卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律

为研究卸围压条件下花岗岩强度特性和三维裂隙演化规律,对花岗岩开展了常规三轴压缩、卸围压-加轴压和分级卸围压-加轴压循环加卸载3种不同应力路径力学试验,获得对应的轴、径向应力-应变曲线;采用CT扫描三维重构技术获得岩石卸围压过程中和破坏后内部裂隙分布三维图像.结果表明:相对于常规三轴压缩试验,试件在卸荷条件下脆性破坏特征更加显著,分级卸围压-加轴压循环加卸载会增大花岗岩的峰后延性,降低破坏轴压和破坏剧烈程度;两种卸围压方案都会使花岗岩的承载能力降低30%左右;卸荷作用下花岗岩宏观破裂为拉剪组合状,拉剪过渡不明显,表观裂隙是内部裂隙向外扩展的结果;花岗岩在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少,大量裂隙在峰后产生,破裂具有突发性和瞬时性,围压较低时宏观裂隙首先在试件边缘产生,围压较高时宏观裂隙首先在试件中部产生.     

河口村水库坝肩灰岩力学特性试验研究

从河口村水库坝肩取样制备完整的和含裂隙的灰岩试样,利用TAW-2000岩石三轴仪对制备的岩样进行不同围压下的岩石三轴压缩试验,得到了完整和裂隙灰岩在不同围压下的应力-应变曲线及其变形、强度和破裂特性规律。试验中,裂隙面与最大主应力夹角为0°~80°,围压为5~15 MPa。试验结果表明:完整灰岩的峰值强度和变形模量随围压的增大而增大,并且呈线性关系;裂隙灰岩在三轴压缩下有两种破坏形态,分别为穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移破坏;裂隙灰岩的强度和变形特性及破坏特征受裂隙面倾角θ的影响很大,当θ60°时,沿裂隙面滑移破坏,当θ≤60°时,穿裂隙面破坏;其中穿裂隙面破坏的灰岩与完整灰岩均为岩体材料的破坏,并且与完整灰岩的破坏形态和强度变形特征相似。     

采动覆岩破断裂隙的贯通度研究

为了判定采场隔水关键层和计算导水裂隙带高度,进行了覆岩采动导水裂隙分布特征的相似模拟实验和力学分析.提出了破断裂隙贯通度的概念和计算公式.试验结果表明,采场覆岩裂隙带上位岩层的回转变形空间较小,且由于岩层刚度和厚度的差异,薄岩层会完全破断;但坚硬厚岩层破断裂隙未贯通,没有形成竖向"导水、导气"裂隙.为了描述岩层的破断程度及破断裂隙导水能力的强弱岩层破断裂隙的贯通度随其下自由空间的增大而增大,且存在自由空间阀值,大于其阀值时则增加缓慢并趋于1;随岩层厚度增大,起裂时岩层破断裂缝的张开角度减小;岩层破断裂隙的贯通度随裂纹尖端临界张开位移的增大而呈线性减小,随岩层周期破断距的增大也呈近似线性减小.     

高瓦斯煤层千米定向钻孔煤与瓦斯共采机理

结合最新引进的德国DDR-1200型千米定向钻机,提出在工作面顶板裂隙带内打千米定向钻孔抽采瓦斯的新方法,构建千米定向钻孔煤与瓦斯共采体系.结果表明,工作面上覆岩层存在大量横向间隙和竖向裂隙,裂隙带高度为34m左右,最大离层裂隙发生在主关键层下方,距离工作面顶板22m左右,最大离层量240mm,形成瓦斯富集区域;工作面倾向方向,回采巷道向采空区方向0～60m范围内裂隙最发育,并能长期稳定存在.据此在14301工作面进行工业性试验,试验结果表明,钻孔布置在14301工作面上方顶板22m左右,倾向方向距运输巷15m处,抽采浓度达70%以上,抽采时间在120d以上,取得最佳瓦斯抽采效果,实现煤与瓦斯共采.     

三维动静组合加载下岩石的破坏形态及力学性能研究

为研究岩爆等地质灾害发生的力学机制,利用改进的霍普金森杆试验装置,对红砂岩进行预加载三维静应力下受冲击载荷试验,分析红砂岩的破坏形态、能量耗散规律及变形强度特征.研究表明,红砂岩的破坏形态在有无围压情况下,都随着轴压的增大破坏程度增大,在无围压及有围压情况下分别呈现出"X"型和"圆锥台"型的压剪破坏形态.当轴压固定时,红砂岩的破坏程度随围压的增大而降低.在三维动静组合加载下,红砂岩入射能及单位体积吸收能与平均应变率呈线性递增关系,且递增的程度随轴压的增大表现出先增大后降低的趋势,而随围压的增大而增大.红砂岩应力应变曲线在不同平均应变率下表现出应变回弹、应力跌落及峰后塑性三种类型.红砂岩抗压强度增长因子与平均应变率1/3次幂呈线性递增关系.     

