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真三轴条件下煤样冲击动力学及破坏特征实验研究

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煤炭学报 2023年第5期48卷 2168-2178页

作者：沈荣喜顾周杰王恩元刘贞堂刘威王溪中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116

深部煤体多处于三向不等应力状态,为了研究冲击载荷下煤样动力学特性,通过真三轴霍普金森压杆实验系统,开展煤样动态破坏力学实验。利用该系统装置可分别对煤样提供单轴(σ1≥σ2=σ3=0)、双轴(σ1≥σ2>σ3=0)和真三轴(σ1≥σ2≥σ3... 详细信息

深部煤体多处于三向不等应力状态,为了研究冲击载荷下煤样动力学特性,通过真三轴霍普金森压杆实验系统,开展煤样动态破坏力学实验。利用该系统装置可分别对煤样提供单轴(σ1≥σ2=σ3=0)、双轴(σ1≥σ2>σ3=0)和真三轴(σ1≥σ2≥σ3≠0)预应力(其中,σ1为轴向预应力;σ2为竖直预应力;σ3为水平预应力),从而实现高应变率下煤样力学性能测试。通过对比分析单轴与真三轴静载预应力状态下煤样动态力学特征及差异性,研究了煤样动态峰值强度、峰值应变以及宏观破碎形态与三向静载预应力、应变率的关系。研究结果表明:真三轴冲击载荷下煤样力学曲线基本一致,均包含线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段。单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度、应变具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度及峰值应变逐渐增大;比较单轴与真三轴冲击,三向静载预应力对煤样动态破坏具有明显的约束性,煤样的力学强度较单轴冲击时增大。保持σ2与σ3不变,煤样的力学峰值强度、应变随着轴向预应力σ1的增加整体呈降低趋势。随着应变率的增加,单轴冲击载荷下的煤样逐渐破碎至颗粒或粉末状,碎块平均粒径随应变率的增加线性降低;而三向静载预应力状态下的煤样呈现宏观断裂,碎块平均粒径随轴向预应力σ1的增加线性降低,但破坏程度相对单轴冲击较低。

关键词：真三轴 SHPB 煤应变率冲击动力学破裂

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真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

地下空间与工程学报 2023年第1期19卷 117-125页

作者：程健刘传奇青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033 临沂市工程结构防灾减灾与防护技术重点实验室山东临沂273400

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量... 详细信息

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。

关键词：砂岩真三轴能量演化储能系数能量耗散系数

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真三轴加载条件下岩爆过程的声发射演化特征

岩土力学 2019年第5期40卷 1673-1682页

作者：苏国韶燕思周闫召富翟少彬燕柳斌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

利用真三轴岩爆试验系统,对花岗岩开展真三轴加载条件下岩爆过程的声发射试验,初步揭示了岩爆过程中的声发射时空演化特征:岩爆孕育前期,振铃撞击比较小,主频以低频为主,优势频段(基于小波分析能量占比最大频段)为小于125 kHz的低频段,... 详细信息

利用真三轴岩爆试验系统,对花岗岩开展真三轴加载条件下岩爆过程的声发射试验,初步揭示了岩爆过程中的声发射时空演化特征:岩爆孕育前期,振铃撞击比较小,主频以低频为主,优势频段(基于小波分析能量占比最大频段)为小于125 kHz的低频段,声发射事件点由分散态趋于聚集态,新增事件由临空面向岩样内部方向转移;岩爆发生前夕,振铃撞击比大幅突增,低频、中频、高频信号大量涌现,主频带由离散形态转变为连续形态,250～500 kHz优势频段信号占比明显增加,声发射事件成核区在距临空面较远处成形,临空面附近区域事件点增多;岩爆发生阶段,声发射呈低频高幅特征,优势频段重新转入62.5～125.0 kHz,岩样临空面附近声发射活跃,岩样内部出现明显的声发射事件成核区,表明临空面附近出现了岩板劈裂现象,距临空面较远处出现了宏观剪切破坏现象。

