煤层超高压定点水力压裂防冲试验研究

针对国内外没有成熟的区域主动防冲技术的现状,介绍了一种采用超高压定点压裂煤层形成区域性低应力区,从而为快速掘进和回采创造条件的新技术。现场试验在采深1000 m的山东省华丰煤矿进行,采用微地震监测煤岩体破裂、应力动态实时监测系统监测煤岩体应力变化和压力传感器监测管路压力,实现试验全过程监测。试验得到的主要结论如下:1压裂的压力达到24 MPa并持续11 s之后,煤体产生初次破裂,持续13 min后压裂半径达到8 m;2压裂过程中压裂点附近煤体应力动态为:管路加压后距离压裂点9.5 m的煤层内应力值明显升高—煤体产生破裂并产生微震—管路压力骤降—测点应力趋于稳定;3压裂过程中将煤体切割成了近似6.2 m×8.0 m×6.2 m的长方体,同时随着大量水的注入有效降低了煤体的冲击倾向性;4试验证明定点压裂能够实现"转移应力、弱化煤体和降低蓄能"的防冲机理。     

基于硬脆性岩体剥落性状的初始地应力场评估

处于高地应力环境的硬岩工程,由于开挖扰动导致围岩应力环境变化,进而发生脆性剥落破坏。线性工程沿洞线地应力场分布受到各种因素的影响,判别沿线地应力分布规律对于施工安全和衬砌支护设计具有重要意义。在介绍初始地应力分布统计规律的基础上,对地下洞室轴线与初始地应力场排布不同组合情况下,围岩二次应力场及偏应力分布规律进行了模拟研究。基于硬脆性岩石破坏准则,推导了考虑硬脆性围岩破坏宏观表征的洞轴平面初始应力场求解公式,对所推导的公式进行了工程验证,结果比较吻合。研究结果可为深埋硬岩隧道工程初始地应力场量值判别及工程支护设计提供一定的借鉴和参考。     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。     

低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。     

地下水封石油洞库施工期安全风险评估研究

地下水封石油洞库建设具有投资大、无成熟设计施工规范、不确定因素多等特点,建设过程中存在着一定安全风险,开展地下水封石油洞库施工期安全风险评估研究具有重要意义。针对地下水封石油洞库施工期安全风险,从洞库稳定性与水封性两个方面,开展了洞库施工期安全风险评估研究,结合中国首座大型地下水封石油洞库工程对研究结论进行了验证。研究中,开展了地下水封石油洞库风险因子识别,进行了风险因子重要性和引发功能失效概率调查;采用模糊数学方法获得了风险因子模糊权重集和模糊评价集,得到了风险因子影响程度排序;总结了某地下水封石油洞库建设中典型稳定性和水封性风险事故,分析了事故发生原因,并与上文所得风险因子影响程度进行了对比验证。研究结果不但为提高地下水封石油洞库风险管理水平提供支撑,而且还可丰富地下工程安全风险评估研究内容。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

富水破碎岩体帷幕注浆模型试验研究

利用自主研制的三维注浆模型试验系统,开展富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验,获得注浆扰动下岩体多物理场演化规律:1被注岩体总压力及孔隙水压力变化强烈,历经急剧增长—峰值波动—渐进衰减—趋于稳定的变化阶段;2破碎岩体内部,浆液在隧洞拱顶和拱底位置发生优势劈裂扩散,同时引起洞周收敛位移;3注浆作用下破碎岩体压缩释水导致渗透性能显著降低,表现为分序注浆试验中超孔隙水压力激发程度逐次大幅提高。帷幕注浆试验结束后,揭露、分析了加固体内部特征,研究破碎岩体加固范围非均匀变化规律,归纳总结松散破碎岩体及泥质软弱岩体对应的渗透–劈裂型及微劈裂型两类注浆加固模式,揭示了劈裂浆脉形成的多重注浆叠加机制。基于以上研究工作,利用扫描电子显微镜(SEM)分析固结岩体微观特征,研究表明浆脉–黏土界面具有三维结构,可划分为渗透型和微劈裂型两种类型,网络状微型浆脉的锚固作用增大了界面粗糙度和强度;界面靠近黏土一侧发育损伤裂纹,推测为固结岩体物理力学条件突变位置,为加固岩体潜在破坏环节。研究成果补充和完善了室内注浆模拟试验方法,探索了多孔分序帷幕注浆试验中浆液扩散规律及注浆加固机理,为类似地质环境下岩体注浆提供了理论支撑与技术指导。     

