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循环荷载下煤岩组合破坏模式及能量演化研究

矿业装备 2024年第2期 152-154页

作者：石伟山西地宝能源有限公司山西太原030045

准确评价煤矿开采冲击地压危险性,开展了不同加载速率下组合煤岩的单轴压缩试验。分析了加卸载速率和路径对组合煤岩力学性能的影响。组成煤岩的整体弹性模量、峰值强度和残余强度介于顶板、煤和底板之间。组合煤岩的应力-应变特性取决... 详细信息

准确评价煤矿开采冲击地压危险性,开展了不同加载速率下组合煤岩的单轴压缩试验。分析了加卸载速率和路径对组合煤岩力学性能的影响。组成煤岩的整体弹性模量、峰值强度和残余强度介于顶板、煤和底板之间。组合煤岩的应力-应变特性取决于系统中刚度最小的部分。峰后破坏阶段的应力-应变曲线总体上比单个岩样更平滑。刚度差异对组合煤岩的破坏形式和冲击地压倾向有显著影响。随着加载速率的增加,组合煤岩在弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段的应变增量逐渐增大,峰值点应变呈线性上升趋势。在评价冲击地压倾向时,应考虑煤岩组成和开采引起的快速加卸载效应。

关键词：煤岩载荷加卸载速率力学性能

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砂岩真三轴加卸载能量特征的速率效应

采矿技术 2020年第1期20卷 62-65页

作者：张爱术陈光木广东省大宝山矿业有限公司广东韶关市512100

基于不同加卸载速率真三轴试验,研究砂岩加卸载能量特性的速率效应。结果表明:不同加卸载速率下的能量-应变曲线总体趋势基本相同,即输入的总能前期主要储存岩石弹性能,后期主要转化为用于岩石变形破坏的耗散能;加卸载速率对能量特性存... 详细信息

基于不同加卸载速率真三轴试验,研究砂岩加卸载能量特性的速率效应。结果表明:不同加卸载速率下的能量-应变曲线总体趋势基本相同,即输入的总能前期主要储存岩石弹性能,后期主要转化为用于岩石变形破坏的耗散能;加卸载速率对能量特性存在显著影响,高加载速率或低卸载速率下,岩石破坏时的总能、弹性能、耗散能增大;加载速率越大或卸载速率越小,破坏时的应力越大,卸荷比越小,变形破坏越剧烈,当卸荷比接近最终临界值时,总能与耗散能急剧增大,此时继续少量卸载σ3就会引起岩石剧烈变形至破坏;加卸载速率改变了岩石的能量分配。

关键词：砂岩真三轴试验加卸载速率卸荷比

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加轴压卸围压条件下北山花岗岩破坏特征

岩土工程学报 2019年第2期41卷 329-337页

作者：王超圣周宏伟王睿王子辉何树生刘建锋中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 四川大学水利水电学院四川成都610065

为了研究开挖扰动对花岗岩的破坏机理,对北山花岗岩进行了加轴压卸围压的三轴试验,试验中设置0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 MPa/min五种卸围压速率,轴压加载速率是卸载速率的10倍,每一种卸载速率设置5,10,15,20,30 MPa五个围压,并在试验过程中... 详细信息

为了研究开挖扰动对花岗岩的破坏机理,对北山花岗岩进行了加轴压卸围压的三轴试验,试验中设置0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 MPa/min五种卸围压速率,轴压加载速率是卸载速率的10倍,每一种卸载速率设置5,10,15,20,30 MPa五个围压,并在试验过程中记录声发射事件。分析了声发射事件数随卸载速率的变化规律,使用层次聚类的方法将声发射事件分为张拉破坏和剪切破坏,研究了卸载速率、围压和卸载时间对张剪比(张拉破坏与剪切破坏的比值)的影响,研究表明:(1)随着卸载速率的增加,声发射事件数呈幂函数下降,且围压越高,声发射事件数下降越明显;(2)裂纹的张剪比随着卸载速率的增加而增加,随着围压的增加减小,随着卸载时间增加降低;(3)围压卸载速率增加,岩石声发射b值降低,初始围压升高,对应的b值增加,且卸载速率和围压对张拉b值的影响比对剪切b值影响更明显;(4)基于Maxwell模型分析岩石内局部应力状态,并进一步研究了岩石破坏过程中张剪比变化的力学机理。

关键词：北山花岗岩加卸载速率声发射拉破坏剪破坏 b值

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加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

矿业科学学报 2021年第3期6卷 280-289页

作者：徐超秦亮亮李晓敏杨港孙浩石中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083 山东科技大学矿山灾害预防控制重点实验室青岛266590

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性。为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸... 详细信息

