级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

饱和破碎砂岩压实过程中粒度分布及能量耗散

分别对不同级配(Talbot指数为0.2,0.4,0.6和0.8)侧向受限饱和破碎砂岩进行压缩,利用显微CT观察了试样内部孔隙结构的变化规律;基于分形理论,定量研究了粒度分布特征;通过计算应变能密度,分析了能量耗散特征。结果表明,在16 MPa轴向应力下,轴向应变为0.304 5~0.324 1;在压实初期,试样结构松散,颗粒间接触不稳定,孔隙尺寸较大且联通性好;而在压实后期,试样密实,孔隙形状多为稳定的三角形。粒度分布具有分形特征,分形维数范围为1.733 1~2.561 0。当轴向应力为0~4 MPa时,颗粒破碎发生急剧,分形维数快速增大;而在4 MPa后,颗粒破碎发生较少,分形维数缓慢增大。变形引起的能量耗散随着轴向应变和分形维数的增大而加速增大,当轴向应变大于0.17或分形维数大于2.1后,应变能密度急剧增大。初始粒径配比对粒度分布和能量耗散均有影响,相同轴向应力下,Talbot指数越大,分形维数越小;相同轴向应变下,Talbot指数越大,应变能密度越小。     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

颗粒粒径对采空区破碎煤体压实破碎特征影响机制

煤矿采空区垮落带一般由破碎煤岩体组成,在垮落带压实过程中,破碎煤岩体的破碎特征直接影响着垮落带的物理力学性质及孔隙渗流特征。为了研究不同粒径破碎煤样压实过程中的破碎特征及其影响机制,构建了基于曲率半径与接触应力的颗粒材料屈服准则,进行了不同粒径破碎煤样的实验室压实试验与三维数值模拟研究。颗粒破碎准则表明影响颗粒破碎的主要参数为接触颗粒尺寸和接触颗粒的材料参数。得出垮落带相同压实应力条件下,破碎煤岩体尺寸越大,破碎煤岩体之间的接触应力越小。在实验颗粒粒径范围内,加载至相同应力状态下,颗粒粒径越大越不容易破碎,根据加载前后的级配数计算获得的破碎率越小。进而提出颗粒配位数(颗粒接触数)是加载过程中粒径对破碎率影响的主要原因。拥有较少配位数的小颗粒在传递相同应力的时候具有更大的偏应力进而导致相对于多配位数颗粒更容易破碎。加载过程中的量化模拟结果表明在初始粒径颗粒全部破碎时,3种粒径颗粒(10,15以及20 mm)中数量大于100子颗粒的占比分别为6.7%,24.6%,31.5%。随着破碎煤样的加载,不同粒径煤样最大颗粒对应的配位数不断增加,使得破碎煤样能够承受的应力远超过其自身强度。在颗粒配位...     

基于CT扫描的饱和破碎灰岩侧限压缩下微观结构演化特征

为探求破碎岩体在压实过程中微观结构的演化规律,对饱和破碎灰岩进行侧向受限压缩试验,进行了试样内部微观结构形态的显微CT扫描;定量描述了压实过程中灰岩颗粒的破碎程度,分析了孔隙度与颗粒平均粒径之间的关系;基于图像处理技术,定量分析了颗粒表面形貌的演化规律。试验结果表明：在饱和破碎灰岩压实过程中,颗粒破碎现象普遍存在,试样内部孔隙被压缩或充填,孔隙间连通性变弱。颗粒的初始配比影响试样孔隙度,相同轴向应力下,随着Talbot指数的增大,试样孔隙度单调增大。孔隙度与颗粒平均粒径之间满足线性关系,孔隙度的变化可以作为描述颗粒破碎程度的一个有效参量。随着轴向应力的增大,颗粒的圆形度单调减小,颗粒表面形貌越来越规则,圆形度与轴向应力之间满足指数关系。该研究有助于深入了解破碎岩体的变形机制。     

破碎煤岩体瓦斯-水相对渗透特性试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周破碎煤岩体中瓦斯-水相对渗透特性,利用自主研发的破碎岩体气液耦合渗透试验系统,采用稳态渗透法开展了瓦斯-水耦合渗透试验,得到了煤样渗透参数随渗透压和轴向压力的变化特征,并分析了渗透参数间的相互影响关系。结果表明：承压破碎煤岩体孔隙度随轴向压力的增加呈快速下降、缓慢下降和趋于稳定的阶段性特征;随着含水饱和度的增加,煤样气体相对渗透率快速下降,水相对渗透率线性上升,气体和水相对渗透率表现出竞争关系,且气体渗透率对于含水饱和度的敏感程度更高;气体和水的总渗透率随有效应力的增加而减小,服从指数函数关系,有效应力会影响破碎煤岩体孔隙结构的变形过程,随孔隙度的减小,气体有效渗透率降低,相对渗透率增加;渗透压对于水和气体相对渗透率的影响可分为气体占优阶段、等渗阶段和水占优阶段,临界渗透压取值范围为0.4～0.6 MPa。     

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析

煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：① 轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;② 恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③ 不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。     

