纵向裂隙对砂岩力学特性影响试验研究

将西部矿区高水平应力岩层巷道顶板受力特征简化为含纵向裂隙的岩石单轴压缩问题,选取砂岩材料为试验对象,并对其强度、变形及破坏形态进行试验研究。试验结果表明:纵向裂隙砂岩随着裂隙长度的增大,峰值强度和峰值应变先逐渐减小后又有所增大,裂隙长度为42 mm时达到最小值;砂岩试样沿预制裂隙尖端发生纵向劈裂,但非均质性对主要次生裂纹的数目和扩展路径具有很大的影响。与无充填相比,石膏充填对裂隙砂岩强度的提升并不明显,而高强水泥具有较好的加固效果,与无充填相比峰值强度平均值增大22.27%。研究成果对西部矿区的岩石力学和围岩稳定性控制理论的发展具有积极意义。     

孔隙裂隙砂岩渗透注浆试验研究

西北地区广泛发育着弱胶结、强富水的孔隙裂隙砂岩层,在矿井建设中存在普通颗粒型浆液难以注入该岩层,注浆防水减渗效果差等实际问题。以新庄煤矿风立井井筒建设为工程背景,以室内试验为基础,选取典型的孔隙裂隙含水砂岩,采用超细水泥和脲醛树脂两种浆液进行重复四次注浆试验,其中前两次注超细水泥浆液后两次注脲醛树脂浆液。试验结果表明:重复注入超细水泥浆液能够很好充填岩石中较大的孔隙裂隙;而对于超细水泥浆液无法注入的微细孔隙裂隙,重复注入溶液型化学浆液可以充填颗粒型材料无法注入的微细孔隙裂隙;随着注浆次数的增加岩样的渗透系数减小,说明浆液在孔隙裂隙中的充填效果明显;颗粒型浆液和溶液型浆液结合使用能够起到很好的防渗堵漏效果。     

孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩力学特性试验研究

为研究含预制孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩的力学特性,在板状砂岩试样内预制了圆孔和裂隙组合型缺陷,通过室内单轴压缩试验,研究了裂隙倾角α和裂隙长度b对砂岩强度特征、变形特征及破裂演化过程的影响规律。试验结果表明:与完整砂岩相比,含组合型缺陷砂岩的承载能力发生明显的劣化,且劣化幅度与预制缺陷几何形态密切相关;随裂隙倾角α的增大,试样的峰值强度、平均模量和割线模量均表现为逐渐减小的趋势;裂隙倾角为45°时,随着裂隙长度b的增大,试样的峰值强度、峰值应变、平均模量和割线模量均逐渐减小;含组合型缺陷砂岩的起裂形式与裂隙倾角α有关,裂隙倾角在0°~60°时,初始破坏均表现为预制裂隙尖端的拉伸裂纹破坏,而裂隙倾角为90°时,试样的初始破坏表现为圆孔孔壁片帮破坏。     

综放采动应力路径下单裂隙砂岩力学特性试验研究

综放开采会形成有别于常规三轴压缩的应力路径,为研究综放采动状态下顶板岩体的力学特性,针对特定长度和角度的单裂隙砂岩,进行恒定卸围压同时变速率加轴压的加卸载三轴试验,以模拟综放开采过程中的应力路径,分析单裂隙砂岩的破坏形式,并用超声波实时测试,探究超声波特性和应力应变的关系以及裂纹演化规律.试验结果表明:①常规三轴应力路...     

含裂隙泥岩注浆前后力学特性试验研究

采用直剪试验研究注浆前后泥岩裂隙面的闭合和剪切力学性质。试验结果表明注浆加固后泥岩裂隙面的力学性质出现了明显变化:1)注浆后的法向变形量较之注浆前减小了49%~57%;2)注浆后,剪切变形曲线出现了明显的峰值剪切强度和残余剪切强度;3)注浆后剪切刚度变大。注浆前后力学性质变化的原因在于:注入的浆液固化结晶后充填了裂隙的气、液空间,使裂隙面的凸起点接触转变为面接触,浆液结石体与裂隙凸起共同传递应力和抵抗剪切,提高了裂隙的抗剪强度。     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

