承压水体上开采底板岩层破断及渗流特征

以山西某煤矿承压水体上下组煤开采为工程背景,通过对煤层底板岩石进行全应力-应变渗透性试验及单裂隙渗透性试验,揭示了岩石应力-渗流耦合机理,获得了断裂面渗透系数的定量关系式;采用离散元流固耦合模拟方法,对承压水体上煤层开采底板岩层的应力状态及渗流特征进行模拟分析.结果表明:底板岩层"四带"中的渗透性均与水平应力密切相关,其中:直接底板受工作面矿压影响严重,岩层中的水平应力杂乱无章,破坏带厚度约13m;奥灰含水层顶部岩层为低围压区,容易形成奥灰水楔劈裂导升机理,导升带厚度为17m左右;底板中部层位受采动矿压及底板承压水直接影响相对较小,此带中水平应力自上而下呈递增状态,有效隔水层带厚度38m,是底板的关键阻水层.     

岩石的统计损伤本构模型及临界损伤度研究

岩土工程中的岩体常处于空间应力状态下,因此,研究空间应力状态下岩石的损伤破坏机理有重要的实际工程意义。基于岩石内部缺陷分布的随机性,建立了围压和轴压共同作用下岩石的统计损伤本构模型。并通过砂岩的三轴压缩试验确定了模型里的参数,定性分析了围压对损伤度的影响。研究结果表明：（1）模型能反映围压效应,即可以体现岩石强度随围压变化的规律;并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义;（2）通过岩石的全应力-应变全曲线特征及峰值应力与应变确定模型参数,不同的围压对应着不同的参数;（3）临界损伤度与岩石所处的应力状态有关,同一种岩石在不同围压下临界损伤度是变化的;（4）由分布参数m的物理含义可知,m可以做为表征砂岩脆性的参数;1/m可以做为表征砂岩延性的参数。     

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。     

卸荷和冲击载荷作用下高应力红砂岩的动力特性

在深部开挖工程中,深部岩石往往经历"三轴高应力+开挖卸荷+动力扰动"的全应力过程.为了研究围压卸荷对深部预应力岩石的动态破坏特征的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆对红砂岩进行了一系列三轴卸荷动态压缩试验,还进行了单轴预应力冲击压缩试验(不考虑围压卸荷效应).结果表明,红砂岩的动态抗压强度表现出明显的应变率效应.在应变...     

不同应力状态下北山花岗岩岩爆倾向性研究

为研究不同应力状态下北山花岗岩岩爆倾向性,对北山花岗岩试件进行不同围压下的三轴试验,通过轴向压力和横向变形协调控制加载,获得不同围压下岩石全应力应变曲线,研究岩石破坏前能量聚集及破坏后能量释放特征。结果表明：破坏时弹性能、总能量随着围压增加而增大,且破坏后的总能量变化量及弹性能释放量也随着围压增加而增大。分析岩石储能系数和能量释放指数对岩石破坏的影响,发现岩石储能系数和能量释放指数随围压增加而增大;综合能量储存系数和能量释放指数建立新的岩爆倾向性评价指标,该指标不仅表述了岩石破坏前后各能量的综合变化特征,且能研究不同应力状态下岩石岩爆倾向性;使用该指标研究不同应力状态对北山花岗岩的岩爆倾向性,结果表明：北山花岗岩具有较强的岩爆倾向性,且随着围压增大,岩爆倾向性增加;当围压低于10 MPa时,围压对北山花岗岩岩爆倾向性影响较小,当围压超过10 MPa时,围压对岩爆倾向性的影响突然增加,但随着围压进一步增加,其对岩爆倾向性影响逐渐减弱。     

