Mechanical property and permeability of raw coal containing methane under unloading confining pressure

Based on domestic-developed triaxial servo-controlled seepage equipment for thermal-hydrologicalmechanical coupling of coal containing methane,an experimental study was carried out to investigate mechanical property and gas permeability of raw coal,under the situation of conventional triaxial compression and unloading confining pressure tests in different gas pressure conditions.Triaxial unloading confining pressure process was reducing confining pressure while increasing axial pressure.The research results show that,compared with the peak intensity of conventional triaxial loading,the ultimate strength of coal samples of triaxial unloading confining pressure was lower,deformation under loading was far less than unloading,dilation caused by unloading was more obvious than loading.The change trend of volumetric strain would embody change of gas permeability of coal,the permeability first reduced along with volumetric strain increase,and then raised with volume strain decrease,furthermore,the change trends of permeability of coal before and after destruction were different in the stage of decreasing volume strain due to the effect of gas pressure.When gas pressure was greater,the effective confining pressure was smaller,and the radial deformation produced by unloading was greater.When the unloading failed confining pressure difference was smaller,coal would be easier to get unstable failure.

Energy conversion of rocks in process of unloading confining pressure under different unloading paths

Based on energy theory and tests of rocks with initial confining pressures of 10, 20 and 30 MPa under different unloading paths, the processes of strain energy conversion were investigated. The absorbing strain energy for axial compression, the dissipating strain energy for plastic deformation and cracks propagation, the expending strain energy for circumferential deformation, and the storing and releasing elastic strain energy were considered. Unloading paths included the condition of fixing axial pressure and unloading axial pressure, increasing axial pressure and unloading confining pressure, as well as unloading axial pressure and confining pressure simultaneously. Results show that expending strain energy for circumferential deformation has mainly evolved from absorbing strain energy for axial compression in three unloading paths during unloading processes. Dissipating strain energy is significantly increased only near the peak point. The effect of initial confining pressure on strain energy is significantly higher than that of unloading path. The strain energy is linearly increased with increasing initial confining pressure. The unloading path and initial confining pressure also have great influence on the energy dissipation. The conversion rate of strain energy in three paths is increased with increasing initial confining pressure, and the effect of initial confining pressure on conversion rate of strain energy is related with the unloading paths.

Dynamic characteristics of high stressed red sandstone subjected to unloading and impact loads

In the process of deep projects excavation,deep rock often experiences a full stress process from high stress to unloading and then to impact disturbance failure.To study the dynamic characteristics of three-dimensional high stressed red sandstone subjected to unloading and impact loads,impact compression tests were conducted on red sandstone under confining pressure unloading conditions using a modified split Hopkinson pressure bar.Impact disturbance tests of uniaxial pre-stressed rock were also conducted(without considering confining pressure unloading effect).The results demonstrate that the impact compression strength of red sandstone shows an obvious strain rate effect.With an approximately equal strain rate,the dynamic strength of red sandstone under confining unloading conditions is less than that in the uniaxial pre-stressed impact compression test.Confining pressure unloading produces a strength-weakening effect,and the dynamic strength weakening factor(DSWF)is also defined.The results also indicate that the strain rate of the rock and the incident energy change in a logarithmic relation.With similar incident energies,unloading results in a higher strain rate in pre-stressed rock.According to the experimental analysis,unloading does not affect the failure mode,but reduces the dynamic strength of pre-stressed rock.The influence of confining pressure unloading on the shear strength parameters(cohesion and friction angle)is discussed.Under the same external energy impact compression,prestressed rock subjected to unloading is more likely to be destroyed.Thus,the effect of unloading on the rock mechanical characteristics should be considered in deep rock project excavation design.

