层状砂岩岩爆特性实验研究

论文摘要

本文利用深部岩爆模拟实验系统,模拟了受层状结构影响的砂岩岩爆破坏特征。论文详细描述了砂岩岩爆前后卸载而的裂纹扩展及颗粒弹射,并据高速摄影图片绘制了颗粒弹射路径,选用实验时岩石颗粒弹射速度和实验后的块体频率分形结果对岩爆强度做出评价。结合声发射时频分析技术分析了岩爆过程中的能量迁移,列出实验过程中声发射信号在不同加载阶段不同频率阶段的幅值变化特征及Gutenberg-Richter的b值变化,研究声发射预测岩爆的可能性。采用微观断口及宏观断口的分形方法来分别定量分析岩爆后断裂碎片的微裂纹和表面粗糙度。另外,本论文改进了DDA2D中的块体模型,将块体的线弹性本构关系改为为弹性-脆性-理想塑性关系,利用平面应变假设,重现了不同结构砂岩在岩爆时岩石内部的损伤及裂纹扩展过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 详细摘要
• 1 引言
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 术语解释
• 1.1.2 现场岩爆岩体破坏特征
• 1.2 层状砂岩的岩石力学行为
• 1.2.1 结构面及其成因类型
• 1.2.2 结构面的力学特性
• 1.3 岩爆机理及判据研究现状
• 1.3.1 岩爆机理研究
• 1.3.2 岩爆判据研究
• 1.3.3 岩爆的室内实验研究
• 1.3.4 岩爆的数值分析研究
• 1.4 存在问题
• 1.5 研究内容,研究方法和技术路线
• 1.5.1 研究内容及研究方法
• 1.5.2 技术路线
• 1.6 小结
• 2 层状砂岩力学特性及岩爆模拟实验设计
• 2.1 样品选取
• 2.2 砂岩力学参数
• 2.2.1 层状砂岩单轴抗压强度测定
• 2.2.2 砂岩抗拉强度测定
• 2.3 岩爆实验设计
• 2.3.1 岩爆实验加载路径设计
• 2.3.2 实验装置的参数设置
• 2.3.3 注意事项
• 2.4 小结
• 3 层状砂岩岩爆特性的实验研究
• 3.1 砂岩层理走向垂直于卸载面的岩爆实验模拟
• 3.1.1 #EA1-1:第二主应力方向与层理走向平行
• 3.1.2 #EA2-1-3:第二主应力方向与层理垂直
• 3.2 砂岩层理走向与卸载面平行的岩爆实验模拟
• 3.2.1 #EA2-1-2砂岩岩爆模拟实验
• 3.2.2 #EA2-1-4岩爆模拟实验
• 3.3 砂岩岩爆的破坏性评价
• 3.3.1 应力特征对比
• 3.3.2 砂岩微观断口特征
• 3.3.3 砂岩岩爆后岩石碎片体积特征
• 3.3.4 颗粒弹射特征对比
• 3.3.5 受影响岩体体积特征
• 3.4 小结
• 4 层状砂岩的声发射能量特征分析
• 4.1 声发射技术简介
• 4.1.1 声发射技术在岩石力学中的应用
• 4.1.2 声发射波形分析方法
• 4.2 单轴压缩实验中的声发射能量分析
• 4.2.1 单轴压缩实验中的能量累计特征
• 4.2.2 单轴压缩实验中的声发射时频特征
• 4.3 巴西劈裂实验中的声发射能量分析
• 4.3.1 巴西劈裂实验中的能量累计特征
• 4.3.2 巴西劈裂实验中的声发射时频特征
• 4.4 层状砂岩岩爆模拟实验中的声发射能量分析
• 4.4.1 岩爆模拟实验中的能量累计特征
• 4.4.2 岩爆模拟实验中的声发射时频特征
• 4.5 小结
• 5 层状砂岩岩爆后破裂面的分形分析
• 5.1 引言
• 5.1.1 盒维数法
• 5.1.2 Variogram method
• 5.2 微观裂纹分形特征