尖端相交裂隙砂岩强度与破裂演化特征试验研究

岩石中裂隙的分布形态对岩石力学特性的影响极为显著。通过对含尖端相交裂隙砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了2条相交裂隙分布方向角β和夹角α对砂岩强度、变形及破裂演化特征的影响。试验结果表明:随着β角的增大,试样峰值强度逐渐增大,平均模量先增大后减小。当β角为0°时,试样表现为双裂隙外尖端贯通破坏,当β角在30°~45°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当β角在60°~90°之间时,试样表现为双裂隙外尖端独立开裂破坏。随着β角的增大,裂隙内尖端的裂纹发育程度逐渐减弱。随着α角的增大,试样峰值强度逐渐减小,平均模量表现出先减小后增大再减小的趋势,当α角在30°~60°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当α角在90°~150°之间时,试样表现为双裂隙外尖端开裂破坏。随着α角的增大,裂隙内尖端裂纹发育程度逐渐减弱直至无裂纹产生。利用声发射仪记录了试样加载过程中的声发射特征,结果表明AE事件数主要集中在峰值和峰前非线性段,宏观裂纹的起裂、扩展和贯通都会产生明显的AE事件。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

冻结裂隙砂岩解冻后蠕变力学特性研究

富水洛河组砂岩地层人工冻结法施工后,在长期应力作用下斜井井壁围岩会发生蠕变破坏。为了研究解冻后不同裂隙倾角岩石的蠕变破坏机理,以可可盖煤矿洛河组砂岩为原岩,制备预制不同角度裂隙的类砂岩,研究其解冻后三轴压缩蠕变力学特性。试验结果表明：岩样预制的三种倾角中,倾角45°时内部新生裂纹沿着预制裂隙发育与扩展程度更大,产生的轴向蠕变量更大且变化速率更快;其次是裂隙倾角0°时,最后为裂隙倾角75°。根据试验结果,基于西原体蠕变模型,引入裂隙塑性体元件及蠕变全过程劣化演化方程,建立考虑原生节理影响的非线性蠕变模型并且进行三维推广,并利用最小二乘法进行求解并拟合,拟合结果与试验数据基本吻合。     

含充填裂隙砂岩破坏特征的模拟研究

深部应力环境下充填裂隙会影响岩石的破坏特征,针对此问题,基于PFC2D模拟了充填裂隙对砂岩裂纹发育、力链和应力场演化特征的影响。结果表明：试样在属性相对较弱的充填裂隙内部起裂,在承压条件低于砂岩颗粒破坏的阈值前,裂纹仅在充填裂隙内部发育,超过阈值时裂纹在充填裂隙尖端突破;砂岩颗粒与充填裂隙尖端交界处受较高的压应力,充填裂隙内部分布有拉应力;充填裂隙中部的应力集中导致试样起裂,裂纹突破充填裂隙后,内部形成卸压区,试样由两侧完整部分承载。     

矸石膏体充填材料力学特性试验

以淄博矿业集团岱庄煤矿膏体充填为研究背景,在对煤矸石、粉煤灰等充填材料物化性能研究的基础上,通过均匀试验得出了膏体充填材料最优配比,同时对养护28 d后的膏体材料力学性能进行了系统研究并与所置换的煤的力学性能做了对比分析。研究结果表明膏体充填材料在有围压作用下有较高的残余强度,表现出明显塑性强化特征,同时得出膏体材料的内摩擦角和黏结系数;与充填置换的煤的力学性能对比表明膏体材料塑性变形比煤更显著。     

纤维增强水泥-尾砂基复合充填材料力学及流变特性研究

针对水泥-尾砂基复合充填体脆性高、强度低、质量差等问题,以聚丙烯纤维作为增强剂,探究纤维掺量和纤维长度对复合充填料浆流变行为的影响,采用Hershel-Bulkey模型(简称H-B模型)进行非线性回归拟合分析,获得充填料浆流变特性参数,借助正交设计的试验方法,考察纤维掺量、纤维长度和粉煤灰掺量对充填体养护龄期1 d、3 d、7 d和28 d抗压强度的影响。研究结果表明：随着纤维掺量的增加,充填料浆初始表观黏度和屈服应力不断增大。纤维掺量从0.2%增加至0.8%的过程中,屈服应力增加了60.19%;纤维长度从3 mm增加至12 mm的过程中,屈服应力增加了35.3%。不同养护龄期下充填体抗压强度随着纤维长度和纤维掺量的增加均表现为先上升后降低的趋势,纤维掺量0.6%和纤维长度9 mm是其临界点,适宜的纤维能在充填体内部均匀分散,形成致密的网络结构以承载外界荷载,从而改善充填体力学性能。     

膨胀充填材料工程力学特性的试验研究及应用

充填材料的工程力学性质对煤矿绿色开采有重要影响,是解决煤矿安全高效生产以及煤矿可持续发展的主要途径.本文以水泥、砂或粉煤灰为材料,双氧水为发泡剂制作的膨胀充填材料泡沫混凝土为研究对象,试验研究了密度为1000 kg/m3、1200 kg/m3、1400 kg/m3含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土动静载力学特性.试验结...     

