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中低应变率扰动荷载作用下煤岩动态力学响应试验研究

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中低应变率扰动荷载作用下煤岩动态力学响应试验研究

作者：文晓泽太原理工大学

学位级别：硕士

遗煤开采工作面围岩的稳定性受采动作用、爆破及局部能量集中释放等产生的扰动荷载与先期多重采动引起的静态荷载共同影响。本文围绕“中低应变率扰动荷载和静载耦合作用下煤岩力学响应特性和失稳机理”这一科学问题,以岩石力学试验为主... 详细信息

遗煤开采工作面围岩的稳定性受采动作用、爆破及局部能量集中释放等产生的扰动荷载与先期多重采动引起的静态荷载共同影响。本文围绕“中低应变率扰动荷载和静载耦合作用下煤岩力学响应特性和失稳机理”这一科学问题,以岩石力学试验为主,综合现场调研、理论分析和数值模拟等研究手段开展相关研究。通过中低应变率扰动荷载和静载耦合作用下煤岩力学试验,辅以声发射监测、DIC监测等手段,运用岩石力学、材料力学、结构力学、矿山岩体力学、弹性力学和岩石动力学等交叉学科的理论,分析了煤岩动态响应过程中的声发射信号、局部变形和全场应变多参量协同演化规律,探究了扰动荷载幅值和预静载水平对煤岩动态力学特性的影响,揭示了动静载耦合作用下煤岩的损伤机理,明晰了煤岩动态失稳破坏的前兆信息,研究了柱旁充填对遗留煤柱力学性能和抗扰动能力的强化机理。论文主要研究内容及取得的创新成果如下:(1)研究了柱式采空区上行开采过程中层间岩层、遗留煤柱的静态载荷特征和矿井开采过程中的扰动荷载基本特征。基于数值模拟、现场监测和文献分析,研究了柱式采空区形成和上行开采工作面推进过程中不同位置的遗留煤柱和层间岩层的应力集中程度及动态演化特征;通过现场监测得到多种扰动荷载应力波的频谱信息,研究了矿井开采过程中爆破、采煤机割煤、掘巷扰动、围岩破断等产生的扰动荷载特征,结合应力波的传播衰减规律,指出了围岩低频扰动荷载特征,明确了实验室岩石力学试验的扰动荷载参数为5Hz的正弦波。(2)以煤系地层典型砂岩为研究对象,开展动静载耦合作用下砂岩的拉伸力学特性试验,研究了预静载水平和扰动荷载幅值对砂岩动态拉伸力学特性的影响规律。结果表明:扰动荷载导致的损伤程度与预静载水平正相关,预静载由30%?增大为80%?,AE振铃计数率和能量水平约增大11倍,宏观上表现为扰动损伤砂岩的抗拉强度降低。验证了高应力状态砂岩动态破坏过程中扰动荷载幅值门槛值的存在,明确了高应力状态下砂岩应变演化与扰动荷载幅值间的量化关系;基于动态断裂模型和砂岩动态破坏形态,研究了扰动荷载作用过程中砂岩的损伤机理,提出可以用砂岩局部应变信息量化扰动损伤,且拉应变指数型跃增的拐点可以作为高应力状态砂岩的动态失稳前兆信息。(3)探究了预静载水平对动静载耦合作用下煤样力学响应特征的影响,系统分析了预静载水平对煤样力学性能劣化、声发射响应、表面变形演化和破坏形态的影响,动静载耦合作用过程中煤样塑性应变较小,但强度劣化明显,与均质性较高岩石差异显著,并从煤样不同组分差异化响应角度对该现象进行了解释。基于完整煤样表面变形演化和预制裂隙煤样的裂纹动态扩展过程,明晰了原生裂隙渐进扩展贯通形成的“网状裂纹”对煤样动态响应的主导地位,揭示了中低应变率扰动荷载的损伤诱裂机理。(4)研究了扰动荷载幅值对高应力状态煤样动态响应特征的影响,辅以多参量表征,量化了高应力状态煤样动态破坏前扰动荷载作用周期数和幅值间的关系,提出用累计AE振铃计数率评估煤样损伤和失稳预警的方法。从能量角度出发,指出扰动荷载作用过程中呈“紊流”状态的能量弱化裂纹扩展的有序性,揭示了对高应力状态煤样破坏瞬间大规模裂纹扩展、破碎程度增加的机理。(5)研究了不同围压水平下煤样的动态力学特性,分析了围压对煤样抗扰动能力强化程度的影响,获得了煤样抗扰动能力强化的最小围压值,阐释了侧限约束对煤样抗扰动能力的强化机理。基于水泥砂浆充填体约束煤样的力学试验,探索了柱旁充填强化煤柱抗扰动能力的可行性。

关键词：中低应变率扰动荷载动静载耦合动态响应损伤机理

低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验研究

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岩石力学与工程学报 2016年第7期35卷 1309-1322页

