深部煤层顶板砂岩弹性模量与孔隙度关系模型研究

岩体弹性模量与岩体组分、内部结构及所处应力状态密切相关。 本文将孔隙看作岩石中 弹性模量为零的组成物质，建立了岩石整体弹性模量与各组成物质的弹性模量、体积分数关系的 模型。 结合花岗岩、深部煤岩、顶板砂岩、人工配比的高压胶结砂岩等多种脆性岩体的实验结果， 确定深部顶板砂岩的模型参数。 并针对深部顶板砂岩进行了循环加卸载声发射实验，确定了岩 石弹性阶段弹性模量随孔隙度的变化规律。 结果表明，本模型弹性模量计算值与实验测量值平 均误差为２*１１％，说明本文建立的弹性模量与孔隙度关系的模型是适用的。     

深部地应力环境对砂岩力学性质的影响

深部岩体所处的特殊地质环境及地应力场的复杂性对岩体的力学性质有重要影响。山东万福煤矿位于鲁西南成武县和巨野县交界处,煤田上覆土层厚度高达700 m。在该矿区采用水压致裂法对深部地应力进行了测量,获得了矿区较为准确的地应力状态和分布规律。在此基础上,结合万福矿区地下900 m以下砂岩所处的地压环境,采用三轴岩石力学测试系统研究深部地应力条件对不同砂岩力学性质的影响,建立砂岩力学性质与深部地应力之间的相关关系。结果表明,砂岩的刚度和强度随围压的增大而增大;同时,在高围压情况下,砂岩由低围压条件下的剪切破裂转变为塑性流动破坏。     

循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律

随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用2种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向2种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合5个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。     

AMD蚀化砂岩细观力学效应

通过pH值为1.25,3.38的AMD溶液蚀化下砂岩细观结构及力学试验,分析砂岩细观结构及力学性质变化规律;运用分形理论描述砂岩细观结构分布特征,得到AMD蚀化下砂岩表面SEM图像的分形维数（D）;基于砂岩弹性模量的变化,引入AMD蚀化下砂岩化学损伤变量（w）,建立w与 D 之间的关系。结果表明：AMD蚀化下砂岩细观结构分布具有分形特征, w 与 D 存在较好的线性关系。pH=1.25时, w=0.78D－1.62;pH=3.38时, w=0.97D－2.04,相关系数均在0.98以上。研究结果从细观层次揭示了AMD蚀化砂岩力学效应。     

温度对砂岩弹性模量影响的试验研究

对鹤壁六矿煤层顶板砂岩在经历不同高温后测试其纵波波速，并计算出砂岩的动弹性模量，应用力学常规压缩方法直接测试计算砂岩的静力弹性模量，分析了经历不同高温后砂岩的纵波波速、动静弹性模量的变化规律。结果表明，经历高温后砂岩随加热温度的升高，动弹性模量的变化幅度远大于静弹性模量的变化幅度，这说明经历高温后物理性质的变化比力学性质的变化更剧烈。     

温度对砂岩弹性模量影响的试验研究

对鹤壁六矿煤层顶板砂岩在经历不同高温后测试其纵波波速,并计算出砂岩的动弹性模量,应用力学常规压缩方法直接测试计算砂岩的静力弹性模量,分析了经历不同高温后砂岩的纵波波速、动静弹性模量的变化规律。结果表明,经历高温后砂岩随加热温度的升高,动弹性模量的变化幅度远大于静弹性模量的变化幅度,这说明经历高温后物理性质的变化比力学性质的变化更剧烈。     

围压及层理角度对砂岩变形、强度、破坏模式及脆性影响

采用超高刚度常规三轴试验装置Stiffman对砂岩进行单轴与常规三轴压缩试验,研究围压及层理角度对砂岩力学特性影响规律。试验结果表明:层理角度增加使得砂岩轴向和径向峰值应变降低,峰值强度呈增加趋势;层理角度为60°和低围压下层理角度为45°时,层理结构使得峰值强度降低;弹性模量不受层理角度影响。围压增加使得砂岩轴向和径向峰值应变、峰值强度增加,弹性模量呈增加趋势。砂岩破坏受围压和层理角度影响,可分为应力控制型、应力结构控制型和结构控制型3种。基于砂岩轴向和径向峰前及峰后变形特征建立的脆性指标,很好地描述了砂岩脆性随围压和层理角度的变化规律:围压增加,砂岩试样脆性降低;围压相同时,层理角度为60°的砂岩试样脆性最高。     

动态孔隙水作用下砂岩力学特性试验研究

为研究动态孔隙水作用下砂岩的力学特性,采用MTS815.02型电液伺服岩石力学试验系统和PCI-2声发射测试系统,对砂岩进行不同孔隙水压下的三轴压缩声发射试验,分析不同孔隙水压下砂岩的强度、变形及声发射信号特征.研究表明:在孔隙水压作用下,岩样的破坏形式大多为劈裂破坏.随着孔隙水压力的增加,砂岩的抗压强度和弹性模量明显降低,在达到应力峰值时的声发射信号峰值减小,应力峰值附近声发射信号突增明显.     