各向异性层状千枚岩渗透率及有效孔隙率试验研究

采用岩石全自动三轴伺服仪和气体渗透装置,对一种致密的各向异性层状千枚岩开展了气体渗透率及有效孔隙率试验,研究常规三轴压缩和围压循环加卸载2种应力路径下,气体渗透率、有效孔隙率随层理倾角及偏应力的演化规律。结果表明:围压相同时,岩样的初始气体渗透率k0随着层理倾角β的增大呈“W”型变化,在β=45°时取最大值;在围压循环加卸载过程中,气体渗透率先随围压的加载而减小,后随围压的卸载而增大,卸载时的气体渗透率小于加载时的渗透率;层状千枚岩有效孔隙率和气体渗透率呈指数关系;平行于层理方向的气体渗透率远大于垂直于层理方向的气体渗透率;岩样有效孔隙率和气体渗透率随偏应力变化经历初始压密阶段、线弹性阶段和塑性变形阶段,随着偏应力的增大,岩样有效孔隙率和气体渗透率先减小,接着保持稳定,最后快速增大,并在岩样应力-应变曲线斜率接近于0时达到最大值。

加卸载花岗岩强度与岩爆倾向性试验研究

为了进一步提高硬性花岗岩岩爆倾向性预测水平,系统开展了花岗岩巴西劈裂、单/三轴和不同卸围压速率应力路径下的岩石力学试验,详细分析了花岗岩强度和岩爆倾向性特征。研究结果表明:花岗岩在主应力σ_(3)–σ_(1)平面内,不同应力路径下的强度受围压和卸围压速率影响显著,呈带状分布;在τ_(oct)–(σ_(1)+σ_(3))/2平面内,不同加卸载应力路径下的强度都呈良好的线性特征。据此建立了花岗岩八面体强度计算通式,可统一表达不同加卸载应力路径;针对花岗岩硬岩的压密和屈服特性不明显,弹性特性显著的特征,提出了简化剩余弹性能指数岩爆分级法;并依据花岗岩试验岩样破坏形态和破坏声学特征,对已有花岗岩岩爆等级进行了细分。揭示了在相同初始围压下,卸围压速率越大,简化剩余弹性能指数越大,岩爆倾向性越强;相同卸围压速率下,初始围压越大,简化剩余弹性能指数也越大,岩爆倾向性也越强。研究成果可为更科学合理的评估花岗岩岩爆倾向性提供理论参考。

考虑细观损伤的推进剂粘弹性多尺度本构模型研究

为了深入研究固体推进剂细观损伤行为及对其宏观力学性能的影响,在223~333 K温度下对硝酸酯增塑聚醚推进剂(NEPE)推进剂开展了单轴拉伸和应力松弛试验,获得了相应的应力应变曲线及松弛模量主曲线。在有限变形下开发了考虑细观损伤的非线性粘弹性本构模型,该模型通过将微空洞演化与温度、应变率、围压及循环加载损伤等因素关联实现对推进剂力学性能的多尺度分析。通过有限元软件ABAQUS对模型进行了二次开发,并基于试验数据确定了模型参数,之后将模型应用于预测推进剂在不同加载下的力学响应。结果表明,该模型能够准确预测推进剂在宽温(223~333 K)和加载速率(1~200 mm·min^(-1))下的单轴拉伸响应,并且适用于循环加载、围压试验和双轴加载试验,验证了该模型在复杂应力状态下的有效性。该模型所需参数较少且易于嵌入商用软件,可为发动机推装药结构完整性的多尺度分析提供一定的理论指导。

