基于损伤演化的片岩应力松弛特性

为揭示丹巴水电站石英云母片岩的各向异性松弛性特及松弛过程中的损伤演化规律,针对平行片理组和垂直片理组石英云母片岩,采用程控蠕变试验仪,开展为期720 h的单轴应力松弛试验。试验发现,平行片理组和垂直片理组岩样的应力松弛曲线均可分为快速松弛、减速松弛和稳定松弛3个阶段,属于非完全衰减型松弛类型;受片理发育方向影响,平行片理组应力衰减历时较垂直片理组长。结合石英云母片岩的应力松弛特征,将基于能量耗散的损伤因子代入Bingham模型流变本构方程,利用改进Euler差分算法推导应力松弛方程,并用神经网络法对模型参数进行辨识。研究表明,平行片理组与垂直片理组在快速松弛阶段损伤发展较快,且随着松弛过程的进行损伤速率逐渐降低至稳定,损伤演化与应力松弛过程是统一的;考虑损伤演化的Bingham流变模型拟合曲线与试验结果具有较高的吻合度,说明文中提出的松弛方程能很好地描述石英云母片岩的应力松弛特性,对软岩工程研究具有较高的应用价值。     

某深埋长隧地应力演化及围岩应力位移模拟研究

结合西部地区某深埋长大公路隧道信息化施工,对深埋长隧地应力演化及围岩应力位移进行了弹塑性有限元数值模拟研究.研究结果表明,隧道轴线现代地应力状况与隧道埋深、地层岩性及构造发育程度有关,最大地应力为40.0MPa左右;隧道周边围岩应力在曲边墙底部最大,约38.0MPa,隧道开挖引起的围岩应力影响范围约25.0m;隧道水平收敛和拱顶下沉位移与隧道埋深近于成直线关系.这些研究结果为深埋长隧信息化设计和施工以及围岩稳定性分析提供了科学依据.     

土石混合体应力松弛试验研究

本文采用应变控制式三轴仪,在分级加载条件下,分别对含石量为20%和30%的土石混合体进行三轴应力松弛试验。根据试验结果,对土石混合体的应力松弛阶段进行了划分,通过对不同含石量试样的应力松弛特征的对比和分析发现：随着初始应力的增加,应力松弛量增大,应力松弛比减小。高含石量的应力松弛量和应力松弛比均较小,即增加含石量可以减小土石混合体的应力衰减。采用Wiechert模型能够较好的描述土石混合体的应力松弛特征,基于该模型的拟合曲线与试验结果较为吻合。     

某地区黑云角闪岩应力松弛特性研究

岩体工程失稳往往由工程岩体蠕变、应力松弛等时效力学行为下的损伤演化所致。本文以某坝基黑云角闪岩为研究对象,进行了2组单轴应力松弛试验,获取了不同应力条件下的应力松弛及其相应的应力松弛速率曲线。试验结果表明：根据应力松弛曲线形态可分为快速松弛,减速松弛及应力稳定3个阶段,应力松弛的演化与岩石裂隙的萌生和流变变形密切相关。在此基础上,提出了采用非线性Maxwell模型描述岩石应力松弛特性,模拟结果与试验结果吻合较好。本文研究可为类似工程的长期安全稳定性研究提供理论依据。     

基于3D-DIC技术岩石广义应力松弛特性试验研究

基于可视化三轴压缩伺服控制试验系统和三维数字图像相关技术(简称3D-DIC技术),开展了不同流变方向系数α下的广义应力松弛试验,对广义应力松弛过程中砂岩表面的应变演化规律进行了探讨。研究结果表明:在流变过程中若砂岩有发生破坏的趋势,其表面的轴向、径向应变场的应变集中区域逐步显现,轴向应变集中区域由层状离散分布逐渐向即将出现裂纹的位置集中,而径向应变场中在裂纹即将形成区域附近应变增长速率最快。不同表面位置轴向、径向应变差异的演化速率与其整体演化速率的变化趋势呈现正相关,在即将形成裂纹附近的轴向、径向应变变化量发展经历减速、等速、加速3个阶段,而远离裂纹处的应变则可能先增大后减小,不同位置应变值的等时曲线演化则预示裂纹即将形成的区域。随着流变方向系数α由0.3、0、-3.0、∞、3.0依次变迁,流变过程中轴向、径向应变场整体演化的均值与方差均上升,说明其演化速率加快,应变集中现象更显著,且砂岩破坏前后的应变场演化差异增大。     

南宁膨胀土非线性剪切应力松弛特性试验

利用四联装等应变直剪仪,对南宁非饱和重塑膨胀土进行一系列室内剪切应力松弛试验,探讨南宁非饱和重塑膨胀土的剪切应力松弛特性,得到诸多有益的结论。试验结果表明,不同初始条件下的剪切应力松弛曲线均属于不完全衰减型,剪切应力逐渐减少并趋于一个稳定值;膨胀土的松弛曲线都可以明显的分成3个阶段：瞬间松弛阶段、衰减松弛阶段、稳定松弛阶段。不同初始条件下不同时刻的剪切应力-应变等时关系曲线都是非线性的曲线,说明南宁膨胀土具有明显的非线性流变特性,是弹、黏、塑性体。膨胀土的含水率越高,或者竖向荷载越小,或者初始应变越大,或者时间越长,则膨胀土的流变特性及其非线性程度就越高。对试验结果的分析,通过改进剪切应力对数与时间对数的线性关系,建立南宁膨胀土在直剪条件下的非线性剪切应力松弛经验方程,能较好地拟合试验结果。非线性经验模型考虑了应变水平对应力松弛的影响,直观地反映出南宁膨胀土的非线性应力松弛特性,更加符合工程实际,可为膨胀土非线性应力松弛问题的计算分析提供理论依据。     