常规三轴压力下含瓦斯煤蠕变–渗流演化规律

在瓦斯抽采、煤层气开采及煤与瓦斯突出过程中,煤岩蠕变引起岩体变形会对瓦斯渗流产生影响。为研究含瓦斯煤蠕变–渗流的演化规律,得到蠕变–渗流的耦合关系,作者进行了不同瓦斯压力下分级加载轴压时煤体常规三轴蠕变–渗流试验。试验结果发现:轴向应变呈梯度增大,直至煤样破坏;期间,煤体内部瓦斯渗透率呈先减小后增大的趋势。这表明煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化:前期蠕变过程中,孔隙或微裂隙压密,瓦斯流通受阻渗透率减小;当应变超过一定阈值时,煤体骨架发生变化,孔隙或微裂隙出现增生或扩展,瓦斯通道贯通渗透率增大。此外,由试验结果可知,煤岩发生失稳破坏时,必须具备应力超过长期强度、应变超过应变阈值两个条件。这一结论为煤岩失稳破坏提供了一条新的思路。进而,为进一步研究蠕变变形和渗透率的关系,基于Kozeny-Carman公式进行合理地假设及推导,得到应变与渗透率的数学关系式。最后,利用蠕变–渗流试验数据验证时,发现应变–渗透率公式能很好地反映蠕变–渗流过程中的耦合规律。结论能为应力场–裂隙场–渗流场耦合研究提供一定的参考价值。     

卸围压条件下砂岩变形破坏特性试验研究

从可释放弹性应变能角度对岩石卸围压条件下破坏特性进行研究,利用MTS815电液压伺服可控制刚性试验机进行保持轴向变形不变的卸围压试验,根据卸围压试验数据,分析了该砂岩卸围压过程中变形、强度、弹性模量及能量变化特征。结果表明:随着围压逐渐降低,岩样发生侧向不断扩容;轴向应力逐渐降低,呈现出非线性特征;弹性模量在初始阶段几乎不变化,越过破坏点之后大幅降低;可释放的弹性应变能在初始阶段增大比较缓慢,当围压降低至一定程度时急剧增大;推导出基于可释放弹性应变能的卸荷岩石的整体破坏准则Ue0。     

解吸-渗流作用下煤体变形及渗透规律试验研究

以铁新煤矿9#煤为原料制成的型煤为研究对象,利用自行研制的应力-解吸-渗流煤体变形试验装置,开展了不同围压和孔隙压力条件下的解吸-渗流试验.结果表明:在解吸-渗流过程中,围压恒定,孔隙压力以0.5 MPa/次的梯度降低时,煤体径向变形在1.0~1.5h内达到稳定;孔隙压力降低过程中,煤体径向应变增大,孔隙压力与径向应变呈二次函数关系,且解吸作用对煤体变形有一定的影响;在围压为5.0 MPa时,随着孔隙压力的减小渗透率先减小后增加,表明渗透率存在一个最小值,并且围压越大,最小渗透率对应的孔隙压力越大,渗透率存在最小值是由于解吸和有效围压的共同作用.     

基于对数正态分布的岩石损伤统计分析方法研究

以Mohr强度理论为基础,利用岩石微元强度服从对数正态随机分布的特点,得到了三轴压缩条件下的岩石损伤统计本构模型,并根据试验曲线采用最小二乘法确定出模型参数．与试验结果比较,该模型可以很好地模拟岩石破裂过程的全应力应变关系,真实反映了岩石软化特性、岩石强度随围压变化等特性．在此基础上,讨论了对数正态参数R0,S0对岩石应力应变全过程曲线的影响．结果表明,参数R值的变化对岩石的强度有影响;参数S0值的变化对岩石的脆性有影响．     

高围压卸荷条件下大理岩变形破坏及能量特征研究

能量的耗散与释放是岩石变形破坏的本质。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,通过室内三轴卸荷试验和数学物理分析方法,揭示了大理岩在高围压三轴卸荷条件下的应力应变关系及能量变化特征。结果表明,初始围压的增大将显著提升岩样峰值强度时的可释放应变能以及最终总能量;随着围压的增大,岩样所吸收的能量变化的快慢程度随着偏应力变化而有所减缓;峰值强度时岩样可释放应变能占总能量的比例随着围压的增大而急剧增大,而残余强度时所吸收的总能量几乎全部转化为耗散能;大理岩能量指标存在明显的围压效应,即峰值总能量和残余总能量随着围压增大而显著提高,且具有良好的线性关系。     

Creep properties and permeability evolution in triaxial rheological tests of hard rock in dam foundation

