岩爆与峰后岩石力学特性

峰后岩石特性是产生岩爆的根本原因;地质力学因素是产生岩爆的外部因素。从地下工程开挖过程中围岩部分的能量释放、集聚、转移入手,揭示了高地应力是产生岩爆的重要外因;岩爆产生的时空特点是在破坏后塑性软化阶段,并从非线性岩石力学理论角度,研究了此阶段岩爆条件。得出以下结论：一是块系结构岩体变形稳定性与块体几何特性、尺度大小,以及破坏后物理性质有关;二是判断岩体是否发生岩爆,可采用： 和 < 判据。     

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。     

基于分形理论的粉砂质泥岩酸雨崩解特征研究

黏土岩的崩解过程易受环境条件(如崩解液特征)影响,酸雨作用对其影响显著,但其酸雨崩解特征有待研究。目前对黏土岩崩解特征的评价多采用耐崩解性指数,仅考虑崩解后大于2mm的残留颗粒质量,未反映崩解后的整体粒径分布特征。本文以典型酸雨区攀枝花机场滑坡为依托,选取滑带粉砂质泥岩,开展不同pH值条件下的岩石崩解试验;引入分形理论,建立分形维数与酸雨历时、降雨酸度间的相关关系,定量刻画粉砂质泥岩酸雨崩解特征及影响因素;采用电感耦合等离子体发射光谱法分析不同酸度崩解溶液的离子成分差异,以探索降雨酸度造成岩石崩解特征差异的本质原因。结果表明:采用分形理论可以较好地反映粉砂质泥岩酸雨崩解特征,分形维数越大,粉砂质泥岩崩解程度越大;分形维数与酸雨历时、降雨酸度之间皆存在明显对数正相关关系;不同降雨酸度粉砂质泥岩崩解特征存在差异的原因在于白云石、方解石溶蚀程度不同。研究成果可为酸雨地区黏土岩的工程性质评价提供参考。     

破裂面水压对砂板岩峰后强度影响的试验研究

在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行不同围压下砂板岩三轴压缩全过程试验,并测试破裂岩体试样峰后的天然含水状态强度。对试样破裂面施加4级动水压力和静水压力,分别获得天然含水状态和每级水压下破裂岩体试样的强度。试验结果及分析表明,水对破裂岩体强度影响的作用机制主要表现在饱和软化与水压弱化两方面,即饱和软化作用不随水压的增减而变化和水压力对强度的弱化作用随水压升高而线性增大;主要影响强度参数中的黏聚力,对内摩擦系数的影响较小;裂隙岩体中静水压力的弱化作用强于动水压力。试验与分析还获得水对裂隙岩体的饱和软化以及静水压力综合作用的定量表达,并对这些成果的工程应用进行讨论。     

单一粒径组颗粒材料破碎规律及破碎极限研究

岩土材料颗粒破碎演化规律是颗粒破碎过程复杂性的集中体现,对单一粒径组颗粒材料破碎规律的研究是进行多粒径组颗粒材料破碎规律的基础。从概率统计角度入手,先对前期研究中所提出的描述单一粒径组颗粒材料破碎规律的3个参数-破碎概率p、破碎状态参数a、b的演化规律进行了研究。通过对3组不同类型（不同试验材料、试验类型）的试验数据的研究,发现随着破碎的发展3个参数趋于定值,表明破碎极限的存在。基于上述研究,最后提出了计算单一粒径组颗粒材料破碎极限的方法,分别得到了3组试样的最终分形维数分别为2.3、2.34、2.28。     

饱和级配破碎泥岩压实与粒度分布分形特征试验研究

通过饱和级配破碎泥岩的压实试验,得到了不同级配下试样轴向位移和粒度分布分形维数随轴向应力变化曲线,分析了Talbol幂指数对饱和破碎泥岩压实变形与粒度分布的影响规律,建立了一种饱和破碎泥岩压缩模量与轴向应力的关系式。试验结果表明,饱和破碎泥岩的压实过程可分为2个阶段,即0~4 MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段。其中,约80%的变形发生在快速变形阶段。轴向位移、压缩模量与粒度分布分形维数均可用轴向应力的指数函数拟合。相同轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大,粒度分布分形维数越小。轴向应力大于8 MPa后,各级配试样的粒度分布分形维数相差很小,且随着轴向应力的进一步增大,各级配试样的分形维数差异将继续减小,最终,分形维数将趋于一致。在加载初期,试样压实变形主要以岩石颗粒移位为主;而在加载后期,试样的压实变形则以颗粒破碎为主。     

