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“新锐科学家”专题丨赵光明教授:侧向约束下加载系统刚度对砂岩非稳定破坏模式与能量演化的影响

2025年06月04日 16:43  点击:[]

创新点    

(1)揭示了加载系统刚度下岩石破坏过程中能量耗散与释放的关系,划分为稳定破坏、临界状态及不稳定破裂三种模式。

(2)对比分析刚性和变刚度试验机下砂岩的应力应变曲线,揭示了低刚度条件下岩样应力跌落和起伏显著的局部非稳态破坏模式。

(3)研究了侧向约束条件下刚度效应对能量释放模式的影响,发现岩样在峰后前期能量释放迅速,而峰后中期和后期主要通过耗散机制消耗并逐渐稳定。

 


侧向约束下加载系统刚度对砂岩非稳定破坏模式与能量演化的影响

作者:       赵光明1,2,3,吴旭坤1,2,许文松1,3,刘之喜1,2,刘崇岩1,4,张启航1,2,周俊5    
单位:       1. 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室;2. 安徽理工大学 深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室;3. 安徽理工大学 电子转盘 ;4. 安徽理工大学 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心;5. 江汉大学 精细爆破国家重点实验室    
研究背景      
RESEARCH  BACKGROUND    

岩体在承受荷载时的力学行为及能量演化过程一直是探讨的热点,在承受超过其强度极限的应力后,进入峰后破坏阶段,此时岩体的破坏特征、破坏模式以及伴随的能量演化过程显著不同于峰值前的非线性弹性行为,加载系统的刚度对岩体的破坏模式及能量耗散路径产生重要影响,进而影响岩体的稳定性和安全系数。因此,准确地理解和评价加载系统刚度条件下岩体的峰后破坏行为和能量转换规律对巷道围岩安全性和稳定性评价具有重要意义。

目前,众多学者针对岩石材料峰后破坏特征进行了研究。在试验方面,张志镇等开展不同岩性固定围压的轴向加卸载试验,获得了其弹性能和耗散能的演化及分配规律;杨小彬等研究了不同加载方式下峰后岩样损伤变形、破裂形态及能量演化特征;ZHANG等对不同成因的岩石在峰后强度表现的围压影响进行了研究;TIWARI等基于三轴和真三轴试验,分析了节理及围压对岩石峰后力学行为的影响。在理论方面,岩石峰后破坏的脆性表征以应力跌落速率、能量释放速率为主;宋洪强等研究表明岩石的脆性是指其内部可释放弹性能在峰前阶段的积累与峰后迅速释放的综合表征;张军等通过关联峰前耗散能与峰后断裂能水平,提出了岩石破坏前后力学特性的脆性评价指数;陈国庆等提出了一个综合考虑峰前弹性能积累与峰后释放特性的岩石脆性评价方法;赵毅鑫等则基于能量释放率,为不同赋存深度的试样建立了适用的脆性指数;宋昊等提出了一种基于岩石峰前能量演化及峰后侧向变形特征的岩石脆性评价方法,建立岩石峰前脆性指Bpre及峰后脆性指标Bpost,将两者之积作为岩石脆性评价指标Bm。然而,这些研究主要集中在岩石自身能量释放及破坏特征上,未能充分考虑加载系统刚度对岩体破坏过程的影响。

实际上,岩体的破坏不仅依赖于其自身的能量积累,还受到外部环境能量输入的显著影响。顾金才院士等发现围岩要发生岩爆,不仅需要岩爆体自身积蓄能量,还要周围岩体对其能量进行补充,引起周围岩体对岩爆体释放弹性能,发生失稳破坏;钱七虎、ZHANG等、XU等指出仅靠岩体自身所储存的能量难以诱发动力损伤,需要围岩向岩体提供能量;BLAKE研究发现岩体结构的刚度大于围岩加载系统,破坏时储存在围岩加载系统中的应变能迅速释放并施加到岩体结构上,导致岩爆发生;赵同彬等研究试件破坏刚度准则及试验机储能−释能机制基础上,提出了岩石力学试验机加载刚度伺服调控技术;尹延春等研究了试验机−试件刚度比对煤体破坏特征及冲击倾向性指数测试结果的影响,提出了考虑顶板刚度和供能作用的巷帮冲击危险性评价指数。以上研究表明,加载系统的刚度是影响岩体破坏模式的重要因素,但目前对这一问题的研究仍显不足。

