基于数字钻探的岩石c-φ参数测试方法

岩石黏聚力c和内摩擦角φ(以下简称c-φ参数)的准确测试是进行地下工程支护设计优化及信息化施工的基础。传统的岩石室内试验方法测试步骤繁琐,周期长、成本高,无法进行原位测定。数字钻探技术为现场准确测定岩石力学参数提供了新的途径,实现该技术的关键在于建立随钻参数与岩石c-φ参数间的定量关系。基于此,本文根据岩石切削破碎特征,建立了一种不预设破坏面的岩石切削力学模型,弥补了现有岩石切削力学模型将破坏面假设为平面,从而与岩石受切削时实际的破坏面特征存在差异的不足。基于滑移线理论推导了岩石极限切削力,得到了随钻参数DP(Drilling Parameters)与岩石c-φ参数关系式(DP-cφ关系式)。将利用自主研发的岩体数字钻探测试系统开展室内试验所得到的随钻参数与理论计算得到的结果进行对比分析,两者平均差异率为8.44%,验证了所建立的岩石切削力学模型和DP-cφ关系式的合理性和正确性。在此基础上,提出了岩石c-φ参数数字钻探测定方法,并通过室内试验进行了该方法与传统三轴试验方法测定结果的对比分析,结果表明:两种方法得到的岩石黏聚力和内摩擦角平均差异率均小于10%,证明了本文所提出的数字钻探测定方法的有效性和可行性。该方法实施方便、快捷,可实现现场工程岩体c-φ参数的原位测定。     

基于数字钻探和机器学习预测岩体单轴抗压强度的方法

以岩体的单轴抗压强度为研究对象,采用传统数字钻探技术所建立的模型在低抗压强度阶段拟合优度不高。在传统模型的基础上引入钻压指数α、疲劳破碎阶段和表面破碎阶段总时间tp以及钻进系统旋转破碎单位体积能耗μp构建新模型,对岩体单轴抗压强度进行拟合。研究表明,在岩体质量较差的情况下,实际岩体单轴抗压强度与预测的岩体单轴抗压强度的拟合优度R2为0.7034,新模型的拟合优度R2为0.8807,对比表明在岩体单轴抗压强度低的情况下,新条件下的关系模型优于原关系模型。     

冻融循环后岩石力学特性的数值预测方法

经历多次冻融循环后岩石力学特性预测对寒区岩体工程的设计与运营都有着重要意义,针对目前研究仅能直接获得岩石孔隙度等参数随冻融循环次数变化规律的不足,基于FLAC~(3D)软件提出了能够预测冻融循环后岩石力学特性的数值方法。首先基于应变软化模型进行了完整岩石的单轴压缩数值试验,其次利用随机分布函数建立不同孔隙度的岩石数值计算模型;最后利用该模型研究了岩石应力应变曲线、单轴抗压强度及弹性模量等随孔隙度变化的规律。结果表明岩石单轴抗压强度及弹性模量均随着孔隙度的增加即冻融循环次数的增加而降低。     

类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的相关性

类岩石锚固体声波波速与其强度特性的研究较少,针对类岩石锚固体试样制作的特殊性,结合室内单轴压缩试验,利用声波测试技术分析类岩石锚固体单轴抗压强度与声波波速的关系特点.无论标准试样有无锚固或相似原料配比变化,纵波波速增大,单轴抗压强度也相应随着增大.锚杆轴向布置和横向布置均能提高试样的单轴抗压强度,但提高的幅度很相近,这可以通过两种加锚方向的试样纵波波速变化不大来反映.对比类岩石锚固体试样单轴抗压强度随试样密度和纵波波速的变化关系,纵波波速的影响更显著.     

煤系地层岩石单轴抗压强度统计分析

为解决岩性、试验环境和物理环境等因素导致岩石单轴抗压强度测定过程中出现的随机性和模糊性问题,对淮南矿区11-2号煤层顶板岩石进行单轴压缩试验,获得了88组试验数据,以单轴抗压强度为因变量,弹性模量和天然密度为自变量,运用SPSSI9.0专业数理统计软件建立多元非线性回归模型,并运用该模型对淮南矿区13号煤层顶板岩石单轴抗压强度进行预测.结果表明:多元线性回归模型能够较好地预测岩石的单轴抗压强度,为煤系地层有关工程设计及试验估算岩石单轴抗压强度提供参考.     

