非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究

考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。

侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究

为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V型槽破坏深度均随侧压增大而呈线性增大趋势。侧压主要从两方面影响岩爆发生:一是影响洞室破坏机制,当侧压较低时,洞壁垂直方向起裂应力小、水平方向应力梯度小,以拉伸破坏机制为主,破坏范围小,而侧压较大时,洞壁浅部区域破坏机制与低侧压时类似,但洞壁深部区域由于水平应力增加,受力类似三轴压缩,以剪切破坏机制为主,破坏范围大;二是影响洞壁能量积聚释放特征,由于侧压增大,平静期持续时间增加,而破坏期持续时间减小,造成洞壁破坏时单位时间内能量释放率增加,岩爆发生更加剧烈。

FRACOD模拟软件在岩石工程中的应用及案例分析

岩土工程领域中岩石作为力传播媒介在地下工程中起着至关重要的作用,掌握工程扰动过程中岩石裂纹扩展规律及破坏特征有助于揭示相关灾害发生机理,为防治灾难发生提供研究基础。为此,基于岩石断裂力学理论和位移不连续数值模拟理论,提出能够同时预测拉伸和剪切裂纹传播的F-准则,研发了能够模拟岩石混合裂纹扩展的FRACOD软件。首先从理论背景层面对FRACOD裂纹扩展模拟软件进行了详细的介绍,软件采用间接边界元-位移非连续法,并引入裂纹扩展F-准则及Mohr-Coulomb裂纹起裂准则用以模拟岩石混合裂纹扩展规律及应力场、位移场等物理场的分布规律。为验证该软件在众多工程领域的适用性,进行了地热开发钻孔破裂、岩石力学双轴压缩试验、水压致裂等三个模拟案例的对比分析。通过对模拟试验结果与室内试验或现场观测结果的对比发现,FRACOD不仅可以准确模拟岩石的裂纹扩展规律及岩体破坏特征,同时适用于涉及岩体断裂损伤的多个工程领域。因此,FRACOD研发与应用为岩石工程设计和研究提供了重要的研究工具,对岩体断裂损伤学科的发展具有重要的指导意义和参考价值。

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。

充填墙提升煤柱性能机理与数值模拟研究

在对条带煤柱破坏失稳过程和规律分析的基础上,研究了充填墙加固煤柱以提升其性能机理,对低强度膏体和高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能进行了模拟及分析。结果表明:充填墙加固作用主要体现在对煤柱侧向约束和分担煤柱承载载荷上,充填墙自身强度和对煤柱的侧向约束须满足一定条件才能保证煤柱性能提升效果;充填墙主要限制了煤柱塑性破坏区煤体横向变形并使其承载能力增加而宽度减小;充填墙分担煤柱承载载荷,煤柱整体支承压力都有所降低;高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能效果优于低强度膏体充填墙,相同宽度下可以分担更多煤柱承载载荷、更有效地限制煤柱横向变形并提供足够的侧向约束力;在模拟地质采矿条件下当矸石混凝土充填墙宽度3 m时为最佳,煤柱性能得到显著提升,又不至过大增加成本,煤柱整体应力分布趋于平缓、均匀,横向变形较小,3 m宽矸石混凝土充填墙可等效7.93 m宽煤柱,煤柱尺寸可减小15.86 m,煤炭采出率可提高17.62%。

节理特性对花岗岩起裂应力和损伤应力影响规律颗粒流模拟

节理花岗岩起裂应力、损伤应力的研究对认识其渐进破坏过程和脆性破坏机制具有重要意义.利用细观颗粒流软件模拟了不同长度、倾角的单节理花岗岩单轴压缩试验,并通过监测微裂纹确定其起裂应力和损伤应力,研究了节理长度、倾角对起裂应力和损伤应力影响规律.结果表明：当节理方向与加载方向夹角α一定时,随节理长度L增加,起裂应力和损伤应力逐渐递减,其中α为30°-60°时,递减幅度最大;而当L一定时,随α增加,起裂应力、损伤应力先递减再递增,当α为90°时,起裂应力略有下降;当α为45°时,起裂应力最小,而当α为30°或45°时,损伤应力最小.单节理花岗岩起裂应力与峰值应力比值介于29.1%-45.04%,大部分大于完整花岗岩,而其损伤应力对节理长度、倾角变化的敏感度要大于峰值应力,其值介于72.84%-83.25%,大于完整花岗岩.节理花岗岩起裂应力和损伤应力大小与其破坏模式有关,当主破坏面裂纹起裂和扩展始于节理尖端而沿节理方向时,起裂应力和损伤应力最小.