基于此,笔者将岩体和试验系统作为完整结构体来分析,研究二者相互作用对岩体稳定性和破坏模式的影响,从刚度和能量理论的角度,探讨了加载系统刚度对岩体峰后破坏行为及能量演化规律的影响,明确了刚度效应在岩体中的作用。考虑加载系统刚度下岩石峰后破坏过程的能量耗散能与释放能关系,推导出基于加载系统刚度下的岩石破坏程度指标,并利用自主研发的刚性和可变刚度试验机系统,开展侧向约束作用下加载系统刚度对岩石峰后破坏力学行为试验进行了验证,研究结果对于巷道动力灾害的防控具有重要意义。

摘要      
ABSTRACT    
为探究加载系统刚度对岩石破坏模式及能量演化规律的影响,利用自主研发的刚性与变刚度试验系统开展双轴压缩试验,分析侧向约束作用下加载系统刚度对岩石峰后非稳态破坏及能量释放规律的作用机制。结果表明:从能量耗散与释放角度来分析岩样与试验机系统之间的相互作用,揭示了加载系统刚度下岩石破坏过程中能量耗散与释放的关系,并将其划分为稳定破坏(       W       d       >       W       u       +       W       e       )、临界状态(       W       d       =       W       u       +       W       e       )及不稳定破裂(       W       d       <       W       u       +       W       e       )3种模式;在低刚度条件下,岩样的应力应变曲线表现出显著的应力跌落与起伏,呈现局部非稳态破坏,而在高刚度条件下,岩样的峰后应力缓慢下降,曲线呈台阶状并存在残余阶段;随着加载系统刚度的增大,岩样的最大应变能释放量和最大耗散能均呈非线性减少,而侧向约束力的增加则导致最大应变能释放量和最大耗散能的非线性增加;侧向约束的施加增强了刚度回弹效应,改变了岩石破裂时的能量释放模式,在峰后前期(∆       W       pe       > ∆       W       pd       ),能量释放较为迅速,峰后中期(∆       W       pe       < ∆       W       pd       ),能量主要以耗散为主,峰后后期(∆       W       pe       ≈∆       W       pd       ),能量释放和耗散进入稳定阶段。研究结果为理解加载系统刚度对岩石峰后破坏机制及动力灾害防治提供了理论基础,并提出通过侧向约束力、分阶段能量控制和降低岩体储能能力等措施,以改善能量释放模式,增强能量耗散,提升巷道围岩稳定性。
作者简介              

             
           

赵光明,博士生导师、安徽理工大学党委常委、副校长、深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室副主任、煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室主任,入选教育部新世纪优秀人才支持计划、安徽省学术和技术带头人和安徽省“特支计划”人才,享受国务院特殊津贴。

研究方向

巷道支护技术与理论、煤矿安全卸荷理论、多资源协同开采

主要成果

致力于推动深部煤炭资源安全,高效,协同开采技术研究,建立了“岩-煤-气-防”四位一体深部煤-瓦斯-高岭土伴生资源开发模式。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、安徽省科技重大专项计划项目等30余项,主持企业横向科研课题50余项。授权发明专利60余件,出版著作8部,在国内外学术期刊发表论文200余篇,其中被EI、SCI收录100余篇,相关科研成果获安微省科学技术进步奖一等奖、中国煤炭工业协会科学技术进步奖一等奖、中国岩石力学与工程学会科学技术进步奖一等奖等30余项。

     

 

 

 

 

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