作者：苏国韶胡李华冯夏庭王金欢张晓鹤广西大学土木建筑工程学院广西南宁530004 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室广西南宁530004 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以中粗晶粒花岗岩为岩石试样,在实现低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程模拟的前提下,研究不同荷载影响因素对岩爆的影响。研究结果表明：在其他荷载参数固定的条件下,在轴向低频周期动力扰动... 详细信息

利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以中粗晶粒花岗岩为岩石试样,在实现低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程模拟的前提下,研究不同荷载影响因素对岩爆的影响。研究结果表明：在其他荷载参数固定的条件下,在轴向低频周期动力扰动荷载作用下,轴向静应力、第三主应力和扰动荷载幅值均存在岩爆方面的门槛值,当达到或超过门槛值时,试样发生岩爆的可能性急剧增大,此时这3个影响因素的小幅变化可导致岩爆弹射动能与岩爆碎块破碎程度的显著变化;在其他荷载参数固定的条件下,在0~3 Hz频率范围内,随着扰动荷载频率的增加,岩爆弹射动能呈先增大后减小的变化规律;静载作用下试样积聚足够大的弹性能和扰动荷载持续输入足够大小和合适速率的能量是此类岩爆发生的能量条件;试样弹性应变能小幅度突增且弹性应变能极限存储能力快速下降的＂双向背离效应＂是此类岩爆发生的能量机制。

关键词：岩石力学岩爆扰动荷载真三轴试验

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双向受压岩石在扰动荷载作用下致裂特征研究

岩石力学与工程学报 2010年第6期29卷 1238-1244页

作者：马春德李夕兵陈枫徐纪成中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083

采用频率为2Hz,幅值分别为6,10,14,18和22MPa的正弦疲劳荷载作为动力扰动,来研究受双向静荷载并达到极限屈服状态的岩石在动力扰动荷载作用下致裂破坏的力学特性。试验结果发现:双向静载屈服状态红砂岩试件在动态周期荷载作用下,疲劳寿... 详细信息

采用频率为2Hz,幅值分别为6,10,14,18和22MPa的正弦疲劳荷载作为动力扰动,来研究受双向静荷载并达到极限屈服状态的岩石在动力扰动荷载作用下致裂破坏的力学特性。试验结果发现:双向静载屈服状态红砂岩试件在动态周期荷载作用下,疲劳寿命明显短于在弹性阶段进行的疲劳测验的寿命。试件的疲劳寿命离散性较大,即使在同一动载幅值下也表现出很大差异,但相同应力幅值下最终破坏点处的变形量却基本相同,并且随着动载的幅值的增大而减小。研究还显示:具有相对较长疲劳寿命的试件的轴向变形量与循环次数(或时间)的关系曲线呈现出明显的3个阶段特性,其变化趋势与岩石蠕变曲线基本相同。岩石的最终破坏是由3个阶段的疲劳损伤累积所致,各阶段变形量占总变形量的比例、破坏模式和块度分布均与受到的动载应力幅值有关。

关键词：岩石力学双向受压岩石扰动荷载应力幅值致裂特征

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扰动荷载下单孔大理岩蠕变特性试验研究

湖南工业大学学报 2018年第1期32卷 36-43页

作者：徐俊祝方才谭园辉湖南工业大学土木工程学院湖南株洲412007

以冬瓜山-790 m的地下隔离矿柱回采为工程背景,进行了室内扰动蠕变试验,分析不同轴压及扰动荷载下含孔洞大理岩的蠕变特性。试验结果表明:含孔洞大理岩的单轴蠕变先后经过蠕变衰减阶段、蠕变等速阶段和蠕变加速阶段;每次扰动岩石都会产... 详细信息

以冬瓜山-790 m的地下隔离矿柱回采为工程背景,进行了室内扰动蠕变试验,分析不同轴压及扰动荷载下含孔洞大理岩的蠕变特性。试验结果表明:含孔洞大理岩的单轴蠕变先后经过蠕变衰减阶段、蠕变等速阶段和蠕变加速阶段;每次扰动岩石都会产生应变突变值,且其随应力水平的增大而增大,对于含同样大小孔洞的大理岩,扰动荷载的大小对岩石蠕变特性有重大影响,扰动荷载越大,蠕变产生的瞬时应变突变值也越大,岩石被破坏的速度越快;对于含孔洞直径越大的大理岩,扰动荷载对蠕变变形的影响也越大。最后,通过蠕变本构模型及确定Burgers扰动蠕变模型的参数等方法进行了蠕变理论分析,所得理论分析结果与试验结果具有较好的拟合度。

关键词：蠕变特性含孔洞岩石扰动荷载蠕变本构模型

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扰动作用下硬岩蠕变及剪切破坏实验研究

科技风 2024年第23期 129-131页

作者：律天昊肖佳璇邓江邓浩男辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000

为了研究深部岩体在扰动作用下的非线条蠕变特征和蠕变扰动效应,采用岩石扰动蠕变试验装置,选用片麻岩为试样,并采用了分级加载方式。在静态轴压、不同扰动幅值和频率的作用下,进行了岩石压缩扰动蠕变试验,以获得扰动载荷对岩石蠕变特... 详细信息