干湿交替作用后砂岩破裂过程实时观测与分析

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了天然状态及干湿交替作用后的完整和含预制圆孔砂岩试件的单轴压缩破裂试验。利用显微镜观察了砂岩裂纹萌生、扩展以及试件的失稳破坏过程。经过干湿交替作用后岩样更容易在较低的应力状态下发生裂纹的扩展,并且裂纹扩展的初始阶段一般表现为拉破裂。完整试件的裂纹是随机性的三维扩展,而有预制圆孔试件一般是从预制圆孔周边开始扩展。天然状态下的预制圆孔试件在起裂时从圆孔的压应力集中区产生剪切裂纹;而干湿交替作用后,起裂时可能先从拉应力集中区产生拉裂纹,并且裂纹演化过程更为复杂一些,破裂形式多样化。与天然状态相比,经过干湿循环作用后的砂岩破坏脆性降低,强度等力学参数也随干湿交替次数增加而逐渐降低。     

花岗岩破裂过程声发射关键信号时频特征试验研究

开展花岗岩单轴压缩试验,利用决策树模型,构建岩石破裂过程关键声发射信号的提取方法,并通过选取特征参数将提取的关键信号分类,分析各类关键声发射信号的时频参数特征,进一步探讨各类信号所对应的岩石破裂机制。研究结果表明,基于决策树模型建立的岩石破裂关键声发射信号提取方法,能够有效提取岩石破裂过程中影响整体结构稳定性的关键破裂事件对应的声发射信号,准确率在90%以上。根据关键信号特征提取规则将信号分成A、B、C、D 4类,A类信号对应岩石在宏观破裂时产生的开裂、扩展型破裂;B类信号为岩石临近破裂与峰后阶段出现的大量小尺度开裂、扩展型破裂;C类信号对应岩石宏观破裂前产生的剪切滑移型破裂;D类信号对应岩石整体破坏后产生的小尺度张剪复合型破裂。     

岩石声发射Kaiser点信号频带能量分布和分形特征研究

通过单轴加载岩石破坏全过程声发射试验,根据Kaiser效应原理采用参数法确定了Kaiser点.在此基础上,首先采用小波包频带分解方法,对岩石声发射Kaiser点信号的能量分布特征进行了研究,分析了砂岩声发射信号的不同频带能量分布规律,得到了Kaiser点特征频带能量百分比大于相邻点的重要结论.其次,采用G-P算法计算了声发射过程关联分维数,结果表明声发射过程不仅具有分形特征,而且Kaiser点声发射信号关联分维数小于其相邻点,其结论可作为通过波形分析识别Kaiser点的特征.     

岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

大理岩断裂能与细观结构几何特征相关性

岩石在细观尺度上是由矿物颗粒胶结而成,除细观结构的力学特性外,其几何特征（颗粒界面网络结构和颗粒粒度分布）也对宏观断裂能具有一定的影响。为了探索这种几何特征与大理岩断裂能之间的相关性,从而进一步揭示岩石细观断裂机制,首先通过三点弯曲试验测定大理岩的断裂能,然后在试验后的三点弯试件断口处取岩石切片,进行电镜（SEM）扫描以获取岩石细观结构图像。利用图像处理技术获取岩石细观颗粒的界面网络图。通过对颗粒界面网络图分析,发现颗粒界面网络拓扑结构与颗粒粒度分布具有较强的分形特征。将二者分形维数与试件宏观断裂能相对比,发现它们之间具有很强的相关性。界面网络分形维数与宏观断裂能具有很强的二次相关性,而粒度分布维数与宏观断裂能之间具有较强的线性相关性。宏观断裂能随着两种分形维数的增大而增大。该研究结果揭示了宏观断裂能与岩石细观结构几何特征的相关性,加深了对宏观断裂能细观机制的理解。     

高应力卸荷条件下大理岩破裂面细微观形态特征及其与卸荷岩体强度的相关性研究

岩石的破裂性质及破裂面的起伏粗糙特征对岩石的破裂机制及破裂面的参数取值具有重要的理论和应用意义。采用高精度的三维激光扫描和扫描电镜技术,结合分形理论,揭示高应力条件下大理岩卸荷破裂性质及破裂面的细微观形态特征,阐述主破裂面粗糙度分形维与卸荷岩体强度间的相关规律。在高应力卸荷条件下,大理岩岩样随着卸荷速率的递增宏观破裂性质由剪切、拉剪复合向张拉劈裂发展。初始围压越高卸荷速率越快,主破裂面越起伏粗糙,而初始围压越高卸荷速率越慢,主破裂面越平坦光滑。随卸荷速率的增大,微观上大理岩逐渐由穿晶剪切断裂、沿晶面张裂+穿晶剪切的复合断裂、沿晶面张裂或劈裂的变化特征。卸荷岩体的内摩擦角随破裂面粗糙程度分形维D的增大而增大,而黏聚力随D的增大而减小。     