卸荷速率和孔隙水压对隧道围岩力学特性影响的试验研究

针对开挖卸荷和孔隙水压影响隧道围岩稳定性问题,文章结合陕西某在建隧道的工程实际,利用MTS815.02多功能岩石力学试验系统,对该隧道围岩(红砂岩)进行不同卸荷速率和孔隙水压下的三轴卸荷试验,分析不同试验条件下红砂岩各力学参数的变化规律。结果表明:加荷阶段,随着孔隙水压的逐渐增大,弹性模量逐渐减小,卸荷阶段,径向变形增幅显著大于轴向,且孔隙水压越大,差别越大,随着卸荷速率的逐渐增大,峰后曲线跌落逐渐显现,脆性破坏特征逐渐加强;随着孔隙水压的逐渐增大,轴向、径向应变围压柔量均呈逐渐递增趋势;随着卸荷速率的增大,轴向、径向应变围压柔量均呈逐渐递减趋势;同一卸荷速率下,破坏时的围压卸荷量随孔隙水压逐渐减小,孔隙水压越大,破坏时的围压变化量越小,同一孔隙水压下,破坏时的围压卸荷量随卸荷速率逐渐增大,破坏强度略有提升;不同卸荷速率下,孔隙度随孔隙水压呈逐渐递增趋势,二者之间近似满足指数函数关系,拟合相关度均超过0.95。研究成果可为工程实际提供可靠的理论依据。

不同加载路径下大理岩的强度特征研究

选取锦屏大理岩为研究对象,进行恒定围压下的三轴压缩试验、逐步增加围压的三轴压缩试验以及卸围压的三轴压缩试验,研究大理岩岩样在不同加载路径下的强度演化特征。研究结果表明:在恒定围压下的三轴压缩试验中,环向应力级别每提升5 MPa,试件的强度增大约30%;相对于恒定围压下的三轴压缩试验,逐步增加围压的三轴压缩试验黏聚力增加,内摩擦角降低,而卸围压的三轴压缩试验与之相反;在不同的加载路径中,卸围压的三轴压缩试验最易破坏,而逐步增加围压的三轴压缩试验由于经历太多塑性变形,并不能很好地提升试件的强度。

Real-time computerized tomography(CT) test of failure process of jointed granite under unloading in three gorges project(TGP)

This paper deals with the real-time computerized tomography(CT) test for moni- toring the complete damage failure process of a single-crack granite specimen that is subjected to the confining pressure unloading. For this purpose, the State Key Laboratory of Frozen Soil of China has developed a special CT Triaxial Testing Equipment for Rocks and Soils that can give clear images of complete failure process of a rock specimen during removal of confining pressures, including various stages of development and penetration of cracks etc. The results have shown that it is easy for failure phenomenon to happen suddenly in the process of unloading condition of jointed rocks.

不同应力路径下辉绿岩能量演化与破坏机制研究

以灵宝矿区辉绿岩为研究对象,开展了单轴及三轴循环加卸载试验和恒轴压卸围压试验,分析了应力-应变曲线及破坏形态,研究了辉绿岩在不同应力路径下的能量演化过程与破坏机制。研究表明:在三轴循环加卸载变形破坏过程中,随着循环次数的增加,滞回环的面积逐渐增大,岩样耗散能与弹性能均增大,耗散能的增长速率逐渐变大,弹性能的增长速率逐渐变小,且围压越大耗能比越大,岩样内部的裂隙扩展和汇合现象显著增加;在恒轴压卸围压变形破坏过程中,围压对辉绿岩的抗压强度和横向变形影响较大;在相同初始围压下,相比较循环加卸载应力路径,卸围压应力路径下试件破坏时弹性能密度更大。

围压和渗压加卸载作用下石灰岩裂隙渗流特性试验研究

裂隙面粗糙程度和加卸载环境对裂隙渗流特性的影响不可忽视。为研究不同裂隙面节理粗糙度系数(JRC)和围压、渗透压力(渗压)加卸载对石灰岩粗糙单裂隙渗流演化规律的影响,制备5组不同JRC石灰岩单裂隙试样,利用自研岩体裂隙渗流试验系统,开展了不同JRC裂隙试样在围压、渗压加卸载作用下的渗流试验研究。结果表明:不同JRC裂隙试样的渗流量和渗透率随围压增大而减小,加载时各试样渗透率均与围压呈幂函数关系,R^(2)最小为0.9583,围压卸荷时存在明显滞回效应,卸载时JRC对滞回程度影响较大,与下降量和回升量呈对数关系;渗压加卸载过程,裂隙渗流量变化同渗压正相关,渗透率持续下降;一次渗压加卸载循环后的裂隙渗流量下降值与JRC相关性良好,提出了渗压加卸载后的裂隙渗流量预测模型。