Triaxial creep tests were carried out under seepage pressure by using rock servo-controlled triaxial rheology testing equipment. Based on experimental results, rock rheological properties influenced by seepage-stress coupling were studied, and variations of seepage rate with time in complete creep processes of rock were analyzed. It is shown that, when the applied stress is less than failure stress level, the creep deformation is not obvious, and its main form is steady-state creep. When applied stress level is greater than or less than but close to fracture stress, it is easier to see the increase of creep deformation and the more obvious accelerative creep characteristics. The circumferential creep deformation is obviously higher than the axial creep deformation. At the stage of steady-state creep, the average of seepage flow rate is about 4.7×10⁻⁹ m/s at confining pressure (σ ₃) of 2 MPa, and is about 3.9×10⁻⁹ m/s at σ ₃ of 6 MPa. It is seen that the seepage flow rate at σ ₃ of 2 MPa in this case is obviously larger than that at σ ₃ of 6 MPa. At the stage of creep acceleration, the seepage flow rate is markedly increased with the increase of time. The variation of rock permeability is directly connected to the growth and evolution of creep crack. It is suggested that the permeability coefficient in complete creep processes of rock is not a constant, but is a function of rock creep strain, confining pressure, damage variable and pore water pressure. The results can be considered to provide a reliable reference for the establishment of rock rheological model and parameter identification.     

Numerical modeling of permeability evolution based on degradation approach during progressive failure of brittle rocks

The permeability evolution of rock during the progressive failure process is described.In combination with the strength degradation index,the degradation formulas of s and a,which are dependent on the plastic confining strain component,the material constants of Hoek–Brown failure criterion are presented,and a modified elemental scale elastic–brittle–plastic constitutive model of rock is established.The relationship between volumetric strain and permeability through tri-axial compression is investigated.Based on the above,a permeability evolution model is established.The model incorporates confining pressuredependent degradation of strength,dilatancy and corresponding permeability evolution.The model is implemented in FLAC by the FISH function method.The permeability evolution behavior of rock is investigated during the progressive failure process in a numerical case.The results show that the model is capable of reproducing,and allowing visualization of a range of hydro-mechanical responses of rock.The effects of confining pressure on degradation of strength,dilatancy and permeability evolution are also reflected.     

弱胶结泥质软岩的三向压缩损伤特性

针对西部矿区弱胶结软岩在复杂应力状态下的损伤行为,采用三轴压缩试验和等效应变原理,得到泥岩在三轴压缩下损伤变量的演化规律.基于weibull分布,引入修正系数λ建立可考虑泥岩残余阶段变形的统计损伤本构模型.结果分析表明：在三轴压缩下损伤变量呈先减小后增大的变化趋势,损伤演化过程没有水平段,表明受压时泥岩没有实际意义上的线弹性阶段;损伤变量减增变化的转折点恰好为全应力-应变曲线的屈服点和残余阶段起始点,说明该类泥岩的破坏起始于屈服点;当围压<3 MPa时,损伤起始点随围压增大而后移,当围压>3 MPa时,损伤初始点有前移的趋势,高围压下泥岩的峰前塑性提高,产生整体塑性剪切破坏;本构模型能够较准确地描述泥岩破坏的三阶段.     

一种基于统计损伤本构关系的岩石脆性评价新方法

脆性评价对岩石（尤其是深部岩石）的可压裂、开挖损伤及岩爆等特性的研究具有重要意义.为此,总结国内外岩石脆性评价方法,基于现有脆性指数在定量表征岩石脆性程度中的局限性,考虑能够模拟岩石应力-应变全过程曲线的统计损伤本构模型,分析岩石的损伤演化特征,提出一种基于统计损伤本构关系的岩石脆性特征评价新方法,建立脆性指数B_D定量表征岩石的脆性程度,通过模型理论论证和室内三轴压缩试验验证脆性指数的合理性.结果表明:脆性指数B_D能很好地表征岩石的脆性特征,基于统计损伤本构关系的岩石脆性评价方法具有较好的适用性;通过大理岩、花岗岩以及塔木素黏土岩不同围压下的物理实验,验证脆性指数B_D的正确性及相比其他方法的优越性;随着围压的增大,塔木素黏土岩表现出明显的脆性破坏向塑性破坏转变的特征.     

