变;振动截割时刀具楔面能耗表征值明显小于无振动截割,且多以拉剪耦合破坏为主,而无振动截割时拉剪、压剪耦合破坏近似等比存在;当轴向速度楔面分量大于进给速度楔面分量时,摩擦力转变为破岩助力,楔面能耗明显下降;碟盘刀具破碎岩石宏观形态呈大块月牙状,岩粉细观形态呈类多面体和类球状,刀具姿态倾角与岩石碎片量呈反比,与岩粉量呈正比(类球状粉尘减少、类多面体粉尘增加),表明姿态倾角增大,刀具齿刃碾挤压作用减弱,楔面挤压产生粉尘能耗增加,与破岩模式识辨过程中截割姿态对楔面能耗的影响规律相一致;碟盘刀具径向载荷与姿态倾角呈下凹规律,理论和模拟与实验径向载荷规律具有一致性,其平均误差分别为8.46%和9.55%,验证了碟盘刀具破岩模式识辨方法、倾斜姿态截割岩石的载荷模型和数值模拟的合理性。

不等径开放式撞击流雾化特征及二乙二醇/水体系混合研究

采用粒子图像测速技术(PIV)对不等径开放式撞击流中质量分数60%的甘油‑水溶液雾化性能进行了研究,探讨韦伯数We(51≤We≤1605)、入射速度u(2.12 m·s^(-1)≤u≤6.37 m·s^(-1))、喷嘴直径(喷嘴1:左侧喷嘴直径(D_(1))=1.5 mm,右侧喷嘴直径(D_(2))=2 mm;喷嘴2:D_(1)=2 mm,D_(2)=3 mm)对液膜破碎特征及液滴行为的影响,并对复合含能材料粘结剂溶剂二乙二醇与水混合过程的液滴分布进行了研究。结果表明:随着We增大,液膜破碎长度先增大,当液膜破碎模式到达无边缘模式后减小,且液膜厚度与液滴直径逐步减小,液滴速度逐步增大;随喷嘴直径增大,液膜破碎模式变化不显著,液膜破碎长度、厚度、液滴直径均增大,液滴速度则逐步减小。同时,拟合得到液膜破碎长度、液膜厚度、液滴索特平均直径D[3,2]与喷嘴直径、韦伯数间的经验关联式,采用二乙二醇与水体系验证后发现,随入射速度增大,二乙二醇与水撞击混合后液滴直径减小,分布变窄,D[3,2]数值在经验关联式±15%误差范围内与理论预测结果一致。

考虑颗粒破碎的固化泥粒-砂土混合填料压缩特性研究

固化泥粒与砂土的混合填料为废弃工程泥浆的资源化处置提供了理想解决方案,而填方工程的压缩特性与混合填料的强度特性及颗粒破碎特征密切相关。该文通过开展不同颗粒级配的混合填料大尺寸压缩试验,建立考虑颗粒破碎的固化泥粒‒砂土混合填料的侧限压缩试验离散元(DEM)模型,探究了压实过程中混合填料压缩模量变化和固化土颗粒破碎量,重点分析了固化泥粒掺入比与初始孔隙比等因素对混合填料的压缩特性和应力‒应变关系的影响规律,并论证了混合填料用于填方工程的可行性。结果显示:密实条件下固化泥粒‒砂土混合填料的压缩性与泥粒掺入比呈正相关,而与泥粒强度呈负相关,并且一定固化泥粒的掺入可有效降低松砂在低应力水平下的压缩性,而高应力水平下受泥粒破碎的影响导致混合填料压缩性稍有提升;混合填料在压缩过程中,其颗粒破碎度随泥粒掺入比和砂土初始孔隙比的增加而提高,且在压缩终态破碎率均趋近于80%。