卸荷诱发巷道模型岩爆的发生机理实验研究

以“巷道-围岩”系统为研究对象,以水平应力卸荷操作模拟工程现场的巷道周边矿岩开挖卸荷作用,再现了巷道卸荷岩爆。实验结果指出,巷道卸荷岩爆经历了“平静期→小颗粒弹射→片状剥离→片状剥落”的演化过程,在巷道内壁产生“岩爆→应力调整→应力调整失败→再次岩爆”的多次岩爆过程,最终形成“V”字型岩爆坑。卸荷条件下,不同水平应力的巷道模型岩爆将产生不同的破坏,形成了不同的破裂面。理论推导得出卸荷前巷道围岩的应力分布规律,运用修正Griffith破坏准则,计算了不同水平应力（8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa）卸荷后巷道围岩发生岩爆破坏的竖向起裂应力,构建了巷道边壁“V”字型岩爆坑的计算模型。研究得出水平应力存在一个影响竖向承载能力的应力点（13.3MPa）,当水平应力小于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈正相关;当水平应力大于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈负相关。对左右边壁应变能累积区域的信息进行量化处理,得出相较8.9MPa和17.8MPa,水平应力为13.3MPa的左右边帮应变能集中区域的累积能量最大,集中区域与边壁的距离最短。     

不同岩石破裂全过程的声发射序列分形特征试验研究

通过对不同岩性的岩石进行单轴压缩声发射试验,获取岩石破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试件破裂失稳时的破坏情况,分析破坏过程的载荷变化关系。着重对比了不同岩石的不同力学性质、岩石声发射序列的时域特征和声发射序列的分形特征。研究结果表明,采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;计算岩石声发射率、声发射能率的关联维数,可得出岩石破裂过程的声发射序列具有分形特征;岩石破裂过程的声发射分维值D反映了岩石内部微裂隙的统计演化规律;不同岩性的岩石破裂过程的声发射参数序列的分形特征具有一定的共性;归纳总结出岩体声发射序列分维曲线的演化模式,即波动→持续下降演化模式,提出可以将分维值的持续下降作为岩体破裂失稳的前兆。     

孔隙压力作用下煤岩破裂及声发射特性的数值模拟

运用嵌入孔隙压力的岩石破裂过程分析RFPA2D系统,对孔隙压力作用下煤岩的变形强度特性进行了数值试验研究。数值试验结果表明,在孔隙压力一定时,随着围压的增加,煤岩的杨氏模量、抗压强度都随之增高;而当围压一定时,随着孔隙压力的增加,煤岩的杨氏模量、抗压强度则稍有降低,而且峰值强度后的应力-应变曲线有呈现脆性的趋势。此外数值模拟还研究了不同围压及孔隙压力作用下煤岩的声发射特性     

孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

岩石三维破坏数值模型及形状效应的模拟研究

应用RFPA3D分别模拟了理想光滑端部加载和限制性加载端部情况下不同形状的岩石在单轴压缩下的破坏过程。模拟结果表明,试样形状对岩石的抗压强度、变形特征以及破坏模式有很大影响。岩石试样的强度随着长宽比的增加而减小,当长宽比超过2.5以后单轴压缩强度趋于稳定。理想端部下,长宽比较大的试样主要是剪切破坏模式;而长宽比较小时,主要是因为拉伸引起破坏。端部效应是引起试样拉伸破坏的一个重要因素,但是即使采用光滑端部,试样的形状效应依然存在。长宽比的逐渐增加使岩石逐渐由延性破坏向脆性破坏转变。     

冲击作用下的压头破岩机制研究

与静态岩石破碎过程相比,冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应,应力波传播过程中表现出压、拉变化。基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法,针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。为排除边界上反射波的影响,黏弹性边界被纳入计算中。首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度,然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律,结果显示：在弹性情况下,压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区,接触边缘拉应力最大。剪应力最高值并不位于接触面附近,而是离接触面有一定距离。较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式,先出现赫兹裂缝,然后是径向裂缝和侧向裂缝,拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。当岩石均质度较低时,岩石的破坏形式呈现多元化,剪切破坏比重加大,表现为复杂的拉剪破坏模式。对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩,砾石和基质的非均匀性不可忽略,冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。总体说来,对于岩石类准脆性材料,应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。     

考虑岩体碎胀效应的采场覆岩冒落规律分析

应用改进的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),分析了煤层开采过程中上覆岩层发生离层、弯曲、端部和中部开裂直至冒落的全过程,再现了采动影响下冒落带、裂隙带、下沉带3带的形成过程以及裂隙拱的形成发展、整体覆岩的周期性运动模式。数值计算中,引入了冒落岩体的碎胀效应,使得计算结果更合理地反映了现场实际,主要表现在：冒落岩体的碎胀效应及拉伸、剪切破坏联合控制了覆岩的运动模式,随着工作面的不断推进,上覆岩层可呈现出周期性的运动特征;裂隙拱发展到一定高度后,工作面垂直方向上不再扩展,只在工作面推进方向向前扩展,此时裂隙拱拱顶为一近似水平线,冒落带、裂隙带和下沉带3带分明;覆岩运动引起的地表下沉范围和下沉量亦都更符合现场实际。     

动静组合作用下刀具破岩机制数值分析

基于细观损伤有限元方法,模拟分析了刀具在单一动载、动静联合荷载、静态围压条件下动静联合荷载3种情况下岩体破碎的全过程。模型采用黏弹性人工边界剔除了边界应力波反射对模拟结果准确性的影响。数值模拟结果表明：在弹性情况下,静压的存在对岩体内部最小主应力值影响不大,却显著提高了材料内部最大主应力水平,增大了剪应力的大小,导致剪切破坏可能性增加;当有围压存在时,岩体内部受拉区域减少,岩体强度有所提高。单一动载和动静联合荷载破岩时,岩体内部除刀头附近呈现少量压破坏外,破坏均以拉破坏为主;而围压条件下,岩体破碎面积相对减小,裂纹在围压的作用下向两侧自由面延伸,岩体内部破坏形式则趋于多样化,压破坏比重明显增大,整体表现为拉压复合作用。模拟结果还表明,刀头侵入量主要受动载力大小影响,在相同幅值增量下,动载力增加导致的刀头侵入量远大于静压增加所导致的侵入量。相对单一动载和静压作用下的岩石破碎机制来说,动静组合加载破岩的研究还需更为深入的探讨。研究结果可望对岩体破坏机制以及地下工程作业等实际应用提供一定的参考。     

岩石非均匀性对震级—频度关系的影响的数值模拟

无论是从天然地展的统计分析还是实验室岩石破裂实验，由于测试设备的限制、观测台站或测试位置的影响，目前有关地展展级-频度关系和G—R关系式及b值的研究都不可能保证数据资料的独立性和完整性。充分利用RFPA^20数值模拟软件，克服漏记、精度低和人为的限定资料范围等不利因素的影响，在充分考虑岩石的非均匀性的基础上，研究了岩石破裂过程中微震系列震级-频度关系及b值随岩石均质度的变化规律。