不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究

利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下茅口灰岩三轴压缩试验,通过计算绘得相应裂隙体积应变图,分析得出裂纹起始应力、裂纹破坏应力。结果表明:随着围压的增大,应力门槛值均呈非线性增长态势,当围压超过17 MPa时,裂纹起始应力、裂纹破坏应力分别增加48.5%和20.1%,茅口灰岩延性开始增强;裂纹破坏应力为峰值强度的64%~75%,三轴压缩下茅口灰岩裂隙不稳定发展阶段较长;环向应变值随围压增大而增大,当轴力超过裂纹破坏应力进入裂隙不稳定发展阶段,环向应变增大2.7~3.2倍,用环向-轴向应力应变曲线图能较好的反映岩石应力门槛值。     

上行开采顶板不同区域巷道稳定性控制原理

以典型的上行开采为工程背景,采用现场实测、物理模拟和数值计算相结合的综合研究方法,对上行开采上覆岩层应力场、裂隙场进行了研究,并分析侧压系数、断面形状、围岩强度等因素对围岩稳定性影响,揭示了上行开采采动应力分区特征及裂隙呈分域特性的时空演化规律,得到了基于采动巷道围岩稳定性的上行开采顶板岩层区划和巷道布置,将覆岩划分5个破坏区,裂隙分为4个区;提出了"等效开挖"和"低效加固区"的概念,给出顶板巷道应根据侧压系数λ的大小和主应力方向选择合理断面形状是圆形或椭圆以及底板4.0～6.0m必要的加固深度,形成了上行开采顶板巷道稳定性控制原理:选择应力降低的Ⅱ区和Ⅲ区布置巷道、确定采后165d为顶板巷道开挖时机、优化巷道断面和减小低效加固区、提高围岩强度和支护结构稳定性以及分区强化控制,成功指导工程实践.     

顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究

采用模拟试验方法研究了顶板岩层对煤体应力状态的影响,并根据震动能量对煤体的破坏效应和在岩体中的传播衰减规律,从能量角度分析了煤层上方不同厚度和强度的顶板岩层对煤体冲击的影响程度.结果表明,顶板释放的能量与岩层强度呈对数关系、与顶板厚度呈指数关系,坚硬、厚层顶板岩层会对煤体产生更为强烈的扰动,使冲击矿压危险性明显升高.另外,具有一定厚度和强度且距离煤层较近的老顶岩层运动产生的冲击载荷对煤体的影响作用较大.某矿一个工作面的冲击矿压防治工程实践表明,对该煤层上方的顶板岩层实施爆破弱化处理技术措施后,可有效降低工作面回采过程中的冲击危险性.     

裂隙岩体断裂破坏扩展数值模拟研究

为进一步了解复杂裂隙断裂破坏过程,基于断裂力学理论,采用PFC2D软件对不同裂隙数量岩体进行数值试验,分析裂隙倾角、围压等因素对岩体强度及裂纹扩展的影响规律。研究表明：随着裂隙倾角增大,单裂隙峰值应力和起裂应力先减小后增大,当围压由2 MPa增加到8 MPa时,峰值应力约从120 MPa增大到160 MPa,且起裂应力随着围压增大而增大,与理论分析结果一致;双裂隙倾角为30°和45°裂隙扩展以翼型裂纹和次生斜裂纹为主,裂隙倾角为60°和90°时主要为共面次生裂纹;不同围压下,随着预制裂隙数量增多,裂隙岩体试样峰值应力逐渐减小。研究成果为进一步探索裂隙岩体失稳破坏规律提供参考。     

基于采空区压实效应的工作面开采全过程模拟

为探究孤岛工作面开采时覆岩破断、运移和矿压显现规律,利用FLAC~(3D) Fish语言开发了数值算法,基于采空区压实理论和双屈服模型,提出一种孤岛工作面推进过程中覆岩破断演化、垮落带岩体的压实效应和采动静载、动载响应数值模拟方法.采用该方法对朝阳煤矿3108孤岛工作面采动全过程及其动静载演化机制进行了数值模拟,所得结果与现场实际具有较好的一致性.结果表明:由于两侧采空区工作面长度较小(70 m),开采后覆岩垮落不充分,垮落带和裂隙带演化高度有限,约为30.98和66.91 m;动载主要来源于顶板破断释放能量,震源和覆岩裂隙带演化的最大高度基本一致,其震源包络线与裂隙带的发育范围吻合度较高.     