煤层水力压裂应力与裂隙演化的细观规律

水力压裂作为煤层强化增透技术的一种,其应力演化特征及裂隙形态与扩展范围的判断尤为重要。采用离散元数值方法,以导向压裂为背景,建立水力压裂流固耦合模型;通过应力路径、裂纹热点图等手段,探究水力压裂过程中压裂排量、泊松比、天然裂隙密度对应力演化和裂隙演化的影响及其细观规律。结果表明:不同压裂排量下的应力演化方向及最终应力路径曲线形状有着明显的不同,低排量下裂隙附近的应力比值逐渐增大,而在高排量下先增大后减小;煤层泊松比越大,平均压裂半径越低,但对起裂时间及裂隙的扩展形态影响不明显;天然裂隙的发育情况对水力裂隙的扩展起着关键性作用,高裂隙发育煤层水力裂隙扩展的方向性无法预测,应力演化方向会出现反转现象;压裂过程中不同区域的应力演化特征能够反映出裂隙的扩展状态,现场可通过监测压裂区域附近应力变化,判断水力压裂缝网的扩展范围。      

土体中附加应力的混沌演化特征研究

土体附加应力系统是集外在随机性、确定性、内在随机性于一身的复杂、非线性系统。为了更深入揭示附加应力系统的特性,本文设计了附加应力混沌性试验。实验不但获得了大量附加应力系统的演化规律,并且通过对一些实验数据计算混沌表征量,证实了土体附加应力系统是具有主体演化规律的混沌系统。文中对实验结果和实验中出现的现象进行了详尽的机理分析,建立了土体附加应力混沌系统模型。     

构造演化与成矿系统动力学

成矿系统的形成、演化与区域构造演化和地球动力学行为有关,成矿系统动力学是确定成矿系统演化和最终结果的关键,其研究是对传统成矿的突破,具有重要的理论与实践意义 东地区长期处于大陆边缘,构造成岩成矿作用过程表现出复杂性和多样性;（１）太古宙－元古宙绿岩地体产生、形成－金的矿源系统雏形;（２）古生代构造环境稳定－－金成矿作用间歇;（３）中生代绿岩带强烈活化－改造－构造成岩成矿;（４）新生代构造继承性活动     

矿井开采中的非线性动力学特性

采用现代非线性科学中的分叉、混沌、分形和自组织理论,对矿井开采过程中的典型动力学现象进行了研究,分析了这些现象的非线性机制,指出了矿井开采系统中的非线性动力学行为,对矿井灾害的防治和指导矿井采掘活动具有积极意义。     

浅析煤层 砂岩层压裂前后的地应力状态

介绍了地下两种物理性质不同的目的层,通过压裂前后地应力测量的成果图件,反映了人工裂隙在不同目的层中延伸方式和影响范围的差易,这种研究方法有可能为煤层气(油、气)开采时井位设计提供一些地质依据。     

断层作用下深部开采诱发冲击地压相似试验研究

以典型断层型冲击地压矿井为例,采用相似材料模拟试验方法,基于覆岩空间结构失稳与断层活化耦合致灾原理,分析了巨型逆冲断层下盘煤层开采采场覆岩运动过程、工作面倾向支承压力及断层面的应力变化规律,研究了巨型逆冲断层影响下巨厚坚硬顶板易冲击煤层冲击地压显现特征。试验结果表明：煤层开采诱发巨型逆冲断层冲击灾变过程分为3阶段：第1阶段,受煤层采动影响,上覆岩层发生空间运动,煤体中形成明显高应力集中区;第2阶段,覆岩多层空间结构演化诱发断层活化,断层活化导致空间结构外部岩体回转,给空间结构施加外部载荷,造成空间结构失稳加剧,煤岩体的应力激增,影响范围扩大;第3阶段,断层滑移释放能量,提供动载荷。根据应力监测数据变化规律,划分了逆冲断层的明显影响区域,研究结果为断层影响下煤层开采的防冲策略与设计提供可靠依据。     

节理扩展煤层应力场的联合反演分析

考虑地应力作用下节理扩展引起的煤岩物理力学性质改变,进而导致煤层应力、变形的重新分布,给出了煤岩单元节理扩展的计算方法,并分析了节理扩展与应力的相互作用关系。应用小波神经网络方法及逐级加载算法,提出节理扩展煤储层应力场的联合反演方法,并对沁水盆地晋城区块煤储层应力场分布规律进行分析。结果表明：晋城区块最大主应力为8～13 MPa,由西北向东南呈逐渐增大趋势;最小主应力为5～9 MPa,应力低值区集中在晋城南部区域。通过对比关键点的现场实测值与模拟计算结果,得知主应力大小与实测值最大误差仅为3%,方位误差小于1.3°,满足工程计算精度要求。利用联合反演分析煤储层应力场,具有计算精度高、速度快、建模简单等优点,适合于软件集成快速计算。     

