基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。     

层面数量对煤岩组合体抗压特性影响的实验研究

煤层顶板分层特征对于煤岩系统的力学行为有重要影响,将其简化为具有岩石单元内含有不同层面数量的煤岩组合体,并开展单轴压缩实验。借助应力监测系统、DIC和声发射系统采集并分析实验过程中的应力-应变特征、表面应变场演变规律、声发射特性。实验表明：煤岩组合体的应力-应变过程可以分为裂隙压密阶段、“线性”增加阶段、非稳定破裂阶段和峰后阶段4个阶段,煤体单元首先发生渐进式的破坏,其过程为煤块弹射-煤块与组合体剥离-剥离状的煤块弹射-倾倒破坏。结合声发射特征可以认为单轴压缩过程中煤岩组合体具有更加明显的压密现象、小台阶现象和峰后应力增减现象,主要是组合体的非均质程度相对增加,内部不能协同变形所导致的。组合体内“煤-岩”层面处会出现明显的应变集中现象,主要是因为该处材料的物理力学性质差异较大,且层面处粘黏剂的存在会导致横向约束作用,岩石单元由单向受压转变为三向压拉状态,煤体单元由单向受压转变为三向受压状态,因此,“煤-岩”层面处更容易发生破坏,此处的声发射信号相对集中,更易形成应变集中。研究认为煤岩组合体中岩石单元层面数量的增加,其等效弹性模量降低、整体性弱化和承载能力下降,组合体单轴压缩强度有降低的...     

渗流影响下岩石损伤和渐进破裂演化过程的数值试验研究

在FLAC-3D软件平台上,开发出岩石破裂过程的渗流-损伤耦合分析程序,对渗流-损伤耦合作用下岩石的裂纹萌生、扩展过程进行模拟研究。分析了在孔隙水压力作用下,含原生裂隙和弱化单元的非均质试件在单轴、三轴加载下的破坏过程,并与非渗流条件下试件在单轴、三轴压缩下的破坏过程相对比,通过动态显示损伤状态、渗流场,并分析应力应变关系、位移图等,对渗流影响下裂隙岩体的损伤和渐进破裂过程进行了研究。     

三轴压缩煤岩三维裂隙CT图像重构及体分形维研究

通过对煤岩试件进行常规三轴力学试验,并对破坏后的煤岩试件进行CT扫描,之后将处理过的CT图片导入Mimics10.01进行三维重构,得到了煤岩试件内部裂隙空间的分布情况。另外,利用自编的Matlab程序对煤岩试件的体分形维进行了初步分析。结果表明：煤岩试件在三轴加载条件下主要发生压剪破坏;且围压不同,煤岩试件表现出了特定的力学规律;利用Mimics10.01重构得到的煤岩三维裂隙空间分布情况显示,随着围压的增大,煤岩试件剪切破坏面的连通率和体密度有增大的趋势;体分形维计算的结果显示,煤岩内部破坏越严重,体分形维值越小。     

真三轴单面临空下煤岩组合体冲击破坏特征试验研究

煤岩复合承载结构所处的应力边界条件不同,冲击地压在巷道中的显现特征和前兆规律亦不相同。采用高频振动采集及孔内成像三轴动静载试验系统,开展了高静载和动静载耦合作用下煤岩组合体真三轴单面临空试验,分析了煤岩组合体界面处力学特征和强度条件,探究了不同应力边界下煤岩组合体的破坏形态、动力显现特征和声发射信号的演变规律。研究结果表明:(1)受煤岩变形相互制约的影响,交界面处砂岩强度被"弱化"。当界面处煤体裂隙尖端的应力大于"弱化"后砂岩强度时,裂隙将穿过煤岩界面发育至砂岩中,砂岩呈现出屈曲层裂、劈裂成板的破坏形态。(2)高静载作用下,煤岩组合体变形破坏特征和声发射信号具有明显的前兆规律,组合体发生承载失效前煤体局部颗粒弹射动能增大、弹射颗粒块度降低,声发射信号由"高频低能"向"高频高能"转变,组合体的破坏形态以剪切-张拉复合破坏为主。(3)受冲击动载影响,顶底板砂岩夹持作用减弱,煤体裂纹尖端应力得不到有效积聚,裂纹扩展到煤岩交界面时被阻隔,组合体以煤样的张拉破坏为主,声发射信号呈现出"高频高能"的特点,但大多集中在冲击破坏之后,导致组合体动力破坏难以预测。(4)与纯静载作用相比,虽然动静载耦合作...     