基于pfc铁矿石点载荷试验估算单轴强度的研究

用点载荷来测量岩石强度被广泛的应用在工程实践中。为对其精准性和反算岩石单轴强度进行研究,通过3D扫描获取矿石点载荷试件的外形特征,然后利用颗粒流软件PFC对点载荷进行与室内点载荷试验,再将其细观参数记录下来导入生成的标准单轴模型,直接模拟出该岩石单轴抗压强度。结果表明：数值模拟能够很好的还原点载荷试验的特征,利用点载荷数值模拟的细观参数能够直接模拟出该岩石单轴模型,并能够得出该矿石的单轴抗压强度,其强度标准差31.197小于通过点载荷所计算的单轴强度标准差 38.312,为利用岩石点载荷强度估算岩石单轴强度提供了一种方法。同时说明点载荷试验,因岩块外部形状和内部结构的不同,对其反算的单轴强度的精确性产生了一定影响。     

岩石PFC2D模型细观参数确定方法研究

目前对标定方法的应用大多围绕单轴压缩试验展开,而仅通过单轴试验建立的数值模型在拉伸强度和强度包络线方面与实际试验吻合度较差。因此基于单轴压缩试验、单轴拉伸试验和三轴压缩试验,采用正交试验设计方法对平行黏结模型细观参数标定方法进行了研究。利用多因素方差分析确定了模型细观参数对宏观力学指标的影响程度,并建立了宏观力学参数与细观参数之间的关系。在此基础上提出了与岩石弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、启裂强度、拉压强度比及摩擦角相匹配的细观参数确定方法。研究结果表明：采用标定方法建立的数值模型的宏观力学参数以及单轴压缩应力-应变曲线与室内试验结果相近,能够很好地反映岩石单轴和三轴条件下的破坏模式,证明了标定方法的可行性。二维颗粒流程序PFC^2D对试验极限主应力关系曲线的拟合程度较差,这可能是由于平行黏结模型将形状不规则的矿物颗粒理想化为圆形颗粒,而颗粒形状可能会影响到颗粒间的咬合作用。     

侏罗系冻结砂岩单轴抗压强度与孔隙度的关联性分析

为研究冻结条件下岩石的孔隙度与单轴抗压强度之间的关系,对人工冻结条件下的侏罗系饱和含水砂岩进行了核磁共振测试和单轴压缩试验;分析了不同温度条件下,温度与单轴抗压强度和孔隙度之间的关系,并将孔隙度和单轴抗压强度进行了关联分析。研究结果表明:砂岩单轴抗压强度和温度满足二次曲线变化关系;-5～-15℃等温度区间,单轴抗压强度增长值从4.54 MPa降至0.54 MPa,单轴抗压强度增长率从14.22%降至1.33%;饱和冻结砂岩孔隙度随着温度的下降,其孔隙度亦减小,且孔隙度和温度的关系符合幂指函数变化规律;冻结砂岩孔隙度和其单轴抗压强度满足幂指函数关系。     

高家堡煤矿冻岩单轴压缩力学性质试验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究砂岩低温下物理力学性质变化,对高家堡煤矿525,657和782 m深度层位砂岩,进行了不同低温(-15～-5℃)下的单轴压缩试验,观察3个深度层位砂岩在不同低温下的单轴压缩后的破坏模式,并分析应力、应变变化规律以及单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化规律。试验结果表明,在试验温度范围内,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比均受温度影响较大,单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低而增加,泊松比随温度的降低而减小。拟合出砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化曲线,得出结论:砂岩单轴抗压强度和弹性模量在-15～-10℃温度范围内的变化率,比在-10～-5℃温度范围内更大;而其泊松比变化率受温度影响不大。     