鄂尔多斯临兴西区深煤层地应力场特征及应力变化分析

大小及方向对深部煤层气开发影响显著。以鄂尔多斯东缘临兴西区为对象, 基于实 验测试、井壁崩落法和断层摩擦系数地应力法,分析了三向主应力方向与大小,阐释了基本特征及其空间发育规律。结果显示：8号煤层垂向应力介于44.94 ~ 50.46 MPa,平均48.47MPa;水平最大主应力介于35.16 ~ 44.53 MPa,平均40.62MPa;水平最小主应力介于28.79~39.45 MPa,平均33.02MPa。9号煤层垂向应力介于45.03~ 50.46 MPa,平均48.57MPa;水平最大主应力介于35.33~44.53 MPa,平均40.69MPa;水平最小主应力介于29.01 ~ 39.45 MPa,平均33.11MPa。误差分析显示此地应力计算结果可靠。三向地应力大小与埋深呈正相关关系。在垂向上,三向地应力相对大小表现出明显分带性,即埋深＜1000m左右为Sh＜Sv＜SH为特征的剪切型地应力带、埋深介于1000~1800m 表现为Sh＜SH＜Sv过渡带、埋深>1800m左右表现为Sh＜SH＜Sv为特征的正断型地应力带。在平面上,地应力在平面上总体呈西北部低、中部与南部高、其余地区适中,主要在T-23-2井和T-19井区存在应力低值带。最大水平主应力地应力方向主要以EW-NEE向为主。地应力场的阐释将为研究区深煤层储层物性评价、勘探选区及钻完井工程设计提供地质参考。     

深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律

为了研究采动破坏过程煤体电位信号的响应特征与规律,利用自主研发的矿用电位仪在河南薛湖煤矿25050综采工作面进行了现场测试。结果表明：煤层采动破坏过程能够产生显著的电位信号,电位响应特征能够揭示煤体应力状态的变化,随着回采工作面的推进,电位强度呈先增加后降低趋势,利用钻孔卸压后,煤体应力降低,电位信号随之下降;电位强度与钻屑量的空间分布规律基本一致,利用电位空间分布规律能够识别应力异常特征,出现“卡钻”现象时,煤体应力异常,电位强度出现峰值;当瓦斯指标超限或出现大能量煤炮事件时,电位信号呈超前增大趋势并伴随剧烈波动,利用电位信号能够识别煤岩动力灾害危险的前兆特征。研究成果表明利用电位手段可现场监测煤体采动破坏、预警煤岩动力灾害。     

特厚煤层小煤柱沿空掘巷数值分析及应用

沿空掘巷开采技术成功的关键主要取决于采场覆岩稳定的时间和沿空掘巷的位置。采场采动岩体运动导致围岩应力重新分布,动态采场应力作用于围岩并使其状态发生灾变是发生矿山灾害的根本原因。特厚煤层分层综采巷道布置（包括内错、外错和垂直）,合理确定煤柱尺寸、巷道支护方式和参数选择能够最大可能发挥围岩的自承能力,是提高巷道稳定的重要保证。在稳定的内应力场范围内布置小煤柱护巷,能够明显提高巷道围岩稳定状态,减少巷道维护费用。通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,对特厚煤层下分层沿空掘巷小煤柱不同巷道布置设计,通过煤柱的应力、应变和位移进行对比分析,确定特厚煤层下分层沿空掘巷合理的巷道位置和煤柱尺寸及上覆岩层防控技术,并得到工程验证是正确可靠的,从而为特厚煤层小煤柱开采技术提供了重要的科学依据。     

深部强冲击地压易发矿区厚煤层开采解放层卸压效果数值模拟

为研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果。采用数值模拟方法,分析不开采解放层,开采下解放层,开采上、下解放层条件下,被解放层的应力变化情况及应力变化规律,计算开采下解放层后的合理卸压角,确定解放层平巷位置。模拟结果表明开采上、下解放层后,应力明显减小,但仍存在高应力区,易发生冲击地压,必要条件下应采用其它辅助卸压方式。证明了煤壁前方应力增加区域一般在煤壁前方8～25m。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有一定的现实意义。     

深埋侏罗系煤层顶板水探放技术实践——以呼吉尔特矿区葫芦素矿井为例

呼吉尔特矿区深埋侏罗系煤层顶板含水层主要为河流相沉积。虽然构造比较简单,主要充水含水层与上覆白垩系及松散沙层间水力联系较弱,但是含、隔水层空间组合及结构较为复杂,富水性极不均一。针对上述特点,采用沉积地质学的研究方法对典型矿井含水层空间展布规律开展了研究,对矿井主要充水的直罗组含水层进行了识别、定位与精细划分,圈定了河流沉积砂体富水条带,并通过井下探放水实践得以验证。