不同倾角组合煤岩体的强度与破坏机制研究

对4种不同倾角组合煤岩体进行了试验和数值模拟研究,获得了单轴和三轴压缩条件下组合煤岩体的宏观破坏机制,并分析了煤岩组合体中煤、岩不同倾角交界面对煤岩组合体整体变形破坏的影响。研究表明,单轴荷载条件下煤岩组合体的破坏强度随着组合倾角的增加而出现先微小减小,而后迅速减小;同种倾角条件下,煤岩组合体的破坏强度随着围压的升高而逐渐升高,并且煤岩组合体的倾角越小,破坏强度升高的速率越慢,而倾角越大,升高的速率越快,可见围压对于大倾角裂隙的抑制作用更明显。通过三轴试验获得了煤岩组合体整体结构的黏聚力和内摩擦角,其中组合体黏聚力随着倾角的增加而逐渐减小,但内摩擦角变化规律不明显。通过扩展有限元对试验结果进行了模拟验证,发现随着倾角由0°增加到60°,外力功、屈服应力和弹性应变能都在下降,当倾角超过45°～50°后,外力功和屈服应力将与弹性应变能出现背离,这是煤岩组合体的变形破坏机制由剪切变形机制逐渐转化为界面滑移破坏机制重要标志。     

锦屏大理岩单轴压缩过程中的微结构演化

为了研究锦屏大理岩受载过程中内部孔隙结构的演化规律,文章先对其进行矿物成分测定和单轴压缩试验;随后对施加不同轴压后的试样开展了核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）测试,并分析相应试验结果;最后,根据NMR孔隙度参数,建立起试样损伤度、有效应力比系数与轴压比之间函数关系。结果表明:大理岩内部孔隙分布具有多尺度特性;加载过程中核磁共振 T ₂谱分布曲线整体向右移动,小尺寸孔隙占比减少而中等尺寸孔隙占比增加;岩样内部孔隙具有多重分形结构,小孔占比影响孔隙的分形维数和连通性。当小孔占比小时,孔隙结构相对简单,分形维数较低;当小孔占比大时,孔隙结构则较复杂,分形维数增大。大理岩孔隙度和损伤度均随荷载增加呈指数增大,且损伤和未损状态下有效应力比也增大。此项研究对揭示岩石损伤与破坏机理具有重要指导意义,同时在岩石损伤检测方面也具有一定参考价值。     

储层岩石微观孔隙结构对岩石力学特性及裂缝扩展影响研究

储层岩石是一种具有复杂孔隙结构的天然非均质材料,微观结构影响岩石的宏观力学特性和破裂特性,认识储层岩石微观孔隙结构及其对岩石力学特性的影响对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,利用CT扫描试验和数字图像处理技术,定量表征储层岩石微观孔隙结构;据此建立微观孔隙结构的三维模型,根据单轴压缩试验获取模型的细观参数,并在PFC3D中进行单轴压缩模拟,分析微观孔隙结构对岩石力学特性和裂缝扩展的影响。结果表明,储层岩石微观孔隙结构概率分布满足对数正态分布,几何形状复杂,孔隙分布具有分形特征;微观孔隙的存在造成单轴抗压强度的降低,分形维数越大,单轴抗压强度越小,两者呈近似线性关系;孔隙结构对裂缝起裂位置、扩展及贯通方向具有决定性作用,裂缝起裂位置多出现在孔隙尖端处;在平行于加载方向的平面内,裂缝多沿孔隙尖端近30°方向和平行于加载方向扩展;在垂直于加载方向的平面内,裂缝沿裂隙轴线方向延伸或使孔洞直径增大;加载过程中裂缝易造成孔隙之间的贯通。     