• 5.3 宏观断口分形特征
• 5.3.1 #EA1-1砂岩断口表面分形分析
• 5.3.2 #EA2-1-2砂岩断口表而分形分析
• 5.3.3 #EA2-1-3砂岩断口表面分形分析
• 5.3.4 断口表面分形特征
• 5.4 小结
• 6 层状结构砂岩岩爆的数值分析方法研究
• 6.1 基于Mohr-Coulomb准则的块体模型
• 2D中的线弹性模型'>6.1.1 DDA^2D中的线弹性模型
• 6.1.2 Mohr-Coulomb模型中的增量弹性理论
• 6.1.3 Mohr-Coulomb模型中的塑性屈服函数
• 6.1.4 塑性修正算法
• 6.2 层状砂岩力学参数选取
• 6.2.1 参数选取
• 6.2.2 层状砂岩单轴压缩实验模拟
• 6.3 层状砂岩卸载后断裂模式模拟分析
• 6.3.1 模型建立
• 6.3.2 情况1:加载-卸载-轴向应力加倍
• 6.3.3 情况2:加载-卸载-保持
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 附图A 单轴压缩声发射能量特征曲线
• A.1 砂岩单轴压缩实验体积应变与声发射能量关系曲线
• A.2 砂岩单轴压缩实验幅值变化及b值变化曲线
• A.3 砂岩巴西劈裂实验应力与声发射能量关系曲线
• A.4 砂岩巴西劈裂实验幅值变化及b值变化曲线
• A.5 砂岩岩爆模拟实验应力路径与声发射能量关系曲线
• A.6 砂岩岩爆模拟实验幅值变化及b值变化曲线
• 附图B 砂岩碎片表面裂纹微观形态及其二值图
• B.1 #EA1-1砂岩碎片表面裂纹形态
• B.2 #EA2-1-3砂岩碎片表面裂纹形态
• B.3 #EA2-1-4砂岩碎片表面裂纹形态
• 附图C 砂岩断裂表面三维形貌扫描重构图
• C.1 #EA1-1砂岩断裂表面三维形貌扫描重构图
• C.2 #EA2-1-2砂岩断裂表而（Ⅰ）三维形貌扫描重构图
• C.3 #EA2-1-2砂岩断裂表面（Ⅱ）三维形貌扫描重构图
• C.4 #EA2-1-3砂岩断裂表面（Ⅰ）三维形貌扫描重构图
• C.5 #EA2-1-3砂岩断裂表面（Ⅱ）三维形貌扫描重构图
• 附图D 砂岩断裂表面分形参数玫瑰图
• D.1 #EA 1-1砂岩断裂表面分形参数分布图
• D.2 #EA2-1-2（Ⅰ）砂岩含颗粒弹射破坏表面分形参数分布图
• D.3 #EA2-1-2（Ⅱ）砂岩含颗粒弹射破坏表面分形参数分布图
• D.4 #EA2-1-3（Ⅰ）砂岩含颗粒弹射破坏表面分形参数分布图
• D.5 #EA2-1-3（Ⅱ）砂岩含颗粒弹射破坏表面分形参数分布图
• 2D模拟层状砂岩卸载后受集中应力的断裂过程'>附图E DDA^2D模拟层状砂岩卸载后受集中应力的断裂过程
• E.1 α=0°,L-U-D
• E.2 α=30°,L-U-D
• E.3 α=45°,L-U-D
• E.4 α=60°,L-U-D
• E.5 α=90°,L-U-D
• E.6 α=120°,L-U-D
• E.7 α=135°, L-U-D
• E.8 α=150°, L-U-D
• 2D模拟层状砂岩卸载后瞬时断裂破坏过程'>附图F DDA²D模拟层状砂岩卸载后瞬时断裂破坏过程
• F.1 α=0°, L-U-K
• F.2 α=30°, L-U-K
• F.3 α=45°, L-U-K
• F.4 α=60°, L-U-K
• F.5 α=90°, L-U-K
• F.6 α=120°, L-U-K
• F.7 α=135°, L-U-K
• F.8 α=150°, L-U-K