注浆体力学特性的试验研究

为了研究注浆体的力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机,对其进行了三轴压缩试验。试验结果表明:不同矿物颗粒粒径的注浆体的强度不同,随着围压的增加,粒径对注浆体的强度影响变小。利用RLW-500岩石流变试验机对注浆体试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验,对注浆体的流变特性进行了初探。     

充填矸石力学性质研究

通过对矿井矸石进行不同级配下的矸石压实度、应变和碎胀系数三者与应力关系的物理力学实验分析,并对所采集的数据进行曲线拟合,得出了三者随应力变化的回归公式,为以后最大程度地减少地表沉陷,保证矿井矸石充填效果的最优化提供了重要的参考依据。     

沿空留巷新型煤体充填材料的力学性能研究

通过参考典型煤矿沿空留巷的胶结充填体强度资料,并进行强度计算,获得经验方程,据此确定司马煤业公司1206工作面沿空留巷的新型煤体充填材料强度,得出充填料浆配比设计依据。以司马煤业公司工作面端头回收的煤和自行研发的胶结材料制备充填料浆,涉及的非煤材料有水泥、石子、沙子及特定的添加剂。以料浆各个材料的力学性能为基础,确定了最佳的充填配比。     

风化砂岩的力学特性及本构关系研究

以不同风化程度的砂岩试件为研究对象,对其单轴、三轴力学强度进行了试验研究.结果表明,随着风化程度的增加,砂岩的力学强度逐渐降低;三轴曲线的主应力差对砂岩强度的影响基本呈线性;随着风化程度的增加,砂岩的摩擦角逐渐增大;而粘聚力则随着风化程度的增加而减小;建立了岩石三轴受力的抛物曲线-线弹性-Duncan双曲线-塑性软化-残余理想塑性五段式模型,正确地反映岩石三轴受力变形的特点.     

带-网-栓式矸石袋巷旁充填支护体力学性能研究

针对沿空留巷中矸石充填体的大流变性和低支护强度等问题,提出带-网-栓式矸石袋巷旁支护技术方案。该技术选取钢带、锚网、锚栓等作为矸石袋的侧向支护材料,以此约束矸石袋的横向变形、增加矸石袋的围压,最终提升矸石充填体的支护性能。通过对矸石充填体的侧向分别添加钢带、锚网、锚栓进行承压力学试验后,矸石袋的最大承载能力提高了2~5倍。同时,该技术在山西左权天一煤业公司3102工作面进行了工业试验,结果表明其具有促使巷道围岩变形减小、巷旁支护效果显著等优点,取得了较好的经济技术效果。     

煤矿膏体充填材料力学变形性能的试验研究

力学变形性能的研究在煤矿膏体充填材料压缩变形研究中居于十分重要的位置。通过实验室正交试验,得出了膏体充填材料的弹性模量、横向应变、纵向应变和泊松比,并首次利用数字图像测量软件绘制了材料在单轴压缩过程中的全应力-应变曲线和泊松比曲线,为选择最佳配比的充填材料提供依据。     

煤矿充填膏体力学性质试验研究

为研究煤矿井下工程条件下充填膏体的力学性质,在岱庄煤矿充填现场取得不同龄期的膏体,采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统对其进行单轴压缩试验,分析了在工作面有限空间和特定环境下充填膏体的力学特性。研究表明,井下充填体强度相对较高,但凝结性差,力学性质离散性大;单轴压缩强度为2.3～13.17 MPa,平均5.436 MPa;膏体的弹性模量很低,为53.66～2614.35 MPa,平均645.14MPa,在承载时变形较大;泊松比偏低,为0.0001～0.2112,平均0.0265,表明膏体承载压缩变形不需要横向变形空间;拟合回归了不同龄期充填膏体的力学参数。研究成果对有效控制地表开采沉陷、解放"三下"煤炭资源、保护矿区生态环境具有一定的意义。