Seepage characteristics of collapse column fillings

With concealment and hysteresis,water-inrush from Karst collapse column has become an important security hazard of lower group coal mining in North China.Based on the MTS8 15.02 seepage test system,we analyzed the impact of consolidation pressure,initial moisture content and confining pressure on the permeability of fillings in order to study the seepage characteristics of collapse column fillings.The results show that:(l)The permeability of collapse column fillings is of the order of 10~(-16)-10~(-15) magnitude and decreases with an increase in consolidation pressure and decrease in initial moisture content.(2) The essence of filling seepage law change is the change in porosity,and a power function relationship exists between the permeability ratio and porosity ratio.(3) With increasing confining pressure,the permeability of fillings decreases.However,under low confining pressure(1.2-4 MPa),the change of confining pressure has no obvious influence on the permeability.     

三维动静组合加载下花岗岩能量耗散试验研究

利用改造的三维霍普金森试验系统(split Hopkinson pressure bar, SHPB),选取4个轴压水平(25, 50, 75和100 MPa)和4个围压水平(0, 5, 10和15 MPa),对应开展4种应变率(约70, 90, 110和130 s^-1)下花岗岩三维动静组合加载试验研究,分析静载轴压、静载围压和应变率对花岗岩受冲击过程中能量耗散的影响规律,并讨论其破坏模式。试验结果表明:轴压增大时,花岗岩破坏时单位体积吸收能逐渐降低;围压或应变率增大时,单位体积吸收能逐渐升高。岩石储能极限在能量耗散过程中发挥关键作用,且不同情况下具体表现不同:储能极限与初始储能的差值影响岩石受冲击时的吸能值;当岩石在静载下进入损伤阶段初期时,储能极限与初始储能的比值决定岩石受冲击时的释能值;当岩石在静载下进入损伤阶段后期甚至发生屈服时,储能极限值正比于岩石释能值。此外,岩石破坏模式与单位体积耗散能关系密切:应变率相似静载组合变化时,破碎程度与单位体积吸收能变化呈负相关;静载组合确定应变率梯度变化时,破碎程度与单位体积吸收能变化呈正相关。     

地层压力变化对渗透率的影响实验研究

储层岩石在地下随有效应力改变而发生变形,从而影响其渗流特性。利用从美国引进的三轴向岩石力学测试系统,从岩石的力学特性入手,研究了储层岩石在地层压力下降和压力回弹过程中的变形特征及渗透率变化规律。实验发现,储层岩石的受力变形不是完全弹性的,在地层流体压力回弹过程中,部分变形不可恢复,地层压力恢复时机越晚,产生的塑性变形越大,地层压力恢复后的渗透率保留率越低。对于某些储层岩石,当上覆压力增大,超过其抗压强度后,又会产生裂缝,从而改善其渗透性能。     

溶蚀作用对破碎泥岩渗透特性的影响

为研究溶蚀作用对破碎岩石渗透特性的影响,研制一种可测量质量流失条件下破碎岩石渗透特性的试验系统.在破碎泥岩的渗透试验中掺入岩盐模拟自然条件下存在的溶蚀现象,加速溶蚀过程.讨论溶蚀作用下破碎泥岩渗透特性的演化规律,分析溶蚀作用下渗透压力、岩盐质量和泥岩颗粒粒径对破碎泥岩渗透特性的影响.结果表明:溶蚀作用导致破碎岩石内易溶物质和细小颗粒的流失极易破坏岩样内部的孔隙结构和骨架结构,由此造成结构内部导水通道的扩大和渗透参数的突增.其渗透参数基本与渗透压力、岩盐质量和泥岩颗粒粒径呈正相关关系.且对于渗透压力较大、岩盐质量较高和泥岩颗粒粒径较大的岩样,由于溶蚀作用的存在容易发生更明显的导水通道扩大现象.此外,在岩样的渗流过程中,也存在由于颗粒迁移导致的导水通道堵塞造成的渗透参数逐渐减小的现象.