关键词：岩石力学岩爆真三轴声发射

一种改进的真三轴Hoek–Brown强度准则

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工程科学与技术 2023年第2期55卷 214-221页

作者：石祥超李清鲮刘建锋高雷雨卓肖西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

Hoek–Brown强度准则已经广泛应用于岩石与岩体力学分析、岩石边坡稳定性分析、岩石隧道设计等领域,但常规Hoek–Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,应用上不能反映岩石的真三轴力学性能,因此有必要对Hoek–Brown强度准则... 详细信息

Hoek–Brown强度准则已经广泛应用于岩石与岩体力学分析、岩石边坡稳定性分析、岩石隧道设计等领域,但常规Hoek–Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,应用上不能反映岩石的真三轴力学性能,因此有必要对Hoek–Brown强度准则进行改进。通过分析岩石的真三轴试验结果,明确了岩石中间主应力对岩石强度的影响存在增强和抑制两种特征,当中间主应力大于临界值σ*2时,岩石强度被增强;当中间主应力小于临界值σ*2时,岩石强度被减弱。基于中间主应力的临界应力状态,引入中间主应力系数β,将一种2维Hoek–Brown强度准则改进为真三轴Hoek–Brown强度准则。采用非线性拟合方法确定了模型中的参数,通过对比8种岩石类型的真三轴试验数据,对改进后强度准则的精确性和普适性进行验证,并与其他3种真三轴强度准则做对比。结果表明:改进的真三轴强度准则的最佳参数m取值均能落在Hoek和Brown建议的取值区间,能够继承Hoek–Brown强度准则的优点。改进后的强度准则对8种岩石类型的均方根差(RMSE)均低于另外3种准则,能够准确预测岩石强度,且适用于大多数岩石类型,较好地体现了中间主应力对岩石强度的影响;Pan–Hudson准则总是在低σ2条件下高估岩石强度值,在高σ2条件下低估岩石强度值;Zhang–Zhu和Priest准则对岩石类型具有较强依赖性,描述精度较差。因此,改进的真三轴Hoek–Brown强度准则具有重要的应用推广价值。

关键词：强度准则 Hoek–Brown强度准则中间主应力真三轴

真三轴条件下煤岩体冲击破坏的能量演化特征分析

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煤炭科学技术 2022年第S02期50卷 160-169页

作者：张晨阳潘俊锋夏永学杜涛涛秦子晗冯美华中煤科工开采研究院有限公司北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013

为进一步揭示煤岩体冲击动力学特性与能量演化之间的内在联系,采用真三轴试验系统对不同煤样厚度比例的煤岩体试样开展加卸载试验,通过积分计算求得试样在外力加卸载变形直至失稳破坏过程中所吸收的能量值,对比分析各试样在试验过程中... 详细信息

为进一步揭示煤岩体冲击动力学特性与能量演化之间的内在联系,采用真三轴试验系统对不同煤样厚度比例的煤岩体试样开展加卸载试验,通过积分计算求得试样在外力加卸载变形直至失稳破坏过程中所吸收的能量值,对比分析各试样在试验过程中不同阶段、不同方向的能量演化特征,并结合其失稳破坏时的强度特征与破坏裂纹特征,分析能量演化规律。结果表明:①随着煤样厚度比例的增加,试样失稳破坏时累计吸收的能量呈现先增加后降低的上凸抛物线特征,与试样破坏裂纹特征演化特征有正相关关系,说明煤岩体累计吸收能量大小与其失稳破坏所呈现的动力学特征为正相关关系;②随着煤样厚度比例的增加,试样强度逐渐下降,与试样累计吸收能量演化规律并无明显的正相关关系。因此通过能量分析并研究其调整规律相比分析破坏强度可以更好地揭示煤岩体破坏失稳本质;③在不同煤岩体介质属性条件下,原岩应力所导致的能量积聚和后期外力扰动所导致的能量增量均可以成为其冲击破坏的主导原因。进一步印证,一定条件下高静载荷和动静载荷叠加均可诱发冲击地压;④外力加载是能量吸收的本质来源,而某单一方向能量吸收还与结构面、其余方向外力卸载相关。因此抑制能量积聚的根本方法是卸载外力,同时还需考虑煤岩体结构与其他方向外力变化所引起的联动效应。研究成果对于探究煤岩体冲击力学特性具有一定的理论意义,并可为冲击地压防控提供理论及技术支撑。