预制非贯通单组裂隙岩石模型力学参数试验研究

开展裂隙岩体破坏的力学特性的研究始终是岩体力学研究领域的重要课题,预制裂隙岩石模型是了解和掌握岩石破坏机理的一条重要途径,本文预置裂隙的水泥砂浆试块模拟节理发育的裂隙岩石,通过单轴压缩试验与剪切试验研究节理影响下的岩石力学参数的变化,并演示了裂隙的扩展贯通过程。结果表明:1)岩体内部节理面的张开扩展延伸直至贯通从而引起非贯通节理岩体的破坏。2)岩石模型的单轴抗压强度随着节理角度的增加逐渐下落,在节理角度达到45°时,试块的单轴抗压强度出现最小值,随后开始反向增大。3)岩石模型单轴抗压强度与节理贯通率的关系满足一定的关系式,单轴抗压强度随着节理贯通率的增大而不断降低。4)随着法向应力的增加,裂隙岩石模型的峰值剪应力也相应线性增大,当节理面存在充填物时会一定程度上提高裂隙岩石的强度。这为裂隙岩石的破坏机理提供了重要的参考依据。     

基于SURPAC构建罗卜岭铜钼矿岩体基本质量的空间分布

矿山无岩体揭露工程时,由于无法直接测得与岩体基本质量相关的参数,从而不能判定岩体的稳定性级别。本文以钻孔岩芯为研究对象,对岩芯进行了点荷载强度的测定和岩石质量指标RQD的统计。基于岩石点荷载强度和单轴抗压强度之间的关系,以及岩石质量指标RQD和岩体完整性指数之间的关系,得到了每个钻孔在空间上连续分布的岩体基本质量。将获得的岩体基本质量作为数据源,借助SURPAC块体模型并采用距离幂次反比法估值了整个矿体的岩体基本质量,构建了矿体的岩体基本质量空间分布。研究结果为确定岩体基本质量以及判定岩体稳定性级别提供了方法,为采矿方法的选择以及开拓、采准工程布置提供了依据。     

基于结构表征单元体的岩体力学参数选取

针对基于数值试验岩体力学参数的选取开展研究。通过现场节理裂隙调查、统计分析得到岩体节理面分布模型;采用三维随机节理模拟技术构建基于统计分析的岩体表征单元体数值模型,并就此开展单轴压缩数值试验确定结构表征单元体;对表征单元体进行三轴压缩数值试验,确定岩体的抗剪强度参数。研究结果表明：研究角砾岩的表征单元体尺寸为2m×2m×2m,得到的岩体力学参数与基于Heok-Brown强度指标较为一致;块体采用摩尔-库伦本构模型、节理面采用库伦滑移本构模型能够较好地反映研究角砾岩体的力学特性;基于结构表征单元体的岩体力学参数选取方法是合理的。     

基于点荷载试验的岩石抗压强度特性研究

点荷载试验是一种比较简易的测定岩石抗压强度的方法,自国际岩石力学协会建议采用以来,得到了广泛的利用。为了探究点荷载试验确定抗压强度的相关性,以某大型矿山竖井工程白云岩为研究对象,开展了大量点荷载与单轴抗压强度试验,利用正态分布对试验结果的准确性进行检验,并探讨了试件尺寸对点荷载强度标准值的影响。最后将得到的点荷载强度标准值与单轴抗压强度值进行线性拟合分析,这种拟合关系表明两者之间高度正相关。也就是说可以相互换算,换算得到的抗压强度值可以为该矿山以后的设计参数提供依据。     

单轴压缩下煤岩损伤研究

根据前人对煤岩的实验研究,采用岩石强度随机统计分布假设,建立了能够较好的反映煤岩单轴压缩状态下的初始压密段和残余强度的分段损伤本构方程,并且给出了其中参数的确定办法。利用刚性实验机进行了煤岩单轴压缩实验,对应力-应变曲线与损伤的关系进行了分析。利用实用复合形法对所提的损伤本构方程进行了参数求取。拟合结果表明理论和实验结果符合较好。     