不同围压下灰岩力学特性及破坏力学模型研究

为了研究围压对灰岩力学特性及破坏力学模型的影响,采用MTS815对完整灰岩岩样进行三轴压缩试验。基于岩样宏观破坏形式,建立张拉剪切破坏模型,构建峰值强度与围压关系表达式;讨论张拉剪切模型与纯剪切模型对岩石剪切强度参数值（粘聚力与内摩擦角）的影响。研究结果表明：岩样弹性模量、抗压强度及残余强度均随围压升高而增大,且残余强度与围压呈非线性相关;当岩样最终破坏时,环向应变与轴向应变比值随围压升高呈负指数降低;一定围压范围内,岩石抗压强度受剪切强度参数和抗拉强度影响;张拉剪切模型确定岩石剪切强度参数值随破裂角增大而增大,与纯剪切模型相比,数值均较小。因此,低围压时,考虑岩石破坏模型具有一定的实际意义。     

浅埋薄基岩工作面覆岩活动规律三维物理相似模拟研究（研究生论坛）

针对浅埋采场在开采活动中经常出现矿压显现剧烈、顶板和地表台阶下沉等问题,以神东矿区为背景,采用三维物理模拟试验研究浅埋深薄基岩工作面覆岩活动规律。模型试验尺寸为长×宽×高=1050mm×2000mm×1130mm,几何相似比为1:100,容重相似比为1:1.67,时间相似比为1:10,应力比为1:1.67。监测模型地表位移变化和顶板位移变化规律。结果表明：浅埋薄基岩煤层开采过程中,上覆岩层只出现冒落带和裂隙带,煤层直接顶随采随冒,基本顶初次来压步距为40m,周期来压步距为20m;上覆岩层及松散层出现台阶下沉现象,裂缝贯通地表,切眼和停采线附近出现溃沙现象,地表形成塌陷坑;上覆岩层运动以垂直运动为主,随着工作面向前推进,顶板位移增加;靠近煤柱的上覆岩层出现搭桥结构,靠近煤柱的上覆岩层位移变化量较小,而远离煤柱的测点上覆岩层位移变化量较大;地表位移变化和上覆岩层位移变化整体上具有正相关性,但地表位移变化幅度较小、具有滞后性,且受到溃沙现象的影响,切眼和停采线附近地表形成塌陷坑且地表位移变化量增大。     

.煤层群覆岩裂隙带煤与瓦斯共采协同机制研究

煤层群采动覆岩裂隙演化与煤炭开采、卸压瓦斯渗流具有内在的联系,为建立煤炭开采与卸压瓦斯抽采(共采)的协同作用机制,阐明了共采协同的内涵,应用协同学理论建立了以单宽工作面煤炭日产量Q_m、覆岩裂隙带日扩展体积V和卸压瓦斯涌出量Q_g为协同变量的共采系统序参量方程,试验研究了覆岩裂隙垂向与水平扩展特征,建立了裂隙带发育体积演化模型,通过对序参量方程进行线性稳定性分析,建立了协同变量的相互影响机制.以沙曲矿为背景进行了共采协同机制应用研究,构建了24208工作面共采协同变量的相互影响机制.结果表明:裂隙钻孔抽采层位选择裂隙带日扩展体积V曲线拐点位置(距顶板19.5～22.6 m)较为合理.     

围压作用下盐岩损伤恢复研究

为了解在围压作用下盐岩损伤恢复特性和盐岩损伤与强度之间的联系,设计了盐岩在不同围压、不同稳压时间之后盐岩强度测试试验。试验结果表明：加载初期,盐岩弹性模量随着稳压时间的增大而逐渐增大,且随着稳压时间的增大,盐岩峰值应力对应的轴向应变和横向应变均会逐渐增大;盐岩损伤与强度之间存在负相关联系;随着稳围压时间的增加,盐岩强度逐渐增大,最后保持在趋于相对稳定的状态;在围压作用下盐岩损伤愈合可以分为损伤快速恢复阶段和损伤缓慢恢复阶段,且对于不同稳压大小,盐岩损伤恢复两个阶段有明显的时间节点;在一定范围内,盐岩损伤快速恢复阶段的时间长短随着稳压阶段围压的增大而逐渐减小;增加稳围压阶段的围压大小可以一点程度上缩短盐岩损伤快速恢复阶段时间,但是增大围压可能会对盐岩造成新的损伤。     

覆岩不同采动损伤煤样应力敏感性研究

为了研究覆岩不同采动损伤程度煤样渗透率的应力敏感性,基于覆岩各分带内煤岩损伤裂隙发育情况,将煤体分为弹性煤样(弯曲下沉带)、贯穿裂隙煤样(裂隙带)以及破碎煤样(垮落带).结合不同损伤程度煤样循环加卸载实验拟合参数,提出绝对应力敏感性系数及相对应力敏感性系数评价各类煤样重复加卸载过程中的应力敏感性大小及变化趋势.研究结果表明:第1次加载阶段的绝对应力敏感性远大于之后的加载阶段.在应力加载初期,贯穿裂隙煤样的绝对应力敏感性系数大于破碎煤样且远大于弹性煤样,而弹性煤样的相对应力敏感性系数大于破碎煤样与贯穿裂隙煤样;在应力加载后期,破碎煤样的绝对与相对应力敏感性系数均大于贯穿裂隙煤样及弹性煤样.     

