真三轴状态下煤岩单体的强度变形特性及破坏模式研究

煤矿巷道顶板具有特殊的煤—岩层状结构,研究煤岩单体的强度变形特征,对于巷道稳定性控制有着重要意义。以山西华晋韩咀煤矿为工程背景,使用中国矿业大学自行研制的岩石真三轴电液伺服加载试验系统分别对煤和岩石相似材料开展真三轴试验,分析了真三轴条件下中间主应力对两者在强度及变形方面的影响。研究表明：二者的峰值强度与峰值应变都随着中间主应力的增大而呈现出先增加后减小的趋势,且这种趋势受到最小主应力的影响;在中间主应力不断增大的过程中,煤样的破坏经历了从剪切破坏向劈裂—剪切组合破坏的过程;此外,当中间主应力过大时,二者会经历延性—脆性转化的过程。上述分析表明：中间主应力对煤岩体的破坏起到先保护后促进的作用。     

真三轴加卸载条件下巷道周边裂隙岩体变形破坏试验研究

岩体内含有大量的节理裂隙,在巷道开挖卸荷施工过程中,裂隙会暴露出来,并影响岩体工程结构的整体稳定性。为了更清晰地表现裂隙岩体的变形破坏特征,进行了真三轴卸载试验,采用依托于“微机控制电液伺服压力试验机”改进的真三轴试验机,以地下深埋巷道为原型,对含有不同倾角裂隙的混凝土试样进行加卸载试验,并使用有限元理论对单轴压缩试验进行模拟,研究了卸荷条件下试样的变形破坏特征及应力脆性跌落系数规律。结果表明：① 试验加载初期试件呈现出明显的压密现象,且试件裂隙倾角越大,压密现象越明显;② 随试件裂隙倾角增大,卸荷变形呈上升趋势,即扩容现象呈上升趋势;③ 裂隙倾角越小,越容易形成脱落性破坏;随裂隙倾角变大,破坏向远离卸荷面方向转移;并且,主要破坏形式为拉伸破坏,相对于单轴压缩试验,扩容造成的破坏特征更加明显;④ 随裂隙倾角增大,试件应力脆性跌落系数增大,间接显示出试件由脆性向延性转化的倾向,试件脆性破坏特征削弱。     

三轴压缩煤岩强度及变形特征的试验研究

在MTS815岩石伺服试验机上对鲍店煤矿3煤进行了常规三轴压缩试验,并对试验结果进行了分析.结果表明：煤岩由于含有大量的微孔隙裂隙,在围压作用下,孔隙裂隙被压密闭合,弹性模量随之增大,但并非呈线性关系.在常规三轴压缩条件下,煤样三轴压缩强度与围压之间呈线性关系（不包括单轴压缩情况）,在实验的围压范围内,煤岩破坏符合Coulomb强度准则,但由于煤样具有明显的非均质特性,其内部含有大量的随机裂隙等缺陷,且煤样黏聚力较低,煤样沿随机裂隙破裂偏离θ=45°+Φ/2的可能性很大.     

卸荷排水条件下土体变形试验研究

基坑开挖若采取慢速施工或者人工开挖的方法,由于土层透水性能好,基坑中水比较容易排出,通常近似认为固结排水过程。文章介绍的是在真三轴上模拟基坑开挖周边土体的应力路径,进行了排水卸荷试验,通过对试验成果的研究,分析了卸荷排水状态下土体的变形性质。     

断续预制三裂隙砂岩变形破坏特征的试验研究

采用岩石力学伺服试验机,对预制三裂隙砂岩进行单轴压缩试验,并结合RFPA2D数值计算,对其强度和变形破裂特性进行了分析和探讨。研究结果表明,三裂隙砂岩以剪切错动破坏为主,但最终失稳裂纹并非初始扩展裂纹,数值模拟获得的力学参数及破裂行为与室内试验具有较好的一致性;随着侧压力和加载速率的增大,三裂隙砂岩的峰值强度和峰值应变逐渐增大,但弹性模量变化幅度较小。研究成果可以为煤矿巷道、硐室等地下工程的稳定性分析与控制提供一定的理论依据。     

真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。     

真三轴加卸载下砂岩力学特性的速率效应

为研究砂岩力学特性的速率效应,开展砂岩真三轴加卸载试验.试验结果表明:加、卸载速率对砂岩力学特性有明显影响,随着加载速率的增大,岩石弹性增强,三轴抗压强度增大,变形发育更充分,岩石破坏时围压水平提高,破坏更加迅速,所需时间减少,破坏时应变增大;而随着卸荷速率的增大,岩石的弹性承载能力减弱,强度降低,破坏时卸载方向变形增大,岩石破坏时围压水平降低,但卸载速率越小,岩石最终破坏时裂纹发育越充分;加卸载过程中,岩石变形模量逐渐劣化损伤,加载速率越大,卸荷速率越小,变形模量的劣化损伤变慢.     