基于回弹法的岩石强度预测及切割采矿应用分析

以玲珑金矿灵山矿区某极破碎矿体机械化开采为研究背景,采用N型回弹仪选取11个测定区域开展回弹测试,并在测试点钻孔取芯加工为标准岩石试样进行声波试验和单轴压缩试验。通过分析试验结果,得到回弹值、纵波波速与单轴强度之间的关系,可知回弹值与岩石单轴抗压强度呈指数型相关,而纵波波速与岩石强度拟合关系曲线贴合较差,在此基础上进行声波—回弹结合的二元回归分析,综合比较得到幂函数的相关系数最好。研究结果能为玲珑金矿灵山岩体强度预测和掘进开采分析提供帮助。     

煤巷液压锚杆钻机随钻参数采集系统及其应用

围岩岩性随钻识别技术能够实时获取巷道围岩力学参数，为煤巷围岩支护提供基础保障。本文基于煤矿巷道液压锚杆钻机研发了煤巷液压锚杆钻机随钻参数采集系统，包括钻进系统、动力系统、监测系统及试件平台。利用该系统进行了不同强度砂浆组合试件的钻进实验，结果表明，系统性能良好，随钻参数变化规律明显，扭矩和推进压强在不同岩层交界处有明显的跃迁现象。为了验证岩石强度随钻识别的可靠性，通过随钻参数计算破岩比能，进一步分析了随钻参数与抗压强度的关系。基于破岩比能法该系统可以实现随钻参数对岩石力学性能的识别。     

预制非贯通单组裂隙岩石模型力学参数的实验研究

开展裂隙岩体破坏的力学特性的研究始终是岩体力学研究领域的重要课题,预制裂隙岩石模型是了解和掌握岩石破坏机理的一条重要途径,本文预置裂隙的水泥砂浆试块模拟节理发育的裂隙岩石,通过单轴压缩试验与剪切试验研究节理影响下的岩石力学参数的变化,并演示了裂隙的扩展贯通过程。研究表明：(1)岩体内部节理面的张开扩展延伸直至贯通从而引起非贯通节理岩体的破坏。(2)岩石模型的单轴抗压强度随着节理角度的增加逐渐下落,在节理角度达到45°时,试块的单轴抗压强度出现最小值,随后开始反向增大。(3)岩石模型单轴抗压强度与节理贯通率的关系满足一定的关系式,单轴抗压强度随着节理贯通率的增大而不断降低。(4)随着法向应力的增加,裂隙岩石模型的峰值剪应力也相应线性增大,当节理面存在充填物时会一定程度上会提高裂隙岩石的强度。这为裂隙岩石的破坏机理提供了重要的参考依据。     

神东矿区煤系地层岩石物理力学性质

岩石物理力学参数是数值计算、相似模拟、顶板分类、支架选型等理论分析和现场安全生产管理的基础性工作。分别从补连塔煤矿、大柳塔煤矿及布尔台煤矿采集岩芯并进行了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验,分析了不同沉积时期的密度、RQD值、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角等参数。根据试验矿井地层情况,将3个试验矿井的岩层划分为8个沉积时期,分别为白垩系、侏罗系安定组、侏罗系直罗组、侏罗系延安组1-2煤、侏罗系延安组2-2煤、侏罗系延安组粉砂岩、侏罗系延安组4号煤及侏罗系延安组底部。神东矿区岩层以砂岩为主,尤其是白垩系岩层主要为砂岩层。按沉积时期分组试验结果表明:随着沉积时间的增加,岩石的密度呈增大趋势,但是增大幅度不明显;岩石的抗拉强度、抗压强度、弹性模量及黏聚力与沉积时间呈现出一定的正相关关系;RQD值及内摩擦角与生成时间无明显的关系。生成时间对岩石的力学参数影响较大,其中,沉积时间对中粒砂岩抗拉强度的影响最大,最大值是最小值的31.2倍;沉积时间对中粒砂岩抗压强度及弹性模量的影响最大,单轴抗压强度最大值是最小值的12.4倍;弹性模量最大值是最小值的32.8倍;白垩系及侏罗系安定组的物理力学参数相对其它沉积时期要小很多。