不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征研究

承压破碎煤岩在不同环境湿度下的变形及破碎量不同,为探究不同环境湿度下承压破碎煤岩变形与破坏过程中的分形特征,利用自制破碎岩石压实装置,结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统,对不同环境湿度下的破碎煤岩进行侧限压实试验,分析不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征。结果表明:1)随着轴向应力的增大,破碎煤岩的分形维数从2.38增加到2.64,逐渐接近分形破碎极限,其变化过程可分为6 MPa以前的迅速增加阶段和6 MPa以后的缓慢增加阶段;2)分形维数随环境湿度的增加而增大,且在高应力下增幅较大,但增速逐渐减缓;3)蠕变时间从30 min增加到160 min,分形维数仅增加了0.06,说明时间效应对分形维数影响较小;4)相对破碎率Bg随轴向应力变化呈对数增长,与分形维数之间具有线性关系。可见,随着环境湿度的增长,破碎煤岩的承载能力有所下降,该结论为进一步研究巷道围岩稳定性和地表沉陷提供依据。     

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。     

侧限压缩下破碎矸石混合粒径非Darcy流渗透特性

房柱式及巷式矸石充填开采中,煤柱与矸石两两相隔,破碎矸石充填体处于侧限压缩状态,破碎矸石的密实程度、孔隙特征及渗透特性对于煤层瓦斯流动及地下水渗流的控制具有重要的价值。基于稳态渗透法及轴向位移控制法,利用一套自制的破碎岩体渗透试验系统,测定了破碎矸石在不同混合粒径下承压过程中的非Darcy流渗透特性,得到渗透特性(渗透率k和非Darcy流β因子)随孔隙率的变化规律。研究表明:1)雷诺数计算及孔压梯度与渗流速度关系曲线说明破碎矸石的渗透特征属于非Darcy流;2)孔隙率随着压缩位移的增加而减小,对于混合粒径试样,较小颗粒充填到较大颗粒的孔隙中,是使岩样的初始孔隙率减小的主要原因;3)在侧限压缩下,大颗粒受挤压破碎是产生0~2.5 mm粒径的原因,而渗流造成细小颗粒质量流失;4)侧限压缩下,渗透率总的趋势减小,而非Darcy流β因子增加,但在压缩过程中,渗透特性的变化趋势受颗粒粒径的影响会出现局部波折,说明破碎矸石的渗透特性与侧限压缩位移、颗粒粒径大小、压缩破碎、排列方式及孔隙结构(通道)有关。     

破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

矸石集料承载力学特性模拟研究

为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律,采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置,开展了不同矸石粒径（0～5,5～10,10～15,15～20,20～25,25～30 mm）、轴向应力（2.5,5.0,7.5,10.0 MPa）、加载速率（0.05,0.10,0.50,1.00 mm/s）影响下破碎矸石集料压实试验,研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响;基于PFC^3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型,探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律,揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明：矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段,随着轴向应力逐渐增大,矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙,颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触;不同加载速率下,矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布,轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系;相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎,矸石颗粒克服变形消耗摩擦能,有利于强化整体的摩擦效应;矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长,覆...     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

不同加载速率下破碎岩石承压变形特性研究

为了研究破碎岩石在不同加载速率条件下的承压变形,以特定粒径的破碎岩石为试验对象,考虑破碎岩石在地下的受力情况及粒径分布特征,对破碎岩样采取改变加载速率的方式进行试验。试验结果表明:破碎岩样在不同加载速度下达到峰值压力的时间与加载速率呈现负相关关系,加载速率为5 mm/min时达到峰值压力需要的时间最短,只需300 s,其荷载-时间曲线近似呈现弹性变形;在不同加载速率条件下应力-应变曲线均呈现"上凹"的形式,随加载速率的增加,曲线逐渐趋于平缓;变形模量-应力曲线均呈现近似线性变化,变形模量峰值与加载速率呈反比,并在加载速率为1 mm/min条件下达到峰值压力时的最大变形模量,为360 MPa;筛分试验过后的破碎岩样,以粒径为0～2 mm的岩样为例,在加载速率为5 mm/min时的占比是加载速率为1 mm/min时的1.17倍。岩样在承压过程中剪应力导致颗粒细化滑移是岩样产生变形的关键因素。     

承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究

为研究承压破碎煤体渗透特性参数演化规律,利用自主设计的承压破碎遗煤渗透率演化实验装置,开展了不同粒径配比煤样在不同轴压下的渗透率演化实验。实验结果表明:(1)在相同应力作用下,随着煤样粒径的增大,其渗透率逐渐变小,且较大粒径范围煤样的渗透率较小;在应力增加量相同的条件下,随着煤样粒径的增大,其渗透率的变化率越大,且混合粒径范围较大煤样渗透率的变化率均高于单一粒径或粒径范围小的煤样的变化率。(2)在较低孔隙压力范围内,煤样的渗透率均随孔隙压力的增大呈现出降低趋势,且存在一个轴压的临界值(9 MPa左右)。当轴压小于该临界值时,随着孔隙压力的增加,煤样渗透率的变化趋势更明显;而当轴压大于该临界值时,煤样渗透率的变化趋势较为平缓。(3)加载初期,随着孔隙率的减小,渗透率近似线性下降;当轴压达到9~12 MPa时,渗透率随孔隙率的下降较为平缓;继续增加轴压,渗透率随孔隙率的减小而急剧降低。     