卸围压速率和瓦斯压力对原煤力学和渗流规律的影响

深部煤炭开采过程中,由于工程扰动,地应力发生复杂变化,由此导致煤岩力学性质、渗透率特性等随之改变。基于此,进行了煤样在轴压一定,不同卸围压速率、不同瓦斯压力条件下的流固耦合试验。研究了煤样在不同应力卸围压速率、瓦斯压力作用下的力学和渗流特性;分析了三轴卸围压和不同瓦斯压力条件下原煤的变形、强度、力学参数变化规律;揭示瓦斯的分阶段演化特性。结果表明:随着围压卸载速率、瓦斯压力的不断增加,煤样破坏时的变形、塑形平台逐渐增强;煤样的变形模量、侧向变形系数及破坏时的有效围压均随着卸围压速率、瓦斯压力的增加而逐渐降低;轴压加载阶段,由于原生裂隙被压密,渗透率逐渐降低,在围压卸载阶段,由围压卸载引起的原生孔隙裂隙扩张、高偏应力差引起的煤样新生裂隙导致裂隙总量增加,渗透率逐渐增大。

深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式

受开采卸荷扰动影响,深部岩体互层及其组合结构系统的破裂失稳是诱发采场突水等灾害的主要原因之一。为研究深部开采围压卸荷对岩体组合结构破裂的影响,室内开展了原生煤岩组合体三轴加卸荷-渗流试验,获得了不同初始围压下原生煤岩组合体围压卸荷致裂的竖向、倾斜及环向裂隙分类特征,研究了其轴压卸荷起点、围压卸荷终点的强度特征及主导破裂模式的力学机制;结合CT扫描与三维重构技术,获取了原生煤岩组合体卸荷破裂的几何特征;建立了围压卸荷量与岩体卸荷致拉破裂、致剪破裂的关系,揭示了围压卸荷致裂模式与渗透率突变关系,验证并判定了不同初始围压下原生煤岩组合体的主导卸荷致裂模式。结果表明:在围压卸荷和轴压加载共同作用下,原生煤岩组合体卸荷破裂模式主要分为围压卸荷致拉破裂、致剪破裂及轴压协同卸荷致裂模式3类;随初始围压增加,原生煤岩组合体围压卸荷致拉破裂的围压卸荷终点临界值及致剪破裂的轴压卸荷起点临界值均线性增加;围压卸荷可致轴压协同卸荷突降并驱动煤岩分界面及层理等原生裂隙结构环向张拉破裂,且以沟通倾斜及竖向裂隙为主导;而围压卸荷致拉破裂与致剪破裂模式均可致原生煤岩组合体渗透率突变增高,突变点致裂模式与其围压卸荷终点的卸荷量临界值密切相关。

煤岩组合体卸围压能量演化规律及耗散能损伤本构模型研究

煤炭资源开采过程中,半煤岩巷掘进和薄煤层回采都不可避免地会使煤岩组合系统发生自由面卸荷。自由面卸荷现象往往伴随着能量的快速积聚与释放,所以探究煤岩组合体试样卸围压条件下的能量演化规律十分必要。为此,针对煤岩组合体试样开展了不同卸荷速率的卸围压试验。结果表明:(1)轴向加载阶段和应力恒定阶段为组合体试样的主要储能阶段,失稳破坏阶段主要以能量的释放和耗散为主;(2)卸荷速率加快会导致试样峰值弹性能降低,0.03 MPa/s时峰值弹性能分别为0.06、0.09、0.12 MPa/s时的1.64、2.70、3.50倍;(3)卸荷速率加快会导致试样峰后耗散能的增加,0.03、0.06、0.09、0.12 MPa/s卸荷速率下,峰后耗散能量分别为峰值弹性能的28.17%、49.53%、69.55%、92.87%;(4)卸荷速率的增大会显著增强煤岩组合体试样的拉伸破坏趋势,导致断裂角增大、拉伸次生裂纹增多和破坏强度增强;(5)建立考虑初始损伤的耗散能本构模型,合理阐释了卸围压条件下煤岩组合体试样损伤演化全过程。该研究成果对于了解卸围压速率对煤岩组合体试样的能量演化特征具有重要意义。