变轴压加载煤体变形破坏及瓦斯渗流试验研究

为探究煤岩在变轴压加载下的变形破坏和瓦斯渗流演化规律,以原煤煤粉压制的煤体试件为研究对象,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行了5种不同轴压加载路径下的煤体三轴压缩及瓦斯渗流试验。研究结果表明,煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段;压密阶段试件的应变变化速率主要与张开性结构面和裂隙有关,与轴压加载区间无关,稳定发展阶段虽然轴压加载速率不同,但在相同的轴压加载区间,轴向应变变化速率基本相同;变轴压加载前期煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化,中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大。研究结论对指导冲击地压以及煤与瓦斯突出的监测预警有着重要意义。     

单轴压缩条件下冻土的动态损伤和分形演化规律

基于损伤和分形理论, 对单轴压缩条件下冻土的力学性质进行了研究。建立了损伤变量和分形维数随应力变化的数学经验表达式,并作出了其动态演化曲线。通过演化曲线可以看出,分形维数与损伤变量随应力的递增均呈非线性增加,但分维的变化较平缓;损伤变量在初期变化相对平缓,在后期变化速率明显加快。因此,该研究有助于进一步认识冻土的损伤破坏过程和力学性质。     

应力路径试验前后不同黄土的孔隙分形特征

为了解不同黄土孔隙形状复杂程度的差异和应力路径对孔隙形状复杂程度的影响,对两种黄土应力路径前后孔隙分形特征进行了研究。首先比较了3种分维模型所得孔隙分形维数的可靠性,然后选用热力学关系模型,由进汞、退汞试验得到地裂缝区黄土、充填黄土初始样和三轴应力路径试验后的孔隙分布,据此分析了两种土体进汞孔隙和退汞孔隙分形维数的差异和受载后的分形维数变化,根据退汞过程仅管形孔内的汞流出及孔隙由管形孔和球形孔组成的假定,得到了应力路径试验前后孔隙形状的改变。结果表明,热力学关系模型得到的孔隙分形维数合理、可靠。初始状态,原状和重塑充填黄土的孔隙形状比原状和重塑黄土复杂;常规三轴试验后试样孔隙比减少,孔隙分形维数增加,球形孔向管形孔转变;相对于常规三轴压缩试验,减围压三轴压缩试验后试样的孔隙分形维数较小,管形孔占总孔隙的体积比例较少;总体上管形孔的分形维数比球形孔大,且基本不受应力路径的影响,其占总孔隙的体积比例随着试样宏观孔隙比的减少而增加。     

辽河东部凸起太原组页岩孔隙分形特征

页岩孔隙结构具有良好的分形特征,孔隙结构的分形维数能定量描述孔隙结构的复杂程度。以辽河东部凸起为例,应用高压压汞方法研究了页岩孔隙结构及其不规则性,计算了页岩孔隙分形维数。研究结果表明,辽河东部凸起太原组页岩孔隙分形无标度区为0.09~60μm,孔隙分维数为2.378~3.007,随着分形维数的增大,页岩的非均质性增强,压汞实验得出的页岩孔径分布特征也证明了页岩的孔隙分形维数可以用来定量描述页岩储层岩石孔隙结构的微观非均质性;数学拟合表明分形维数与有机质含量相关性差,反映页岩中无机孔隙为主体孔隙类型;分形维数与石英含量呈较弱的正相关而与黏土矿物含量呈较强的负相关性,表明黏土矿物含量对页岩孔隙结构影响明显。分形维数与页岩的渗透率和孔隙度均具有很好的负相关性,分形维数越大,岩心的渗透率和孔隙度越小,表明分形维数越大,孔隙结构越趋于复杂,不利于气体的渗流和产出。     