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性。为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律。结果表明,不同加卸载方式显著影响着试样损伤程度,按严重程度排序依次是:路径1加卸载速率的增高而较快达到,损伤程度和渗透率增幅却随之增高;随着围压的增高,损伤的时间响应变慢,渗透率最终恢复程度降低,煤体的损伤、渗透特性具有显著的围压效应。能量累计量随时间的变化呈指数函数关系,损伤扩容后相对渗透率k/k_(0)呈幂函数关系。

关键词：含瓦斯煤损伤扩容渗透率加卸载方式加卸载速率围压

基于颗粒流程序的不同加卸载条件下泥岩蠕变破裂规律研究

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实验力学 2019年第5期34卷 873-882页

作者：王俊光杨鹏锦梁冰金峤辽宁工程技术大学力学与工程学院

为研究平顶山12矿泥岩在不同加卸载围压速率下的蠕变破裂规律,在Bugers蠕变模型的基础上引入非线性黏塑性体(NVPB)串联构成Bugers-NVPB模型,基于颗粒流理论建立颗粒间力与位移的数值积分方案,二次开发出适用于二维颗粒流程序(PFC^2D)且... 详细信息

为研究平顶山12矿泥岩在不同加卸载围压速率下的蠕变破裂规律,在Bugers蠕变模型的基础上引入非线性黏塑性体(NVPB)串联构成Bugers-NVPB模型,基于颗粒流理论建立颗粒间力与位移的数值积分方案,二次开发出适用于二维颗粒流程序(PFC^2D)且具有加速蠕变特性的黏弹塑性蠕变模型。建立PFC2D模型,并进行单轴压缩和三轴分级加载蠕变的模拟,通过与室内试验对比,验证了Bugers-NVPB模型对于蠕变试验的可行性。在此基础上,进行单轴压缩和不同加卸载围压速率下蠕变试验,分析了不同条件下试样的破裂形态、微裂纹数量和破裂机制。结果表明:在加卸载围压条件下,泥岩蠕变破裂形态比单轴压缩条件下更为复杂,且微裂纹总数更多;随着加卸载速率的增加,泥岩蠕变破裂形式由以剪切破坏为主,向张拉破坏为主过渡,微裂纹发育的局部化效应更加显著,微裂纹总数有所减少;在蠕变破裂阶段,试样均产生大量的张拉裂纹,且随着加卸载速率的减少,试件中较少的剪切裂纹对宏观破裂形态的影响愈加显著。

关键词：岩石力学颗粒流程序 NVPB体加卸载速率蠕变破裂

深部锚固节理岩体蠕变-疲劳破坏能量演化规律分析

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中国地质灾害与防治学报 2022年第4期33卷 98-105页

作者：宋洋杨辉李永启范波辽宁工程技术大学建筑与交通学院辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000

为探究深部岩体在爆破、开挖等扰动荷载下的力学特性,开展锚固岩体在蠕变-疲劳荷载下的室内试验,并进一步探究其能量演化规律。结果表明:(1)在疲劳荷载作用下,加锚节理岩体比无锚条件下的滞回环面积小,在施加预应力时,其滞回环面积又大... 详细信息

为探究深部岩体在爆破、开挖等扰动荷载下的力学特性,开展锚固岩体在蠕变-疲劳荷载下的室内试验,并进一步探究其能量演化规律。结果表明:(1)在疲劳荷载作用下,加锚节理岩体比无锚条件下的滞回环面积小,在施加预应力时,其滞回环面积又大幅度减少,说明加锚预应力能有效降低其能量损耗;(2)岩石强度越高,其滞回环面积越小,对应的能量耗散越小,反之能量耗散大;(3)对比不同加卸载速率可知:在每一级循环荷载过程中,加卸载速率越大其对应的应变值、切线斜率就越大。考虑加卸载速率对节理岩体劣化作用,依据应变等价原理,得出节理岩体峰值损伤本构方程,并通过试验验证模型的准确性,为深部岩体结构支护提供思路。

关键词：剪切蠕变滞回环面积加卸载速率能量损耗损伤本构模型

蠕变—疲劳载荷下柔性石墨金属波齿复合垫片的性能研究

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蠕变—疲劳载荷下柔性石墨金属波齿复合垫片的性能研究

作者：桑聪武汉工程大学

学位级别：硕士

柔性石墨金属波齿复合垫片的工作环境中,常存在高温及疲劳载荷,而高温及疲劳载荷对垫片金属骨架的性能影响很大;目前尚无柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架的结构参数标准。基于试验,分别对不同疲劳载荷和不同温度下波齿复合垫片性能展... 详细信息