关键词：采矿工程冲击地压煤岩组合体真三轴加卸载能量

真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究

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岩石力学与工程学报 2020年第8期39卷 1522-1533页

作者：张晨阳潘俊锋夏永学杨光宇中煤科工开采研究院有限公司北京100O13 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100O13 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013

采用真三轴试验系统对煤岩组合体开展加卸载实验,探究不同煤厚比例组合体的力学行为响应特征,分析煤厚比例对组合体冲击破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着煤厚比例的增加,试样形成较多的X型共轭剪切裂纹,强度呈现出明显的下降趋势,... 详细信息

采用真三轴试验系统对煤岩组合体开展加卸载实验,探究不同煤厚比例组合体的力学行为响应特征,分析煤厚比例对组合体冲击破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着煤厚比例的增加,试样形成较多的X型共轭剪切裂纹,强度呈现出明显的下降趋势,下降梯度逐渐减小,冲击破坏特征逐渐明显;(2)试样变形主要发生在初始应力加载阶段及垂向应力再加载阶段,最大主应变是试样变形的最主要构成部分;(3)不同煤厚比例试样的全应力–应变曲线特征相似,随着煤厚比例的增加,试样的塑性变形逐渐增加。根据实验结果分析,在开采及地质条件相似情况下,底板冲击趋势随底煤厚度的增加而增加,增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到一定程度时,底煤厚度的再增加对底板冲击无明显叠加影响。研究成果可为深入认识底板冲击地压发生机制及建设防控技术中试平台并开展工程仿真研究提供参考。

关键词：采矿工程底板冲击地压煤岩组合体真三轴加卸载

不同中主应力系数和负温条件下冻结砂土真三轴试验研究

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岩土工程学报 2022年第5期44卷 870-878,I0006页

作者：马芹永黄坤马冬冬姚兆明周兆曦安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心安徽淮南232001 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

为研究冻土在复杂应力路径下的力学性质,利用自主研发的冻土真三轴仪,研究了温度和中主应力系数b_(f)对冻结砂土强度和变形特性的影响。试验结果表明:不同试验条件下的偏应力-大主应变曲线均表现出应变硬化的特性。当0≤b_(f)≤0.5时,... 详细信息

为研究冻土在复杂应力路径下的力学性质,利用自主研发的冻土真三轴仪,研究了温度和中主应力系数b_(f)对冻结砂土强度和变形特性的影响。试验结果表明:不同试验条件下的偏应力-大主应变曲线均表现出应变硬化的特性。当0≤b_(f)≤0.5时,破坏强度随b_(f)的增加而增加,当b从0.5增长到1时,破坏强度表现出降低的趋势,且b_(f)>0时的强度均大于bf;0的强度。强度随着温度降低呈现出线性增长规律。随着b_(f)的增加,中主应力方向上的变形由膨胀向收缩转变;小主应力方向始终产生膨胀变形,且变形速率加快;体应变均表现出先剪缩后剪胀的特性。应力水平在30%~95%区间内的试验点适用于计算Duncan-Chang模型参数。

关键词：真三轴冻结砂土中主应力系数力学特性 Duncan-Chang模型

真三轴气固耦合煤体渗流试验系统的研制及应用

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岩土力学 2016年第7期37卷 2109-2118页

作者：李文鑫王刚杜文州王鹏飞陈金华孙文斌山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 中煤科工集团重庆研究院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037