砂岩全应力-应变过程气体渗透特性实验

以CO₂气体为介质,运用自制含气岩石力学试验系统对平顶山煤业集团一矿砂岩全应力-应变过程中的气体渗透特性、围压对砂岩渗透特性的影响进行了实验研究.试验结果表明：全应力-应变过程中砂岩渗透率变化具有明显的阶段性,且应变滞后性明显;峰后砂岩渗透率明显大于其起始渗透率;随着围压的增加,相同应变下砂岩试件的渗透率呈减小趋势,砂岩渗透率的变化率也趋于减小.     

深部砂岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

借助于GCTS伺服系统及微米CT扫描试验机,对深部砂岩进行高地应力状态还原下的"三阶段"加卸载应力-渗流耦合试验,得到了深部砂岩变形全过程应力-应变与渗透率演化曲线及破坏后的深部典型砂岩μCT图片,较好地表征了应力-渗流耦合下深部砂岩的力学响应行为及其破坏特征。研究表明:1)"三阶段"加卸载下的深部砂岩呈现出明显的脆-延转化特征,高卸载预设围压下的深部砂岩脆性破坏特征显著,低卸载预设围压下的深部砂岩延性破坏特征显著;2)围压效应与轴压效应对深部砂岩的强度演化规律均存在显著影响;3)围压效应与轴压效应对深部砂岩峰值渗透率演变规律亦存在一定的影响,但围压效应对深部砂岩峰值渗透率演变规律的影响程度明显弱于轴压效应;4)不同模拟深度下的深部砂岩破坏特征存在显著差异,模拟深度为1 000 m与1 500 m的深部砂岩表现为明显的"Y"型破坏,而模拟深度为2 000 m的深部砂岩则表现为主裂纹主干型破坏。以上规律可为深部矿井巷道与硐室稳定性控制提供一定的理论依据。     

高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

利用单轴压缩试验对经历不同温度后节理砂岩的物理力学性质进行分析研究,得出了关于节理砂岩高温后应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律。同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射分布特征,探讨不同温度对于变形破坏机理的影响。分析结果表明:温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的。当经历温度较低时,温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果;而当温度较高时,则反之。400℃为试验的温度阈值。在400℃前后,节理砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量等均呈现不同的变化趋势。节理砂岩经历高温后,产生的裂纹主要分布在节理附近,且经单轴压缩破坏后,裂隙同样主要沿节理分布,受热后,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

高围压下高孔隙水压对岩石蠕变特性的影响

为研究高应力作用下深部岩体开挖过程中孔隙水压对围岩时效变形特性的影响,选取重庆某深部细砂岩为研究对象,对其进行不同水压下分级加载蠕变试验,试验表明:孔隙水压增强了砂岩的变形能力,但随着水压的升高,加载初期的一段时间内,水压在一定程度上会延缓轴向变形;蠕变过程中黏弹性模量随时间呈指数函数变化,通过分析不同水压作用下指数函数中参数的变化规律,得到黏弹性模量随时间和水压变化的表达式,进而提出修正的广义Kelvin模型,该模型能较好的描述不同水压作用下岩石的非线性黏弹性蠕变特性。基于不同水压下加速蠕变试验曲线特征,采用拟合、类比的方法引入一个能反映不同水压作用时加速蠕变特征的二元件黏塑性模型,将该模型与修正的广义Kelvin模型串联组成一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型。基于试验结果,利用优化分析软件1stOpt,对模型参数进行辨识,效果比较理想;对比试验曲线和理论曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度试验

