裂隙内部溃砂运移特点及应力波动研究

随着近年来煤炭资源的开采逐渐向西部地区发展,溃砂灾害的防治也越来越受到关注。本文通过自行设计的裂隙溃砂试验装置用两种石英砂颗粒以及3种天然砂样进行了溃砂试验,探究了溃砂的影响因素、运移特点以及裂隙内部应力变化规律。两种石英砂颗粒的试验表明,溃砂速度的大小主要取决于溃砂出口的宽度,总溃砂量取决于砂源区的砂量;受裂隙倾角的控制,裂隙通道的开启方式有局部空间扩展、局部空间移动、直接溃砂3类。3种天然砂样的试验得出,溃砂后干砂和水砂流对裂隙壁的作用力自溃砂入口至出口呈减小的趋势;根据应力变化规律将水砂流中颗粒的运移分两类:碰撞运移型,其裂隙内部应力存在波动;连续运移型,裂隙内部应力变化连续。3种天然干砂溃砂时对裂隙壁存在周期性作用力,粒径大的颗粒对裂隙壁的作用力、应力波动幅值及应力波动周期均较大,运用Matlab插值分析得出应力波动频率约为3.2～3.6Hz。水砂流溃砂时仅粒径最大的砂样仍存在应力波动,频率减小为2.7～3.5Hz,应力受粒径的控制增幅较小。试验获得了影响溃砂的主要因素以及砂体运移规律和应力波动现象,有助于进一步了解溃砂机理及裂隙内部应力变化情况,对溃砂灾害的防治起到一定的指导作用。     

基于PFC2D的花岗岩新生裂隙萌生扩展过程分析

岩石中新生裂隙萌生扩展过程是分析岩石工程性质的重要基础,可以使用颗粒流方法进行研究。本文使用花岗岩室内单轴压缩试验结果标定细观力学性质参数,使用图像处理技术确定花岗岩细观组分的实际分布,通过编制颗粒流代码来确定新生裂隙的类型和萌生扩展过程,分析了岩石变形破坏过程中不同类型新生裂隙变化的阶段性。结果表明,在单轴压缩条件下,花岗岩中新生裂隙萌生时首先出现剪切裂隙、然后出现拉伸裂隙,新生裂隙类型以拉伸裂隙为主;第一条新生剪切裂隙和拉伸裂隙分别出现在石英-黑云母、长石-石英之间;新生拉伸裂隙和剪切裂隙走向分别以331°～340°和以341°～350°为主;在峰值荷载前后新生裂隙扩展表现出明显不同的特点,在峰值荷载之前新生裂隙经受了压密、剪切裂隙增长、拉伸裂隙和剪切裂隙共同增长等阶段,在峰值荷载之后新生裂隙主要经受了拉伸裂隙和剪切裂隙快速增长阶段。本文结果对分析岩石变形破坏机理具有一定的参考价值。     

L形边裂隙单圆孔砂岩单轴压缩力学特性

为加深对含交会裂隙圆孔岩石裂纹扩展和断裂机理的认识,分别对含一对水平边裂隙(A系列)和L形边裂隙(B系列)的单圆孔砂岩试样开展单轴压缩试验,建立颗粒流模型以提取加载过程中的位移云图和微裂纹数量,对比两个系列试样的变形和开裂差异,获得不同裂隙长度与倾角砂岩试样模型的接触力分布演化和颗粒位移分布情况。结果表明：1)边裂隙弯折缝改变了岩样的破坏模式,随裂隙长度增加或倾角增大,含水平边裂隙砂岩试样先后发生剪切破坏和翼型拉伸破坏,而含L形边裂隙砂岩试样先后发生共面剪切破坏和共面拉伸破坏;2)单轴压缩下砂岩试样中圆孔与裂隙的开裂相互作用,产生了剪切、共面剪切、翼型拉伸、共面拉伸和反向拉伸5种类型的裂缝,揭示了含边裂隙单圆孔砂岩试样的裂缝贯通机理;3)裂隙长度一定时,与含水平边裂隙砂岩试样相比,含L形边裂隙砂岩试样开裂晚、变形小、强度低、破坏早、稳定性差。     

基于CT-CA的天然裂隙岩石受拉破坏特性研究

岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明:(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓慢减少再迅速增加,但对岩样耗散能影响不大。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