柔性石墨金属波齿复合垫片的工作环境中,常存在高温及疲劳载荷,而高温及疲劳载荷对垫片金属骨架的性能影响很大;目前尚无柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架的结构参数标准。基于试验,分别对不同疲劳载荷和不同温度下波齿复合垫片性能展开研究;将部分试验数据导入有限元软件,对金属骨架的结构参数的变化进行研究。将疲劳载荷的变化形式分为不同循环加卸载应力比和不同循环加卸载速率两个方向,研究500℃下不同循环加卸载应力比的304不锈钢的压缩回弹性能,得到304不锈钢试样的累积应变和累积应变速率;对500℃下不同加卸载速率对波齿复合垫片压缩回弹性能的影响进行试验,得到基于循环加卸载速率的压缩回弹曲线公式。对垫片进行了100℃和300℃两种温度下的循环加卸载试验,基于得到的应力-变形量实测数据,通过计算循环压缩模量和循环卸载模量分析了其压缩回弹特性;考虑温度和金属骨架厚度的变化,探索了蠕变-疲劳的交互作用对垫片的影响。研究表明:疲劳载荷下随着时间增长垫片压缩速率增加,回弹速率减小;在稳态蠕变阶段,蠕变-疲劳载荷的交互作用使垫片的蠕变曲线出现棘轮效应。提取304不锈钢500℃下不同循环加卸载应力比的试验中第一个加卸载循环的压缩曲线数据的非线性段,导入ANSYS,作为500℃时304不锈钢的弹塑性材料特性,用ANSYS研究金属骨架的结构参数变化对其性能影响。研究表明:在对金属骨架应力应变状态影响程度上,波齿齿宽的改变的影响对比波齿深度变化和波齿半径变化的影响大得多,波齿深度变化和波齿半径变化的影响在同一数量级上。

关键词：蠕变疲劳载荷应力比加卸载速率压缩回弹性能

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工作面煤体变形破裂演化规律实验测试与分析

工作面煤体变形破裂演化规律实验测试与分析

作者：单鹏宇中国矿业大学

学位级别：硕士

由于浅层资源的日趋匮乏,目前中国大部分煤炭资源的开采都已逐渐进入了深部,但随着采掘深度的逐步增大,煤层所受到的地应力也逐渐上升,地质条件复杂多变。工作面煤体在开采前处于应力平衡状态,随着不同形式的采动作业的进行,工作面前方... 详细信息

由于浅层资源的日趋匮乏,目前中国大部分煤炭资源的开采都已逐渐进入了深部,但随着采掘深度的逐步增大,煤层所受到的地应力也逐渐上升,地质条件复杂多变。工作面煤体在开采前处于应力平衡状态,随着不同形式的采动作业的进行,工作面前方煤体的应力平衡被打破,在采动临空面附近形成应力集中区,煤体在高应力状态下容易发生破裂变形和片帮,甚至发生冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害事故,严重影响矿井正常生产和井下作业人员安全。本文以工作面煤体作为研究对象,综合运用工程分析、实验研究和理论分析相结合的方法,建立ZTTS-322K多场多相耦合三轴实验系统,实验测试并分析了开挖暴露卸载煤体变形破坏的规律及工作面煤壁加载煤体变形破裂规律,主要工作及结论如下:(1)实验模拟工作面开挖,开展了初始载荷对煤体卸载破坏影响实验,揭示了初始载荷对煤体卸载变形破裂影响规律。研究发现:卸载后试样卸载面均会发生变形或破裂,初始载荷对卸载煤体表面裂隙形式、裂隙分布和力学特性等影响较大;煤体试件的破坏程度、裂隙密度和裂隙种类等随着初始载荷的增加而增加,煤体试样的变形量和变形增长率随初始载荷的增加而增加;未发生卸载破裂情况下,垂直于卸载方向的应力-应变曲线存在应力平台,不产生应力降,平台长度随初始载荷增加而增加;高初始载荷情况下试样卸载破裂会产生应力降,应力平台长度明显小于未发生脆性破坏的试件。(2)实验模拟工作面开挖,开展了卸荷速度对煤体卸载破坏影响实验,揭示了卸载速度对煤体破裂演化的影响规律。研究发现:卸荷速度对卸载煤体表面裂隙形式、裂隙分布和力学特性等影响较大。煤体试件表面的破坏程度大小与卸荷速率呈正相关关系,煤试样的变形量和变形增长率随着卸载速度的增加而增加;未发生卸载破裂情况下,应力平台长度随卸载速度增加而增加;高卸载速度情况下试样卸载破裂会产生应力降,应力平台长度明显小于未发生脆性破坏的试件;煤试样在高卸荷速度状态下更容易发生脆性破坏,低卸荷速度试样更偏向于延性变形。(3)实验模拟煤柱,开展了多方向卸载路径对煤体卸载破坏影响实验。通过对煤体外部裂隙特征进行宏观分析,破坏程度方面由大到小为:四侧应力卸荷试件、三侧应力卸荷试件、单侧应力卸荷试件、两侧对称应力卸荷试件;各个应力路径的煤试样应变由大到小排序为:四侧应力卸荷、两侧对称应力卸荷、三侧应力卸荷、单侧应力卸荷。在发生应力降的应力路径中,三侧应力卸荷应力下降最快,单侧应力卸荷次之,四侧应力卸荷最慢。在发生应力降的应力路径中,单侧应力卸荷的屈服平台最长,三侧应力卸荷次之、四侧应力卸荷最短。(4)进行了多种条件对煤体卸荷破坏影响权重分析,发现在多种条件同时作用在煤体的变形过程中,初始载荷起主导作用,卸荷速度次之,应力卸载路径的作用在三者之中最小。(5)实验模拟工作面煤壁垂直加载,开展了初始加载—水平单面卸荷—垂直应力集中对煤体破裂的影响实验,实验发现:在煤体受垂直应力持续加载后,煤体试件的破坏程度随初始载荷和卸载速度增大而增大;试件垂直加载方向产生压缩变形,水平卸载方向产生膨胀变形,试件垂直加载方向变形、卸载方向变形和峰值强度等参数随初始载荷增加而增加;试件到达峰值应力速度等参数随初始载荷增加而减小,试件到达峰值应力速度、卸载方向变形等参数随卸载速度增加而增大,试件峰值强度等参数随卸载速率的增加而减小;在初始载荷和卸载速度变量中,八面体强度准则适用性较好,可进行强度预测。研究工作及结果对于进一步认识煤矿现场工作面煤壁变形、破裂、片帮和冲击地压、煤与瓦斯突出灾害事故演化过程,有效预防工作面动力灾害、保障安全生产等具有重要作用和意义。该论文有图片59张,表格13个,参考文献110条。