为了研究冻结条件下西部地区裂隙岩体的力学性质,以西部中生代地层典型的红砂岩为试验对象,通过数码显微镜观察分析了红砂岩的颗粒、孔洞分布特征,并在-5~-15 ℃条件下,对无裂隙冻结红砂岩和裂隙倾角β为0°,15°,30°和45°的冻结裂隙红砂岩进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明：冻结红砂岩和冻结裂隙红砂岩的强度都随围压的增加而线性增加。冻结裂隙红砂岩强度随着裂隙倾角的增加而非线性递减,在裂隙倾角大于30°后,强度降低的幅度不大。含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度和侧向变形主要受裂隙冰控制,因此工程中需要了解裂隙的角度分布特征。     

突水过程中颗粒运移对破碎砂岩水力特性影响试验研究

为揭示破碎带条件下的煤矿突水机理,本文利用自发研制的破碎岩体颗粒运移试验系统,开展了一系列突水室内试验,探讨了突水过程中颗粒运移对破碎带砂岩水力特性变化规律及其影响因素。试验结果表明:破碎砂岩渗透率随时间的变化可分4个阶段:震荡增长阶段、快速增长阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段;初始孔隙率和水压对试样最终渗透率和孔隙率的大小具有较大影响,数值模拟显示颗粒运动方向大体朝裂缝方向聚集并伴随有局部范围内的涡流现象;颗粒的迁移、排出是导致破碎带煤矿突水的本质因素。研究结果进一步加深了对破碎带条件下煤矿水害问题的认识和理解,对突水问题的发生机理具有一定的补充作用。     

北部湾盆地涠洲12-2靶区流沙港组低渗透砂岩孔隙结构特征研究

涠西南凹陷流沙港组具有丰富的油气储量,但是其储层存在物性较差、中孔低渗、非均质性强等特点,目前对其储层的孔隙结构特征缺乏深入研究。采用场发射扫描电镜、氮气吸附、高压压汞等实验方法,对北部湾盆地涠西南凹陷低渗透砂岩储层微观孔隙结构开展精细研究。结果表明,涠西南凹陷低渗透砂岩储层非均质性强,孔隙类型多样,孔隙形状以狭缝型孔隙为主;低渗储层孔体积主要由宏孔提供,中孔较为发育,比表面积相对较大。流沙港组储层表现出中孔低渗的特征,这可能与细小孔喉的存在且孔喉分选性较差有关;低渗储层的渗透率与平均孔径大小、孔喉分选程度密切相关,与孔隙度无明显相关性,且渗透率对低渗储层含油气性有明显的控制作用。     

某低渗透砂岩铀矿岩心特性分析

原地浸出中井孔抽注水能力是铀矿床可否地浸的重要因素,针对内蒙古某低渗透、钙胶结严重的砂岩铀矿进行了与地层渗透性能相关的微观性质研究。岩心分析结果表明,砂岩骨架由石英、钾长石和钠长石构成,但钙胶结较严重。黏土含量相对较高,其中以蒙脱石和绿泥石为主。孔隙中死体积相对较多,孔喉平均孔径较小,使渗流能力较差。孔结构和黏土矿物组成使矿层还受到可能的流体损害。     

侏罗系弱胶结砂岩孔隙介质特征及其保水采煤意义

我国新疆哈密矿区降雨量少、蒸发强烈,属于严重干旱地区,研究区高强度的煤炭资源开采对主要储水含水层的保护极为重要。由于特殊的成岩环境及地下水赋存运移条件,侏罗系弱胶结砂岩为复杂的非常规含水岩系,给研究区煤矿防治水带来了诸多水文地质问题。本文以新疆哈密矿区侏罗系弱胶结砂岩为研究对象,通过渗流实验、实验室测试、理论分析研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律。研究表明,弱胶结砂岩属高孔隙度岩石,具有大孔孔喉及中孔孔喉分布频率高的结构特征和强富水性,渗流实验过程中有大量乳白色悬浮物渗出。水相渗流作用下的弱胶结砂岩样出现渗透性突变增大的现象,其孔隙度有明显增大的趋势。通过水质分析及岩矿鉴定分析手段得出可溶盐溶出对渗流实验前后的孔隙度增加贡献率为45.80%～82.28%,悬浮物渗出量计算对孔隙度增大贡献率为14.78%～54.20%,可溶盐及高岭石的溶(渗)出是砂岩渗透性增强的主要因素。鉴于此,提出了有关孔隙结构储水空间变异性以及渗透突变性的保水采煤理念,弱胶结砂岩含水层水体下保水采煤应当遵循"保护性开采、避免大规模扰动"的思路。研究成果对西部地区弱胶结砂岩含水层的开发利用与保护有重要意义,同时可为西部地区受侏罗系弱胶结砂岩水害影响的矿井保水采煤技术的研究提供借鉴。