静力压缩下煤岩组合体的裂前宏观弹性模型

煤岩组合体在静力压缩下的宏观变形受界面效应影响,与煤、岩单体存在显著差异。在岩石单体材料的有效介质模型基础上进行改进,考虑了煤岩组合体的构成特征,提出一种适用于不同类型的煤岩组合体的裂前宏观弹性模型。模型参数基于轴向裂纹应变确定,均可从试验曲线获得,方法简单方便。通过现有文献的数据验证,表明了模型的合理性、有效性和普适性。对模型参数进行讨论,结果表明：（1）在煤岩组合体的裂前阶段,煤岩组合体裂纹差异可以忽略;（2）模型通过对煤岩组合体基质进行解耦,反映了界面效应对煤岩组合体弹性性能的影响;（3）模型中岩体基质的有效占比随着煤体比例的提高显著下降;（4）存在岩体与煤体弹性模量的最佳比值,使岩体基质的有效占比最大。模型可为矿井支护方案设计与材料选择提供一种新的思路。     

基于分形与损伤理论的岩石声-应力相关性理论模型研究

建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,采用宏观复合型断裂理论中的最大周向应力理论,求出单一微裂纹达到稳定时的形态尺寸.利用分形损伤理论,求出不同荷载阶段的分形维数;由分形维数的定义导出了不同荷载阶段的裂纹个数的变化情况;结合单一微裂纹的形态尺寸,求出不同荷载阶段中岩石孔隙率与荷载值之间的关系;利用目前被广泛采用的超声波纵波速度与孔隙率的关系式,最终导出单轴压缩荷载作用下岩石超声波纵波速度与应力的理论关系式.进行岩石声-应力的试验测试,根据试验成果作出声-应力曲线,并与理论声-应力曲线进行比对,结果表明,理论模型比较适合于反映岩石受载全过程中的后半部分的声-应力关系.     

基于非均质地层参数表征的颗粒流模型构建

非均质地层参数的获取与表征方法是浅层地质体改造的重要依据。基于非均质地层的地质建模,表征具有随机不确定性和模糊不确定性的土体表观参数和物理力学参数。利用 Weibull 分布统计描述局部地层信息,并应用Diamond-Square分形插值方法,结合差分盒子维计算非均质地层分形维数,进一步合理演算整体地层参数。采用PFC3D数值模拟软件,结合马尔科夫链蒙特卡洛方法采样数据,对非均质地层块石颗粒及土颗粒进行建模。通过非均质地层模拟结果,发现其破坏过程与应力应变曲线要比均质土体复杂得多,由于块石大颗粒的含量、分布特性对土样力学性质影响显著。本文建模方法有助于非均质地层参数表征研究。     

晋中盆地西南缘石炭-二叠系煤储层孔隙结构及分形特征

以晋中盆地西南缘石炭-二叠系煤储层为研究对象,基于高压压汞试验,分析研究了煤储层的孔隙结构及分形特征,运用Washburn方程和海绵模型计算了大孔(100nm)分形维数D_M,对比讨论了孔隙结构参数与分形维数的关系,以及煤岩工业分析、煤化程度及煤岩显微组分对分形维数的影响。研究结果表明:本区孔径分布在6～10 000nm,以"双峰型"为主,墨水瓶状孔发育。孔隙结构以微孔、小孔为主,中孔与大孔次之,其中微孔和小孔对总孔容贡献率最大,吸附孔和渗流孔比表面积贡献率相当,反映本区煤层有利于煤层气的储集、扩散及渗流。本区中变质程度煤储层渗流孔(100nm)具有分形特征,煤岩总孔容越小、总比表面积越大、分形维数D_M越大,即孔隙结构非均质性越强,分形维数D_M可以有效反映孔隙结构特征。分形维数D_M与R_(o,max)、水分、镜质组含量呈正相关,与灰分、惰质组含量呈负相关,本区中煤阶烟煤分形维数受煤岩热演化程度影响明显。     