高水压条件下大理岩破坏机理试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞中大理岩洞段处于高水压力和高应力环境中, 该段在施工过程中多次发生严重突水灾害。对该段大理岩的高水压条件岩石力学试验表明, 高水压条件下, 岩石应力-应变曲线在峰值应力附近出现明显平缓段, 应力降大, 岩石峰值强度及脆性破坏后破碎程度随水压力升高而升高, 岩石试件以压致拉裂破坏为主。基于高水压条件下裂纹周边应力解析分析, 认为裂隙中高水压力存在降低了裂隙尖端附近高应力集中效应, 与加载方向一定小夹角范围内的微裂隙尖端附近最大拉应力集中程度接近, 这使得岩石中应变能可进一步积累、压致拉裂型微裂隙数量进一步增加, 岩石呈脆性破坏, 并且破碎程度明显增加。研究工作对深埋隧洞突水灾害防治及强降雨诱发高速滑坡灾害预防具有重要的理论和现实意义。     

基于PIV技术的贯通单裂隙岩体压-剪破坏特征试验

基于PIV技术,采用相似材料预制贯通单裂隙岩体试件并开展压-剪试验,探究了裂隙开度对贯通单裂隙试件的强度、变形及破坏过程的影响。结果表明:(1)试件发生初始断裂时不同裂隙开度试验组应力均明显下降,且随着开度的增大裂隙岩体胶结部位塑性变形增强,岩体试件的特征应力值减小;(2)裂隙开度影响到裂隙和胶结部位变形在试件总变形中所占比例,进而影响裂隙试件的轴向峰值应变和横向峰值应变,开度越大裂隙试件的轴向峰值应变与横向峰值应变越小;(3)随着开度增大试件初始断裂部位由中下部向中上部转移,同时试件逐渐由拉伸剪切复合破坏转变为单一的剪切破坏;(4)需达到位移阈值k试件表面才能产生裂隙,而预制裂隙开度增大会降低试件的位移阈值k。其结果为研究深部矿井裂隙沟通造成的突水溃砂机理奠定了一定的基础。     

煤矿过沟开采突水溃砂临界水力坡度计算及应用

为了研究浅埋煤矿综采工作面在过沟开采过程中发生突水溃砂灾害的临界条件,在松散含水层液化流动的临界水力坡度推算基础上,利用承压含水层单井非稳定流抽水模型导出了实际水力坡度求解公式,提出了突水溃砂灾害发生的临界判据。并利用临界水力坡度、实际水力坡度的计算方法及突水溃砂的判定方法对哈拉沟煤矿22404工作面过沟开采突水溃砂风险性进行了预测,结果表明:该工作面的实际水力坡度为3.595,实际水头高度大于12.64 m,均小于其临界水力坡度和临界水头高度,工作面具有突水溃砂的风险。根据计算结果,对该工作面上覆松散富水层在井下进行了预疏放水和注浆固砂处理,有效预防了突水溃砂灾害的发生,保障了工作面的生产安全。     

甘肃甘谷裂隙泥岩剪切蠕变行为及其修正模型研究

岩石在长期荷载作用下表现出典型的蠕变特性,裂隙泥岩在长期荷载作用下的力学性质不同于完整岩石。对甘肃甘谷赵家窑滑坡钻孔取芯的裂隙泥岩开展剪切蠕变试验,探讨轴向压应力、预制裂隙长度等因素对试样剪切蠕变特征的影响。试验结果表明:轴向荷载和裂隙长度对试样剪切蠕变特征有明显的影响。轴向压应力越大,试样剪切蠕变变形越不明显;裂隙越长,试样剪切蠕变变形越显著。应力较低时,如Cvisc模型等蠕变模型能够较好反映泥岩的蠕变力学特性。而在加速蠕变阶段,大多数模型却不能准确体现泥岩蠕变曲线的非线性变化。改进的西原模型克服了传统模型不能对非线性蠕变特征进行描述的缺点,且模型参数较少,能较好地适用工程软弱岩体。不同载荷作用下泥质软岩试样剪切蠕变过程中,裂隙泥岩剪切破坏带形成表现为渐进与突发相结合。泥岩的剪切蠕变力学模型可解释泥岩滑坡的多种现象,边坡潜在滑移带内泥质软岩发生的剪切蠕变则是泥岩滑坡的内在诱因。     

含瓦斯砂岩卸围压变形特征与渗透规律试验研究

为研究含瓦斯砂岩卸荷破坏过程中的变形及渗流规律,采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,开展了不同围压和相同瓦斯压力条件下的卸围压渗流试验,建立了基于应变指标的瓦斯渗流模型。得出的主要结论有:(1)含瓦斯砂岩破坏表现出明显的脆性特征,峰值应力点后瞬间,应力、应变及流量均出现突跳;(2)应力-应变及渗透率变化呈现明显的阶段性特征:孔隙、微裂隙压密及弹性变形阶段(Ⅰ、Ⅱ阶段),砂岩渗透性为0;卸荷屈服阶段(Ⅲ阶段),产生新的损伤,渗透性小幅增加;卸荷破坏应力跌落阶段(Ⅳ阶段),应力突降,应变陡增,裂隙贯通后渗透性陡增,是渗透性主导阶段;破坏后阶段(Ⅴ),应力、应变及流量变化均趋于稳定;(3)含瓦斯砂岩破坏阶段,受气体压力和泊松效应影响,使径向应变和体积应变远大于轴向应变;(4)含层理砂岩卸荷破坏形式以产生沿层理面方向的张剪混合裂缝为主。基于Kozeny-Carman方程和裂隙流理论,建立了应变相关渗透率模型,揭示了含瓦斯砂岩损伤破坏渗流机制,对研究瓦斯突出、及在破断岩体中的运移规律及抽采孔优化设计等具有借鉴意义。     