关键词：工作面真三轴应力破裂演化特征加卸载速率应力路径

真三轴加卸载条件下砂岩力学特性与能量演化规律试验研究

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真三轴加卸载条件下砂岩力学特性与能量演化规律试验研究

作者：马波重庆大学

学位级别：硕士

地下工程围岩稳定性问题一直是岩石力学研究的前沿与热点。岩石力学性能是地下工程围岩稳定性问题研究的基础。本文以砂岩为研究对象,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,开展了真三轴应力条件下砂岩加卸载力学特性与能量演化规律试验研... 详细信息

地下工程围岩稳定性问题一直是岩石力学研究的前沿与热点。岩石力学性能是地下工程围岩稳定性问题研究的基础。本文以砂岩为研究对象,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,开展了真三轴应力条件下砂岩加卸载力学特性与能量演化规律试验研究。重点探讨了初始应力环境和加卸载速率对砂岩的力学特性与能量演化规律的影响。本文的主要研究成果如下:(1)最大主应力方向采用位移加载,最小主应力方向上单面卸载。加卸载过程中,最大主应变和偏应变逐渐增大,中间主应变、最小主应变和体积应变逐渐减小。加卸载初期试样被压缩,而后扩容。试样的变形模量先增大后减小。泊松比先保持稳定,然后逐渐增大,最终趋于水平。试样破坏时,随着初始中主应力系数b增大,最大主应变量、最小主应变量和偏应变量增大,而中间主应变量和体积扩容量减小,张性破裂特征越来越明显。当初始最小主应力σ增大时,砂岩的峰值应力呈线性增加,且试样发生破坏时,中间主应变量、最小主应变量和体积扩容量减小,而最大主应变和偏应变量增大,剪切裂纹更为明显。初始广义剪应力q增大,试样发生破坏时,中间主应变量和体积应变量减小,最大主应变量、最小主应变量和偏应变量先减小后增大,破坏形成的岩块较为破碎。(2)初始b增大,试样在峰值应力点处吸收的总能量U略有增加,储能极限U有小幅度减小,峰前累积耗散能U增加明显,裂纹更为发育,相应的耗散能比例U/U也随之增大。试样达到峰值应力点时的U、U和U与初始σ呈线性递增关系。随着初始q增大,试样发生破坏时U、U和U/U先减小后增大,U有一定提高。(3)加载速率增大,试样的峰值应力明显增大,相应的最大主应变量、偏应变量、中间主应变量也随之增大,最小主应变量减小,扩容点逐渐滞后,试样逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。卸载速率增大,岩样的峰值应力降低,相应的最大主应变、偏应变和中间主应变量减小,最小主应变量增大,扩容点提前,试样逐渐由剪切破坏转向张拉破裂。(4)加载速率越大,试样在峰值应力点处的U、U和U明显增大,且U/U也增大。卸载速率越大,试样在峰值应力点处的U、U和U则逐渐减小,相应的U/U也减小。试样峰前的应变能转化速率u与加载和卸载速率呈线性关系。(5)八面体剪应力强度准则和双剪应力强度准则对本文的强度数据均有较好的适用性。

关键词：真三轴初始应力环境加卸载速率力学特性能量演化