深埋大理岩三轴加卸荷过程能量演化特征

为研究深埋大理岩加卸荷全过程的变形破坏特征,利用MTS岩石力学试验系统对锦屏深埋大理岩试样开展25、50、80 MPa 3种不同初始围压和0.01、0.1、1.0 MPa/s 3种不同卸荷速率的三轴加卸荷试验,引入能量转化参数以更好地表征峰前及峰后能量转化特征,并据此构建基于耗散能的损伤模型,深入探索大理岩加卸载破坏全过程的损伤演化状态。结果表明:大理岩在卸荷段前主要以弹性能的累积为主,卸荷开始后耗散能占主导地位。峰前卸荷过程中U_(d)耗散速率>U_(3)消散速率>U_(e)储存速率,与常规三轴加载相比,大理岩在峰前卸荷段的应变能转化速率大得多。峰后应力跌落段各应变能转化速率明显较峰前卸荷段大,表明峰后大理岩环向扩容加剧,弹性能在峰后快速释放。随着初始围压、卸荷速率的增大,大理岩由张拉-剪切破坏转变为以剪切破坏为主,峰后耗散能的耗散速率越快,则大理岩剪切破裂性质愈明显、脆性破坏越强、破坏程度越小。高围压可能会抑制岩石的损伤累积扩展,而高卸荷速率下大理岩试样内部裂纹扩展不充分导致其发生破裂时损伤曲线急剧上升。

卸荷-增孔压条件下花岗岩残积土的力学特性

建(构)筑物因土中孔隙水压力升高而失稳破坏的情形屡见不鲜,常剪应力增孔压试验是相关研究的常用手段,但迄今鲜见考虑施工期开挖卸荷影响的试验研究。为探究初始卸荷对花岗岩残积土增孔压过程力学行为的影响,在常规增孔压试验中增加了初始卸荷阶段,开展了一系列考虑初始卸荷程度和卸荷滞时影响的卸荷-增孔压试验,分析土体变形、屈服和强度特性的初始卸荷效应与卸荷滞时效应,并与常规增孔压试验结果对比以揭示初始应力路径的影响。试验结果表明:增孔压过程的变形发展具有明显的阶段性,土体屈服后因其剪胀潜势和变形迅速而产生负超静孔压增量,有效平均应力转而增大;初始卸荷对增孔压过程土体力学性能具有明显的劣化作用,表现为刚度与屈服强度均随初始卸荷程度的增大而衰减;与被动压缩这种“加荷”式应力路径相比,初始卸荷的不利影响更为显著;土体力学性能的劣化随卸荷滞时的增长而加剧;屈服摩擦角随初始卸荷程度的增大逐渐减小,但始终大于临界状态摩擦角。

多级围压变应力下限循环加卸载煤体冲击倾向性特征研究

围压作用下煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤体冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究不同围压作用对煤体冲击倾向性的影响,对煤体进行了多级围压下不同应力下限循环加卸载。结果表明:在3、6、9 MPa围压环境下变应力下限循环加卸载作用后煤试件抗压强度分别增加了3.1%、4.7%、6.2%,最后一级循环加卸载过程中轴向应变分别增加了0.61%、0.42%、0.28%,体积应变分别增长了0.32%、0.24%、0.17%,表明煤体受到的围压越大对煤体变形约束越强;随着围压的提高,声发射事件累积数量逐渐降低,峰后声发射累积数量不断降低,累积能量同样逐步降低,表明随着围压的升高,煤试件变得更加致密,破坏形式逐渐由脆性破坏过渡到韧性破坏;经过3、6、9 MPa围压作用,输入能Uinn与弹性应变能Uen不断升高,较之常压条件下煤试件剩余弹性能指数CEF分别提高了21.76%、42.92%、71.69%,说明围压对煤体冲击倾向性具有增强作用,且剩余弹性能指数CEF与围压σ3具有线性函数关系。

