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深部裂隙岩体的动态力学特性及裂纹扩展模型试验研究

深部裂隙岩体的动态力学特性及裂纹扩展模型试验研究

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作者：顾柯柯安徽理工大学

学位级别：硕士

煤炭开采深度逐年增加,爆破开挖的影响因素也越来越多,尤其初始应力和微裂隙的存在使得深部岩体对爆破开挖产生的扰动更加敏感,使得开挖难度增加。因此正确认识高地应力下裂隙岩体在爆破冲击作用下的力学特性与裂纹扩展演化显得至关重... 详细信息

煤炭开采深度逐年增加,爆破开挖的影响因素也越来越多,尤其初始应力和微裂隙的存在使得深部岩体对爆破开挖产生的扰动更加敏感,使得开挖难度增加。因此正确认识高地应力下裂隙岩体在爆破冲击作用下的力学特性与裂纹扩展演化显得至关重要。本文采用类岩代替深部裂隙岩体,利用霍普金森压杆、主动围压装置、应力加载平台、高速相机以及超动态应变仪进行三轴动态冲击和初始应力下平板爆破模型试验,探究裂隙岩体的的动态力学特性、应力波衰减和裂纹扩展演化规律。主要研究内容和成果如下:(1)选用砂、52.5水泥、石膏粉以及水制作类岩试件,并测量各配比的容重、抗压强度、抗拉强度、纵波波速等基本力学参数,基于相似系数和原岩强度得到所需类岩强度,确定试验材料配比为1:6.54:0.77(水泥:砂:石膏),水胶比为0.6。(2)在常规单轴冲击条件下,试件的应力-应变曲线大致可分为压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定-非稳定扩展阶段、卸载阶段;试件峰值应力随预制裂隙倾角增大先减小后增大,30度裂隙试件动态抗压强度最小;各倾角裂隙试件的破碎耗能占比随入射能的增大而增大,同一入射能下,30度裂隙试件破碎耗能占比最大,完整试件最小;0度试件的破坏模式为拉-剪破坏,以剪切破坏为主导,裂纹沿裂隙端部轴向、径向延伸,30、60、90度裂隙试件破坏模式为剪切破坏,裂纹沿裂隙端部轴向延伸。(3)围压冲击下,裂隙试件动态抗压强度满足基本的应变率效应且随着裂隙倾角的增加而增大;随着围压的增大,裂隙对岩石的影响程度相比较围压要小很多;同一入射能下,破碎耗能占比大体随裂隙倾角的增大而减小;低围压下各裂隙试件的破坏程度为:90°>0°>30°>60°,中高围压下,各裂隙试件的破坏程度为:60°>30°>0°>90°;0度裂隙试件裂纹属于轴向拉伸破坏,30、60度裂隙试件生成裂纹包括轴向拉伸裂纹和剪切裂纹,以拉伸裂纹为主,90度裂隙试件的裂纹并不沿预制裂隙尖端起裂,而是在试件的一端生成轴向拉伸裂纹。(4)无围压爆破模型试验中能够得到应力波衰减程度指标T随倾角的增大先增大后减小,30度裂隙试件T值最大,90度裂隙试件T值最小。(5)单向等围压爆破模型试验中,未施加围压一侧(测点4、5)与施加围压一侧(测点1、2,同时存在裂隙)相比,应变峰值减小的趋势更快且随着围压增大,测点4、5的应变峰值逐渐低于测点1、2的应变峰值;裂纹扩展并不能穿过裂隙而是绕过裂隙斜着扩展至边界处,裂纹扩展方向端点距离炮孔竖直线的距离与裂纹扩展速度随着围压的增大都呈指数变化;平板试件位移场具有明显的梯段性,能清楚看到试件破裂之后大体分为三部分,在应变云图中,以炮孔位置为中心,应变随距离增加呈梯度减小,中心处应变值最大。图49表20参84

关键词：深部岩体霍普金森压杆裂隙角度模型平板爆破裂纹扩展演化

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