破碎围岩注浆加固体承载特性与损伤破坏机制

注浆加固是提升破碎围岩整体性及其承载性能的重要途径,破碎围岩注浆加固体强度、损伤变形及其破坏特征决定加固体抵御外载扰动并维持围岩稳定的能力。选用不同粒径的破碎岩体并注入不同质量浓度水泥净浆,自凝固形成破碎围岩注浆加固体。基于声发射监测和DIC变形测量技术,探究破碎围岩注浆加固体力学承载机制,掌握“声发射-应力-表面位移”耦合规律及其动态响应特征,阐明注浆对破碎围岩承载能力的强化效应及加固体二次承载损伤破坏失稳机制,据此建立破碎围岩注浆加固体承载损伤本构模型。结果表明：(1)注浆加固体峰值强度随粒径的增大而减小,随水灰比的提高而降低。以水灰比0.4为例,粒径从5～10 mm增加到20～30 mm,注浆加固体强度从23.99 MPa降低到19.30 MPa,降幅达19.55%;以破碎岩石粒径为5～10 mm为例,水灰比从0.4增加到0.6,加固体强度从23.99 MPa降低到14.83 MPa,降幅达38.18%。此外,注浆加固体峰后阶段并未发生典型岩石材料的脆性破坏,应力-应变峰后曲线多次“起伏式”下降,呈现出良好的延展性和韧性变形特征。(2)声发射振铃累计次数曲线表现出明显的“上升期—...     

散体云母片岩击实破碎特性试验研究

以某露天矿散体云母片岩为研究对象,对散体岩石物料开展不同级配和含水率条件下的击实试验,分析散体物料的击实特性,以及最大干密度、最优含水率和孔隙比随粗颗粒含量的变化关系;在此基础上,引入Bg颗粒破碎指标,探讨击实过程中散体颗粒的破碎特性。研究表明:1)随粗颗粒含量的增加,散体云母片岩的最大干密度呈现先增大后减少的非线性变化关系,最优含水率和孔隙比则相反;2)当粗颗粒含量为60%～70%时,最大干密度值出现峰值,且试样含水率和孔隙比最小,说明该级配条件下散体物料压实度最好;3)当粗颗粒含量在10%及其以下时,在相同击实功作用下颗粒将不再发生破碎,与此同时,破碎率也不会随着含水率的改变而发生变化;4)粗颗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素,但相对于含水率而言,粗颗粒含量对破碎率的影响要更加显著。     

破碎矸石分级加载蠕变过程中的渗流试验研究

为研究破碎矸石变形后的渗流规律,利用渗透仪、液压泵等组成的渗流系统,在DDL600电子万能试验机上采用分级加载方式,对5种不同粒径破碎矸石进行了蠕变过程中的渗流试验,得到了各级应力水平下岩样的渗透参数,及其Kelvin-Volgt蠕变模型中的各特征参数E0,E1,η1,并对其变化规律进行了分析。结果表明:1)不同粒径岩样随着应力水平的变化,其孔隙度大小差异逐渐减小,同一应力水平下,颗粒间的相互调整随时间推移逐渐停止;2)破碎岩样的蠕变参数E0,E1,η1均随应力水平的提高而增大,小粒径矸石的比面较大,在压缩过程中与其他粒径岩样相比其轴向变形小、蠕变参数E0大,大粒径矸石颗粒间的充填效果明显且其变形大,孔隙连通性减弱,渗流时黏滞阻力大;3)随着孔隙度减小,岩样的渗透率与非Darcy流β因子的绝对值两者近似呈反比关系。破碎矸石密实度越大非Darcy流特性越显著,当颗粒细化程度较大时,破碎矸石渗流过程中易发生渗流失稳。     

沁水盆地南部煤层气井排采储层应力敏感研究

为分析煤层气排采不同阶段煤储层应力敏感性及渗透率变化的影响因素,采集沁水盆地南部煤样,开展了不同实验条件的应力敏感实验。结果表明:有效应力从0增加到10 MPa时,煤样渗透率减少了50%~70%;有效应力从10 MPa增加到20 MPa时,损失量仅约占初始渗透率的10%;有效应力低于2.5 MPa时,应力敏感性较强;有效应力增加到3.5 MPa的过程中,渗透率损害系数急剧上升,渗透率损耗为20%~30%;有效应力从2.5 MPa增加到9 MPa时,应力敏感性最强,有效应力从3.5 MPa上升至9 MPa时,渗透率损害系数快速下降,渗透率损耗约60%;有效应力自9MPa之后,渗透率损害系数缓慢下降,渗透率损耗约10%;渗透率损害率介于30%~65%,临界应力为7~11 MPa。有效应力较低且不变时,煤样渗透率随孔隙压力增加而增加。围压不变时,随有效应力下降和孔隙压力增加,煤样渗透率下降,这与有效应力和孔隙压力变化引起的煤储层渗透率变化量有关。