岩石多功能剪切试验测试系统研制

详细介绍了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统的主要功能、技术指标和仪器组成,并开展了一系列相关力学试验。该试验测试系统主要包括试验装置、测量系统和控制系统3部分,最大法向拉伸应力为40 MPa,最大法向压缩应力为120 MPa,最大水平剪切应力为120 MPa,试样尺寸为50 mm?50 mm?50 mm;可开展多种力学试验,包括直接拉伸试验、直接剪切试验、拉伸-剪切试验和压缩–剪切试验。利用该试验测试系统对花岗岩进行试验研究,研究结果表明：直接拉伸试验中,试样发生脆性破坏,声发射信号瞬间达到峰值,破坏断面表现出拉伸破坏特征;直接剪切试验中,试样发生多次破坏,破坏瞬间声发射信号均发生突增,破坏断面表现出剪切破坏特征;拉伸-剪切试验中,试样在拉应力作用下剪切强度显著降低,声发射信号在破坏阶段表现强烈,破坏断面既有拉伸破坏特征也有一定的剪切破坏特征。上述力学试验结果,表明了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统能够开展多种力学试验,为进一步研究岩石的剪切力学特性提供新的测试手段。     

不同类型储层岩石三轴压缩变形破裂与声发射特征研究

随着页岩气开采、废水回注和CO₂地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明:(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储盖层发生脆性破坏和白云岩储层改造诱发地震。     

掘进巷道突水溃砂高压扰动注浆技术与应用

为了对弱胶结地层条件下的掘进巷道突水溃砂进行治理,以宁东煤田麦垛山煤矿2煤大巷掘进期间突水溃砂为研究对象,针对地面治理工程量大、周期长、井下常规治理风险高等问题,采用井下挡水墙建造、高压扰动注浆、钻注一体化和孔口控压保浆技术,完成了突水溃砂点封堵体的构筑。结果表明:通过在巷道内建造挡水墙,可以有效控制注浆期间的水砂淹没范围,经过对挡水墙及其围岩强度的核算,挡水墙能够至少抵抗1.64 MPa的压力,大于顶板含水层1.2 MPa的水压。首先在距离突水溃砂点较远的区域采用高压扰动注浆建造1号封堵体,将水砂淹没范围进一步缩小,然后在距离突水溃砂点较近的区域继续施工2号封堵体,对突水溃砂点周边进行治理;研发钻注一体化技术及钻具,能够避免钻孔在退钻后塌孔,影响后续注浆,实现钻探和注浆一体化作业。发明了孔口控压保浆装置,达到了在20 MPa注浆压力条件下浆液高效利用的目的;对巷道内松散砂体固结形成的封堵体采用取心和压水试验进行质量检验,取心完整,并且封堵体在1.8 MPa水压的作用下不漏水,说明封堵体质量良好。采用高压扰动注浆对掘进巷道内突水溃砂进行治理,具有安全、高效、经济等特点,并且可以有效避免治理期间二次灾害的发生。      

渗流应力耦合下含裂缝页岩力学特性和破坏模式研究

为研究在渗流应力耦合作用下含裂缝页岩的力学性质以及破坏模式,利用岩石破坏过程分析系统RFPA2D-Flow,建立7组含不同角度预制裂缝的页岩模型,并对其破裂过程进行了数值模拟。研究表明：页岩的破裂过程分为线性变形、屈服变形以及完全破坏三个阶段,源于裂缝的存在,页岩的弹性模量和抗压强度均表现出明显的各向异性的特点,且试样的最终破裂模式可分为斜线型、X型、λ型与崩坏型四种。对于不同层理倾角下的裂纹分布,渗流—应力耦合作用下页岩试样的破坏主要是拉伸破坏,并伴随着剪切破坏,其中试验表明,当α=90°时,试样所受的剪切破坏最严重。该研究结果对页岩开采具有重大的意义。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