高温后花岗岩力学性质及微孔隙结构特征研究

采用MTS815液压伺服试验系统及9310型微孔结构分析仪对花岗岩在温度作用下（常温～1 300 ℃）的宏观力学性质及微孔隙结构特征进行了较为系统的研究。结果表明：①在800 ℃之前,岩样力学性质变化规律不明显;超过800 ℃,岩样强度迅速劣化;达到1 200 ℃,岩样基本失去了承载能力。②岩样孔隙率随温度升高而增大,孔隙率的阀值温度在800 ℃左右,与岩样在该温度点强度突然降低相一致。③岩样孔隙率较小,但连通性好,在阶段进汞曲线上显示为不同宽度微裂隙并存的特征,累计进汞曲线呈台阶状,温度超过800 ℃,超微孔逐渐向微孔隙转化,岩样连通性增强。④岩样孔隙分布分形维数随温度的升高反而降低。在高温作用下,岩样中的热损伤由初始非规则的裂隙结构逐渐向均匀化的孔穴结构转化,非均匀性弱化是导致岩样孔隙分布分形维数降低的根本原因。     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

针对考虑层理倾角的硬质砂岩力学行为及破裂响应特征问题,对不同层理倾角的硬质砂岩进行单轴压缩试验,深入探究层理倾角对硬质砂岩力学行为的影响以及层理倾角与碎块分形特征之间的关系。试验结果表明：(1) 层理倾角对硬质砂岩应力−应变曲线的类型特征无显著影响,但倾角较小时(0°、22.5°、45.0°),曲线表现为单峰变化规律,倾角较大时(67.5°、90.0°),曲线表现为多峰变化规律,且曲线波动位置主要位于峰值附近。(2) 峰值应力σ_d和峰值应变ε_d均在倾角为67.5°(最不利层理结构面)时达到最小值46.25 MPa和9.80×10⁻³,层理倾角对硬质砂岩应力的影响明显大于应变,受层理倾角的影响,硬质砂岩的各向异性度为1.32~1.64,表现出低各向异性特征。(3) 硬质砂岩随着层理倾角的增大呈现出剪切破坏−剪切张拉复合破坏−层理结构面剪切破坏−劈裂破坏的损伤破坏演化规律;单轴压缩下硬质砂岩的碎块质量特征和分形特征明显,硬质砂岩碎块以中块分布为主,层理倾角对细粒碎块的质量分布影响较小,其分形维数值位于1~2,碎块较大比例分布在大尺寸分布区间。研究结果可为含层理结构面岩石的稳定性及地下空间工程灾害防治提供理论参考。

     

粗粒料级配缩尺后最大干密度试验研究

对某级配粗粒料,采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法等4种不同缩尺方法,依据规范要求进行缩尺。缩尺后替代级配料的最大颗粒粒径分别为20、40、60mm。对各替代级配料采用振动台法进行了最大干密度试验,基于试验成果,结合分形理论,提出了一种将最大干密度与级配及细粒含量之间关系归一化的方法,并拟合了最大干密度与试验前级配的分形维数、小于5 mm颗粒的含量及最大粒径之间的关系,据此可推求出原型级配料的最大干密度,探讨了缩尺方法对替代料试验前后粒径分布曲线变化幅度的影响,总结出颗粒破碎分形维数与试验前级配的分形维数、小于5 mm颗粒含量及最大粒径之间的关系式,据此可推求出填筑后原型级配料的颗粒破碎分形维数。     

基于强度参数演化行为的岩石峰后应力-应变关系研究

基于岩石材料峰后强度参数的演化行为,结合强度准则,提出了建立峰后应力-应变关系的一般方法。在此基础上,基于摩尔-库仑强度准则,以最大主应变 作为应变软化参数,假设黏聚力 ,内摩擦角 为主应变 的分段线性函数条件下,给出了岩石材料的峰后应力-应变关系式的求法。在数值算例中,利用提出的方法,给出了大理岩在不同围压下的应力-应变曲线,算例显示,利用这一方法求得的峰后应力-应变关系曲线变化趋势与试验数据基本一致,表明该方法在研究峰后应力-应变关系上具有一定的合理性。     