为了更真实地模拟煤岩在掘进巷道迎头等环境下的应力状态,研究三向应力环境下煤岩的损伤变形及瓦斯渗流情况,自主研发了真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统。该装置主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统和监测与控制系统组成,... 详细信息

为了更真实地模拟煤岩在掘进巷道迎头等环境下的应力状态,研究三向应力环境下煤岩的损伤变形及瓦斯渗流情况,自主研发了真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统。该装置主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统和监测与控制系统组成,采用的试件尺寸为200 mm×100 mm×100 mm,可施加的最大轴压(σ1)为70 MPa、最大侧压(σ2)为35 MPa、最大侧压(σ3)为10 MPa、最大瓦斯压力为6 MPa。该装置具有以下特点:(1)σ1、σ2采用刚性压头加载,σ3采用柔性加载,三向应力分别独立加载;(2)设计了刚柔性压头及传压滑杆,使得σ1与σ2方向压头在同时加载过程中互不干扰;(3)通过伺服液压系统控制加载功能,使得装置性能稳定,应力与位移加载精确,易于控制;(4)气体渗流系统采用蜂窝孔对试件进行面通气,确保试件进气端瓦斯压力均匀分布;(5)采用多种高精度传感器进行监测,实时记录煤体所受应力值、变形量及瓦斯渗流量。用两种不同应力路径下的渗流试验对该系统准确性和可靠性进行了验证,结果表明,该装置性能稳定可靠。该装置可用于揭示煤与瓦斯在三向应力条件下的耦合作用机制,为防治瓦斯灾害及研究瓦斯抽采提供了可靠的试验基础。

关键词：采矿工程气-固耦合真三轴三向应力瓦斯渗流

真三轴大物模水力压裂裂缝起裂及扩展模拟实验

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石油与天然气化工 2023年第3期52卷 97-102页

作者：孔祥伟严仁田张思琦袁庆鸿陈青许洪星长江大学石油工程学院中国石油西南油气田公司开发事业部中国石油西南油气田公司天然气研究院中国石油大港油田集团工程建设有限责任公司中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司

目的鄂尔多斯盆地长7致密砂岩储层岩石致密、非均质性强,孔喉分选性及连通性较差。前期常规压裂工艺改造手段单一,裂缝欠发育的致密储层改造效果不佳。方法根据量纲分析法(π定理)优化了物理模拟实验相似准则设计思路,设计了等比例缩小... 详细信息

目的鄂尔多斯盆地长7致密砂岩储层岩石致密、非均质性强,孔喉分选性及连通性较差。前期常规压裂工艺改造手段单一,裂缝欠发育的致密储层改造效果不佳。方法根据量纲分析法(π定理)优化了物理模拟实验相似准则设计思路,设计了等比例缩小的压裂裂缝起裂及延伸模拟系统。利用大尺寸真三轴模拟实验系统,系统开展了30 cm×30 cm×30 cm致密砂岩露头岩样水力压裂模拟实验。利用三维扫描仪量化评价压裂裂缝改造面积,结合岩体破裂时的实验泵压峰值,揭示裂缝起裂及延伸规律。结果量化了天然裂缝及弱面、应力差、压裂液体类型和施工排量条件下压裂裂缝起裂压力及其改造面积,揭示了地质工程因素对压裂裂缝延伸行为的影响规律,明确了地质工程参数对压裂裂缝延伸及复杂缝网形成的影响程度。结论天然裂缝及弱面发育、低应力差、低黏滑溜水和高排量是获得复杂裂缝形态的有利因素,为研究区块体积压裂工艺试验进行了实验佐证和理论依据。建议采用“大液量、大排量、扩大波及体积”为主的体积压裂思路及工艺技术,以获得复杂缝网的改造目标。

关键词：致密砂岩油藏真三轴大物模体积压裂裂缝扩展