急倾斜坚硬岩柱动态破裂“声–热”演化特征试验

急倾斜坚硬岩柱稳定性预测对科学采矿具有重要意义。以乌鲁木齐矿区急倾斜特厚煤层安全开采为背景,基于平面组合加载试验平台,构建急倾斜坚硬岩柱动态破裂"声–热"演化特征模型试验,采用岩石破裂声发射和红外热像综合监测方法,揭示开采扰动作用下岩柱破裂过程中的声发射与温度演化规律。研究表明:坚硬岩柱破裂过程中红外热像呈现温度辐射区(可分为低温边界区、中温过渡区和高温中心区);岩柱破裂经历弹性变形、微破裂至破裂失稳过程,该过程中温度辐射区温度逐渐降低,AE能率呈持续性增长;动态破裂"声–热"演化实质为热弹效应和摩擦热效应。这对急倾斜特厚煤层安全开采具有科学意义。     

基于应力波频谱变化测试岩体节理的刚度

用线性变形节理描述宏观节理的变形特性,在节理的法线方向布置一条测线,测线上在节理两侧分别布置一个测点,用以记录入射侧和透射侧的波形,结合应力波垂直通过单一线性变形节理的透射系数和反射系数,利用透射侧波形的频谱,可以得到入射侧测点处波形的计算频谱,令入射侧波形的频谱与计算频谱相等,提出应力波垂直入射时基于频谱测试节理刚度的方法。通过FLAC3D模拟,验证刚度测试方法的合理性,并分析入射波的峰值频率、节理刚度和节理两侧岩石的弹性模量对测试误差的影响,结果发现,节理刚度越大,测试误差越小;弹性模量越大,测试误差越大;峰值频率对测试结果影响较小;不同工况下,均具有较高的计算精度。在德兴铜矿露天开采临时边坡面上选择一个两侧岩体相对完整、所在坡面比较平整的宏观节理,进行了9次试验,9次试验的测试结果相近,9次试验的法向刚度测试值的方差为0.72,切向刚度测试值的方差为0.56,说明节理刚度测试方法具有稳定性高的特点。     

硬岩应力–应变门槛值特点及产生机制

详细总结岩石应力门槛值(起裂强度ci?、损伤强度cd?和峰值强度f?)的物理意义和计算方法,以花岗岩和大理岩为研究对象进行不同围压的常规三轴试验,计算分析ci?,cd?和f?值,以及各个门槛值对应的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律,重点讨论轴向应变和侧向应变的特点和产生机制,分析结果发现:花岗岩的cc?/f?,ci?/f?,cd?/f?分别位于0.10~0.19,0.40~0.59,0.77~0.82区间内,大理岩相应的应力比位于0.10~0.25,0.47~0.64,0.82~0.92内,不同岩石或相同岩石门槛值应力比的差异可能由于矿物成分、赋存环境、开挖损伤造成;2种岩石应力门槛值及各自对应的轴向应变随围压近似呈线性递增,并且应力和轴向应变随围压的变化曲线非常相似;侧向应变在达到cd?之前增长缓慢,在达到cd?之后急剧增加,而轴向应变在整个加载过程稳步增加;围压、cd?和对应的损伤体积应变存在内在关联性,相互关系可用线性或二项式拟合。