深井大断面沿空留巷底板裂隙分形特征动态演化规律试验研究

深井大断面沿空留巷常见严重底鼓问题,为更好揭示底鼓机理,利用自行研制的两向四面加载试验装置,结合顾桥矿1115(1)工作面轨道顺槽工程地质条件,采用相似材料模拟方法研究了深井大断面沿空留巷底板在掘进、一次采动、留巷和二次采动影响期间裂隙动态演化规律,并基于分形几何理论定量分析了分形维数变化规律及其与底鼓量的关系。研究结果表明,底板裂隙随着回采逐步发育、扩展、贯通,以剪切破坏的中高角度裂隙分布为主;底板裂隙分形维数逐渐增加,在顶板来压和留巷期间均有明显的升维现象;由于留巷上部基本顶的"回弹"现象,第二个工作面上覆岩层作用于煤体的载荷较小,导致在第二个工作面回采前期,底板裂隙分形维数增量较小;底鼓量和分形维数呈非线性正相关关系。通过对比现场实测底鼓量和试验底鼓量,发现二者能够较好吻合,验证模型试验结果的真实可靠。     

瓦斯压力影响下煤岩力学性质与冲击能量指数演化规律及机制

深部煤层冲击地压诱发瓦斯涌出、突出事故频繁发生,对井下安全生产带来了巨大威胁,厘清瓦斯对煤岩力学性质、冲击倾向性演化规律是建立有效防治手段的基础。运用物理试验方法,基于自主研发的可视化煤岩流?固耦合试验系统,研究瓦斯压力影响的煤岩吸附、力学性质及碎块分布规律,分析瓦斯影响的煤岩冲击能指数演化特征与机制。结果表明:具有强冲击倾向性煤岩的瓦斯等温吸附曲线符合Langmuir模型,随瓦斯压力升高,煤岩软化特性越发明显,弹性模量、软化模量均呈阶段性降低,瓦斯对二者在煤岩峰值前后具有不同的影响效果且存在临界压力,试样破坏形式呈“脆性张拉→剪切→张拉+塑性流动”过渡,冲击能指数与试样碎块尺度均呈先减小后增大的“V”形变化特征,破碎后具有更多盈余能;含瓦斯煤岩小尺度碎块是灾害发生的客观条件,瓦斯膨胀能为煤体动态失稳提供了额外的能量,增大了冲击地压发生过程的强动力性和破坏性,这种煤岩基质骨架与瓦斯运移的固?流耦合降低了冲击地压发生的临界指标且具有更高的致灾潜能。研究成果与启示为进一步判定深部高瓦斯煤层灾变倾向并建立行之有效的防治手段提供了试验基础和研究思路。      

泥石流源区砾石土分形特征及其与渗透系数关系试验研究

以取自泥石流易发区的182个砾石土土样为基础,进行室内颗分试验,通过分形理论计算各土样的分维值,经计算发现,泥石流源区砾石土以一重分形为主,一重分形的土样占样本总数的88.46%,一重分形土样的分维值介于2.250～2.798之间;以此数据为基础配置土样,通过自制、可控的常水头试验装置进行渗透试验。试验结果表明,渗透系数k与分维值D之间有极显著的相关性,且在干密度为1.8 g/cm3时相关性最好。通过多元回归分析发现,不同密度条件下,k与D之间均有较好的幂函数关系;相同的分维值条件下土样的渗透系数随密度的增大呈减小的趋势,分维值在2.450～2.600之间时,样本的干密度 与渗透系数k之间的幂函数关系较为明显。试验结果可以为泥石流启动的临界雨量研究提供理论基础,提高已有预报模型的普适性及精度。     

煤岩体采动裂隙网络的逾渗与分形特征关系研究

以平煤八矿己15-22060工作面为背景,引入逾渗和分形理论,分析了煤岩体裂隙网络的演化特征,得到了逾渗概率和分形维数随工作面推进度的变化规律及二者的变化关系。结果表明：逾渗概率的大小受横向离层裂隙和竖向破断裂隙的发育、贯通等因素影响,随工作面推进分阶段线性增大,且增幅有增大的趋势;随工作面推进煤岩体的裂隙网络逐步向工作面前方煤体和上覆岩层扩展,分形维数大小受裂隙的长度、宽度、数量、分布等因素控制,升维过程大致可分为3个阶段;煤岩体裂隙网络的逾渗概率与分形维数的关系可分段拟合为1个幂函数和2个线性函数,且具有很好的相关性,数学模型的建立可为研究煤岩体裂隙网络的等效渗透率奠定一定的基础。