三轴加卸载条件下深部盐穴工程盐岩的声发射特征及能量演化

深部盐岩储气库在运行过程中受到周期性高应力载荷。为探索深部盐岩在三轴循环加卸载下的损伤和变形特征,采用MTS815岩石力学测试系统和声发射(AE)信号采集系统,分析了围压和加卸载对盐岩声发射特征和能量演化的影响。结果表明:1)当围压从10 MPa增加到30 MPa时,压实阶段的累积声发射计数减少了86%。Kaiser效应在峰值应力点之前明显,Felicity比与循环次数呈负相关;2)随着偏应力的增加,弹性能(Ue)和耗散能(Ud)的增长率逐渐增加。在相同偏应力下,高围压试样在达到相同应力时的变形和耗散能越小;3)Ue和Ud在实验期间均呈现两阶段增长趋势;在相同应变水平下,随着围压的增加,Ue和Ud呈MnMolecular函数增加,且围压效应增强;在考虑围压的情况下,建立了加卸载过程中声发射计数与Ud的耦合方程。研究结果对深盐穴储气库的安全运行具有一定指导意义。

不同渗透压作用下砂岩卸围压破坏过程中裂纹扩展行为研究

地下工程开挖卸荷会导致岩体的水-力耦合作用增强,加速岩体内部裂隙的萌生和扩展,威胁工程安全。开展不同渗透压力作用下砂岩的常规三轴加荷和卸围压试验,明确砂岩裂纹应变扩展速率与应力路径和渗透压之间的内在联系。研究结果表明,围压增大,砂岩的特征应力增大,损伤应力和峰值应力对应的裂纹应变扩展速率减小,表明围压能够抑制裂纹应变的扩展。相反,随渗透压增加,砂岩的特征应力减小,而损伤应力和峰值应力对应的裂纹应变扩展速率会增大。表明渗透压会促进裂纹应变的扩展。围压相同,在渗透压和卸围压的共同作用下,砂岩峰值应力对应的裂纹应变扩展速率和脆性指数最大,其次是卸围压路径,加荷路径最小。通过量化围压和孔隙水压力对砂岩力学参数的影响权重,发现围压与峰值强度、轴向应变、环向应变、裂纹轴向应变和裂纹环向应变之间呈极显著相关。而孔隙水压力与裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率也呈极显著相关。

围压卸载速率对砂岩力学性质影响数值试验研究

【目的】为了排除天然岩石试件离散性与试验过程多种应力路径相互转换对试验结果的叠加影响,进一步探讨围压卸载速率对岩石破坏失稳的影响机理。【方法】利用离散元法开展均质数值试件在恒定轴压与两种固定围压卸载速率条件的数值试验研究,对比与讨论了两种围压卸载速率下的试件宏观与细观力学特性与规律。【结果】结果表明:两种条件下,宏观和细观破裂分布具有一定相似性和规律性,慢速围压卸荷条件较快速条件的试件承载强度更高,快速卸荷条件局部破裂分布密度相对更大。两种卸载速率试验过程出现轴压和围压的“跌落”和“上升”,反映试件经历了多阶段突发式渐进破坏过程,因局部破坏不断累积导致试件向整体失稳方向发展。两种卸载速率条件下的张拉破裂数量显著大于剪切破裂数量,张拉破裂增长速率大于剪切破裂,试件表现为张拉破坏为主,快速卸载条件破裂总数量相对更大。慢速卸载条件相对充分地调动了试件局部承载能力,使试件极限承载能力有所提高。【结论】两种条件下,20次以上声发射事件构成的裂纹分布程度最不均一,随着组成每条裂纹的声发射事件数增加,震级整体逐渐增大,快速卸荷形成裂纹过程总体释放能量相对更高,而慢速卸荷以相对较慢的速率传递应力,使裂纹形成过程释放能量相对更低、平稳且均一。