为了研究深部岩体在扰动作用下的非线条蠕变特征和蠕变扰动效应,采用岩石扰动蠕变试验装置,选用片麻岩为试样,并采用了分级加载方式。在静态轴压、不同扰动幅值和频率的作用下,进行了岩石压缩扰动蠕变试验,以获得扰动载荷对岩石蠕变特性的影响。实验结果显示:试样的剪切行为和剪切应力曲线可分为完整试样的压剪破裂和剪断后试样的剪切滑移。通过对剪切变形与剪切应力的结果分析,在轴压达到40MPa时,观察到岩石进入了蠕变敏感的起始阶段。当轴压超过40MPa后,岩石的蠕变应变急剧增加,曲线呈现更为陡峭的变化。这表明在特定的轴压水平下,岩石对扰动的反应更为敏感。研究结果有助于深入认识岩石剪切蠕变力学行为。

关键词：深部岩体岩石强度扰动荷载压剪破裂

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行车荷载频繁扰动主干道下锚索施工技术

石家庄铁路职业技术学院学报 2016年第2期15卷 72-76页

作者：沈红云刘石崔喆鑫河北交通职业技术学院河北石家庄050091 北京中铁隧建筑有限公司北京100022

地铁车站大多设置在城市主干道,地铁车站基坑围护结构施工不但要考虑对市政道路的影响,还应考虑市政道路上密集车辆动荷载对基坑围护结构的影响,保证围护结构的安全。本文以石家庄轨道交通1号线人民广场站基坑围护结构施工为例,对行车... 详细信息

地铁车站大多设置在城市主干道,地铁车站基坑围护结构施工不但要考虑对市政道路的影响,还应考虑市政道路上密集车辆动荷载对基坑围护结构的影响,保证围护结构的安全。本文以石家庄轨道交通1号线人民广场站基坑围护结构施工为例,对行车荷载扰动下基坑锚索施工进行了试验和总结,并成功应用于本工程中,取得了较好的施工效果。

关键词：扰动荷载基坑锚索施工技术

基于加卸载响应比的载荷岩石动力学特征试验研究

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煤炭学报 2009年第3期34卷 329-333页

作者：苗胜军樊少武蔡美峰陈长臻北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 煤炭科学研究总院北京安全技术研究所北京400037 兖州矿业集团菏泽能化有限公司山东巨野274900

利用单轴循环加卸载扰动试验,在不同应力水平对岩石试件施加幅度较小、周期较短的循环扰动荷载,得到试件在不同应力条件下扰动时的应力-应变状态,同时利用声发射监测设备对加卸载过程中试件内部损伤演化过程进行记录.试验显示,加卸载响... 详细信息

利用单轴循环加卸载扰动试验,在不同应力水平对岩石试件施加幅度较小、周期较短的循环扰动荷载,得到试件在不同应力条件下扰动时的应力-应变状态,同时利用声发射监测设备对加卸载过程中试件内部损伤演化过程进行记录.试验显示,加卸载响应比值Y的变化特性与岩体所处的应力状态及其稳定程度相关,当荷载水平较低时,加卸载响应比值Y接近于1,试件比较稳定;而当荷载水平较高,接近试件破坏的临界状态时,加卸载响应比值会急剧增加,所以可以用加卸载响应比理论定量地分析岩石试件损伤演化过程,为扰动致灾动力学机理、诱发模式及预测预报提供试验基础.

关键词：加卸载响应比载荷岩石扰动荷载声发射损伤演化过程

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扰动作用下类岩石三轴蠕变变形特性试验研究

山东建筑大学学报 2021年第6期36卷 30-37页

作者：张慎河杨景徐学国邢鲁义柴志刚山东建筑大学土木工程学院山东济南250101

随着我国煤炭开采深度的增加,受扰动影响,巷道围岩变形增大,易导致岩爆、冲击地压等重大灾害,开展受扰动影响的岩石变形特性研究至关重要。文章采用TAW-1000D岩石流变扰动试验仪,对类岩石试件进行三轴蠕变扰动试验,研究不同预静载下扰... 详细信息

随着我国煤炭开采深度的增加,受扰动影响,巷道围岩变形增大,易导致岩爆、冲击地压等重大灾害,开展受扰动影响的岩石变形特性研究至关重要。文章采用TAW-1000D岩石流变扰动试验仪,对类岩石试件进行三轴蠕变扰动试验,研究不同预静载下扰动荷载对类岩石蠕变变形特性的影响。结果表明:类岩石的极限应变值和长期强度值随着围压的增大而增大;施加扰动荷载后的试件应变值会突变,进入扰动区后,突变值增加较为明显;相同围压下,第一次扰动累计变形值随着预静载的增加而增大,蠕变变形的永久性变形增加;类岩石蠕变扰动破坏表现为斜剪破坏,扰动荷载释放了存储的弹性应变能,造成单元损伤增加,且释放的弹性能超过类岩石单元破坏所需的能量时,类岩石单元发生破坏。

关键词：扰动荷载蠕变变形长期强度累计扰动变形能量