含结构面岩体试样单轴强度与变形特征

结构面是岩体区别于岩石材料的一大特征,其产状、迹长、密度等参数对岩体的力学性质有着重要影响。本文利用FLAC3D对含结构面岩体试样的单轴压缩特性进行了较为系统的数值模拟研究。文中建立了含不同组贯通性结构面的岩体试样模型和含不同倾角及迹长的非贯通结构面岩体试样模型,对每个试样进行单轴压缩试验的数值模拟,结构体和结构面均采用Mohr-Coulomb剪切和拉伸破坏准则。模拟中用编制的伺服控制程序通过调节加载速度,控制试样内最大不平衡力,研究含结构面试样单轴压缩情况下的变形、强度及破坏方式等特征。模拟结果显示,含1-3组贯通性结构面试样呈现各向异性特征,而含4组贯通性结构面试件呈现各向同性特征。随着贯通性结构面数量的增多,同尺寸试件的变形强度参数劣化。含单组非贯通性结构面试件,其单轴压缩模拟试验的应力-应变曲线峰值后出现应力降。基于Mohr-Coulomb抗剪强度准则和损伤理论所得的解析解与数值模拟结果所得的非贯通性结构面试件的单轴压缩强度不符,说明用抗剪强度准则与损伤理论刻画非贯通结构面试样的强度并不合理。随着非贯通性结构面贯通率的增大,试件的变形、强度参数劣化。含单组结构面试件的破坏方式可分为结构面控制破坏,结构面部分控制破坏和结构面不控制破坏3种类型,而随着结构面组数的增多,结构面控制试样破坏的概率增加。     

水-力耦合下煤岩力学特性及损伤本构模型研究

为探究水分对煤岩力学特性的影响,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同含水率下原煤三轴压缩试验研究。基于弹性损伤力学,推导表征不同含水率下煤岩整体损伤的损伤变量,建立水-力耦合作用下煤岩分段损伤本构模型,得到煤岩的变形随含水率的变化规律。结果表明:(1)不同含水率下煤岩的变形规律基本一致,破坏过程可分为峰前应力阶段、峰后应力阶段和残余阶段;(2)随着含水率增大,煤岩受水分作用峰值应力降低,泊松比增大,弹性模量均呈线性单调减小,煤岩脆性逐渐减小;(3)所建立的损伤本构模型可以较好地表征不同含水率下全应力-应变过程中的变形特征,适用于分析不同含水率下煤体三轴压缩应力应变问题;(4)损伤修正系数q和损伤本构系数n共同决定了损伤本构模型的曲线形状,q反映了煤岩残余变形的特征,n反映了应力-应变曲线的峰后不同的软化程度。     

煤岩体孔隙结构应力特征的数值模拟研究

为了探究不同加载方式下煤岩体孔隙周围的应力分布规律,通过CT三维重建技术构建含有不同孔隙形状的煤岩体骨架模型,并利用ABAQUS软件进行单轴、三轴压缩实验模拟。结果表明,球状孔隙结构在单轴压缩条件下,上下区域表现为拉应力集中,左右区域表现为压应力集中。不同倾角的椭球状孔隙结构其长短轴区域的应力集中类型不同。单轴压缩过程中,轴向加载速度影响球状孔隙周围的Mises应力峰值和σ₁应力的变化;三轴压缩过程中,孔隙结构依然经历了压密、弹性、塑性和破坏4个阶段,较低的围压条件使得弹性阶段“应力-应变”曲线与“应力-时间”曲线高度重合。从微观角度为煤岩体力学研究提供了一种新的方法和思路。      

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。