单轴压缩条件下硅质粉砂岩应力阈值研究

岩石裂纹闭合应力(σ_cc)、起裂应力(σ_ci)及损伤应力(σ_cd)是岩石压缩变形破坏过程中的关键应力阈值，应力阈值的确定对分析岩石宏观力学特性及研究微观裂纹演化规律具有重要意义。本文研究了硅质粉砂岩在单轴压缩条件下应力阈值确定的方法。针对硅质粉砂岩的应力-应变曲线开展不同方法的计算分析，判定不同方法下应力阈值获取的可靠性，并采用一种优化方法获取硅质粉砂岩试样的应力阈值。结果表明，裂隙体积应变法获取闭合应力与起裂应力的求解精度易受泊松比的影响，移动点回归法易受主观因素的干扰，横向应变响应法能减小人为主观误差，但其求解方法未阐释物理意义；采用基于移动点回归技术的裂隙体积应变法减小了岩石泊松比选取对应力阈值获取的干扰，且计算结果物理意义相对明确。     

岩石张拉裂缝与充填胶结裂隙的相互作用

工程开挖扰动、卸荷和水力破岩产生的工程裂缝与先存裂隙的相互作用在岩石工程中十分普遍,建立适用于工程裂缝遇先存裂隙的扩展准则是解释工程裂缝扩展机制和研究岩体弱面剪切滑移的关键。采用两种不同强度的混凝土充填材料模拟强、弱胶结的先存裂隙,在只考虑准静态张拉应力作用下,依据半圆三点弯法测定了充填胶结型岩石的Ⅰ型静态断裂韧度;通过分析工程裂缝扩展轨迹,获得了临界启裂角与应力逼近角的关系;进一步探讨了工程裂缝与先存裂隙的相互作用扩展模式与判别准则。结果表明：张拉应力作用下工程裂缝与先存裂隙的相互作用受应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度的共同影响;充填胶结砂岩的静态断裂韧度随应力逼近角增大先增大后减小;启裂逼近距离较大时,断裂韧度随应力逼近角变化不大,而启裂逼近距离较小时,断裂韧度随应力逼近角增大呈现先增大后减小的规律;应力逼近角影响充填胶结岩石的断裂韧度,但影响程度不如启裂逼近距离和充填物胶结强度,且存在一个极限影响距离。即使在张拉应力作用下,岩石材料的裂隙前端同样存在剪切局部化,因此,工程裂缝是否穿过先存裂隙取决于应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度共同作用下裂隙面的抗剪强度和先存裂隙...     

煤系沉积岩应力–应变与应变–渗透率特征

通过对济宁三号煤矿岩样进行现场采取和室内试验分析,探究对开采有威胁的3煤层顶板砂岩和红层的渗透率特征。试验结果表明,中粗砂岩的渗透率最大,泥岩样的渗透率相对较小;应力对岩石的渗透率有很大的影响,主要体现在节理的法向闭合和剪胀效应,其中应力剪胀能显著地改变岩石节理的渗透性;岩石应变渗透率曲线,表现出渗透率峰值"滞后"的特点;在岩石处于弹塑性阶段时候,渗透率的变化剧烈且具有不可预测性,然而岩石渗透率与体积应变有很好的一致性。通过对实验结果的归纳总结,本文将岩石在全应力应变过程中渗透率变化划分成5个阶段:微裂隙压密闭合阶段、微裂隙随机扩展阶段、裂隙扩展贯通阶段、裂隙错动充分发育阶段和裂隙二次闭合阶段。     

高压孔隙CO2/水作用下完整四川三叠系砂岩剪切特性的试验研究

越来越多的地下岩土工程面临着高压孔隙流体的作用,研究高压孔隙CO2/水作用下岩石的剪切特性对工程设计及安全施工、运营具有重要意义。研究了完整四川三叠系砂岩在干燥、饱和水、高压孔隙水和高压孔隙CO24种不同条件下的剪切特性。研究发现:4种不同条件下砂岩的剪切强度和残余剪切强度都会随着预剪切面上有效正应力的增加而增加;在干燥条件下随正应力的增加砂岩的剪切刚度也会增大。孔隙压力对砂岩剪切强度的影响遵守Terzaghi有效应力原理。水和CO2对砂岩的剪切强度具有显著的弱化作用,水会明显降低内摩擦角φ,而CO2对φ几乎不影响;而水对黏结力c的影响小于CO2的影响。其弱化作用可以归结为水/CO2-岩石之间的相互作用,由于砂岩中含有黏土成分,水和CO2都会对黏土产生软化作用。     

高水压作用下煤层底板隔水关键层弹性力学解

针对高承压水作用下的底板隔水关键层的隔水能力问题,将隔水关键层简化为固支梁,分别采用弹性力学中的应力函数法和半逆解法求取应力以及位移。并将2种计算结果与FLAC3D模拟结果进行对比验证。研究结果表明,应力函数法得到的应力及位移与FLAC3D模拟计算结果更加贴切,建议关键层固定梁弹性力学分析方法首采用应力函数法。研究成果可为采场底板突水的预测预报提供理论支撑。