浅埋薄基岩工作面覆岩活动规律3维物理相似模拟研究

针对浅埋采场在开采活动中常出现矿压显现剧烈、顶板和地表台阶下沉等问题,以神东矿区为背景,采用3维物理模拟试验研究浅埋深薄基岩工作面覆岩活动规律。模型试验尺寸长×宽×高为1 050 mm×2 000 mm×1 130mm,几何相似比为1∶100,容重相似比为1∶1.67,时间相似比为1∶10,应力比为1∶1.67,监测模型地表位移变化和顶板位移变化规律。结果表明:浅埋薄基岩煤层开采过程中,上覆岩层只出现冒落带和裂隙带,煤层直接顶随采随冒,基本顶初次来压步距为40 m,周期来压步距为20 m;上覆岩层及松散层出现台阶下沉现象,裂缝贯通地表,切眼和停采线附近出现溃沙现象,地表形成塌陷坑;上覆岩层运动以垂直运动为主,随工作面向前推进,顶板位移增加;靠近煤柱的上覆岩层出现搭桥结构,靠近煤柱的上覆岩层位移变化量较小,而远离煤柱的测点上覆岩层位移变化量较大;地表位移变化和上覆岩层位移变化整体上具有正相关性,但地表位移变化幅度较小,具有滞后性,且受到溃沙现象的影响,切眼和停采线附近地表形成塌陷坑且地表位移变化量增大。     

压实度对水泥改良高液限土强度影响试验——以云罗高速公路为例

为研究水泥改良高液限土的抗剪强度随压实度的变化情况,进行了水泥掺量为2％的高液限土在不同压实度、不同围压下的三轴试验.试验结果发现：掺水泥高液限土在低压实度下,应力应变曲线呈应变硬化型,且呈鼓胀型破坏.仅在高压实度、低围压下,试验中应力应变曲线才呈应变软化型,且试样破坏时会出现较为明显剪切带.同时,从试验成果的整理中发现：随压实度增大,掺水泥高液限土抗剪强度随围压的增大而增大,但增长率逐步减小.而在同一围压下,不同压实度试样随着压实度的增长,抗剪强度不断增大,且增长率也不断增大,但为非线性增长.     

大采深条带开采坚硬顶板工作面冲击矿压治理研究

为了解决大采深条带开采坚硬顶板工作面的冲击矿压问题,以古城煤矿2106工作面为例,采用现场分析、实验室试验、数值模拟的方法对其发生机理进行了研究.结果表明在此条件下开采时发生的冲击矿压与煤岩性质、采深、坚硬顶板厚度及顶板的周期来压有密切关系.当冲击矿压发生的煤层具有强冲击倾向性,煤层硬度系数大于3、采深900 m以上、顶板岩层坚硬且厚度大于20 m时,冲击矿压发生具有突然性和猛烈性;主要发生在顶板周期来压期间、超前支护50m范围内,此时工作面的CH4和CO气体含量同时升高.对此提出了钻屑法等预测预报的方法和煤体爆破卸压与柔性支护等治理措施.     

全国优秀博士学位论文摘要矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下:1)根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟.计算结果表明:采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19%;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10%～12%.2)通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征.选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析.物理模拟结果表明:在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大.3)利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性渡速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征.建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段时所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布.实验结果表明:在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10%～20%;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号.在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征.4)结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征.研究表明:对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射渡能量明显减弱,局部出现反射空白带.根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙"天窗"、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术.5)建立煤层开采前以及开采后生成离层(离层充水、离层充气)的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟.结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测.6)结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系.探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底极岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障.7)综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系.     

五沟煤矿导水裂隙带发育高度预测

煤层开采导致覆岩产生移动变形破坏,描述覆岩破坏影响程度的导水裂隙带发育高度是评价顶板是否发生突水溃砂等灾害事故的重要指标之一,因此对影响导水裂隙带发育高度的采高、工作面几何参数、覆岩岩性及岩层结构等主要因素进行分析,利用模糊数学方法将非线性问题转换成线性问题进行计算,获得五沟煤矿10煤开采导水裂隙带发育高度预测公式,为五沟煤矿含水层下10煤层的安全开采提供指导。