人工冻土瞬时三轴剪切强度特征的试验研究

本文介绍我国人工冻土(采自安徽、江苏、河南和山东几个矿区)在北京建井研究所低温试验室内进行瞬时三轴剪切强度特征研究的试验方法及试验所取得的成果。     

真三轴加载条件下含瓦斯煤体复合动力灾害及钻孔卸压试验研究

煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害严重威胁矿山安全高效生产。煤矿进入深部开采后,受原岩应力升高及地质赋存条件变化的影响,冲击与突出复合型动力灾害呈逐渐增多趋势,其发生原因、机理较单一动力灾害更为复杂。因此研究深部煤矿复合动力灾害致灾机理对于动力灾害的有效防治至关重要。本文基于自主研制的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了考虑气体影响的完整煤样和卸压孔煤样的5面加载、单面临空试验。结果表明,复合动力灾害是煤岩在应变能和气体内能作用下非线性瞬发性破坏的动态过程。其发生过程具有明显的阶段性,主要经历颗粒弹射、碎片弹射、局部煤体破坏、煤体抛出失稳和重新平衡状态,煤样破坏后形成明显弧形阶梯状煤体抛出坑。中间主应力在一定范围内有增强煤样强度的特性,试样强度随中间主应力的增加而逐渐增加,试样破坏后形成平行于中间主应力方向的主断裂面。钻孔卸压措施可在一定程度上改善煤岩力学性质,软化煤岩结构,降低煤岩强度,增强其塑性变形特性,使集聚的弹性能量缓慢释放,降低动力灾害发生的可能性。对比试验结果表明,卸压孔平行于中间主应力时煤样产生的塑性区范围更大,塑性程度更强,钻孔后的试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构,...     

三轴循环加卸载作用下煤样变形及强度特征分析

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行三轴循环加卸载试验,对三轴循环加卸载条件下煤样的变形及强度特征进行分析。结果表明:在三轴循环加载过程煤样的变形表现出明显记忆性,循环加载过程的应力-应变外包络线与连续加载的应力-应变曲线相吻合。在煤样屈服前进行加卸载,加载时弹性模量始终低于卸载时的弹性模量,且随加卸载次数的增加,加卸载时的弹性模量均有小幅增加,过峰值后弹性模量与峰值前弹性模量相比有所减小,但仍高于第1加载的弹性模量。三轴压缩条件下煤样的峰值强度、残余强度与围压成正比,符合Coulomb强度准则。峰值强度、残余强度与围压回归得到的摩擦系数大致相当,黏聚力则减低54.4%。     

不同扰动条件下深部岩石真三轴岩爆试验研究

为了研究深部工程受不同扰动的变形破坏特性,以某深部铁矿花岗岩为研究对象,采用QKX-YB200伺服真三轴岩爆试验仪,对试样施加2种不同动力扰动,进行"预静载+动力扰动"下围岩破坏试验.研究结果表明:试样在动力扰动作用下,存在发生岩爆的阈值(轴向静应力比为90％),当轴向应力超过该阈值时,岩爆很快发生,且随着轴压持续增大...     

砂岩单轴三轴压缩试验研究

研究了砂岩在饱和、自然、风干三种状态下的单轴抗压强度特性和三轴抗压强度特性。在单轴、三轴压缩试验中得到了应力与纵向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线，单轴应力一纵向应变曲线在峰值前可分为3个阶段，三轴应力一纵向应变全过程曲线可分为4个阶段。根据三轴轴向应力和围压绘制丁莫尔圆，采用回归分析得到了强度准则和强度参数C、Φ值，并且分析了含水量对岩石强度的影响，其实验结果能为工程提供参考与借鉴。     

真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为试验研究

借助于多功能真三轴流固耦合试验系统,基于深部初始高地应力状态还原思路,对砂岩进行了不同应力路径、不同模拟深度下的真三轴正交力学试验,获得了真三轴不同工况下砂岩变形全过程应力-应变曲线,深入分析了砂岩在Z,Y,X三个方向上的渐进变形演化规律,表征了真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为演化特征,较好地反映了与之相对应的深部矿井巷道开挖后围岩的渐进变形演化特征及其渐进破坏力学机制。研究结果表明:①同一应力路径、不同模拟深度下的砂岩峰值强度随模拟深度的增加而不断增大,这表明深部效应对砂岩强度演化规律存在显著影响;②同一模拟深度、不同应力路径下的砂岩Z向主应变随Z向主应力的增大而不断增加,X向主应变却是随Z向主应力的增大而不断减小,这表明应力加载路径是影响砂岩X方向与Z方向渐进变形破坏机制的一大因素;③路径2与路径3下的砂岩Y向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,而路径1下的砂岩Y向主应变却是随着模拟深度的增加呈现出先增大后减小的渐变规律,这说明应力卸载程度会显著影响砂岩Y方向的渐进变形特征。另外,不同应力路径下的砂岩X向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,深部效应显著。     

类岩石试件三轴扰动破坏特性试验研究

为研究高应力围岩扰动破坏机制,开展了不同围压下类岩石试件的三轴常规压缩和三轴循环扰动试验,得到了试件的扰动应力–应变规律和变形破坏特征,并对试件开展了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)成像试验,从微观角度进一步阐明了试件扰动破坏机理。研究结果表明:(1)试件在不同围压下均存在一个阈值强度,轴向荷载超过阈值强度后,轴向变形对扰动变得敏感,再次施加扰动会引起试件显著变形,当轴向荷载低于阈值强度时,变形对扰动不敏感。阈值强度与极限强度的比值可以反映试件的抗扰动能力,随着围压增大,该比值呈现逐步递减的规律,说明高围压下试件抗扰动能力下降,对扰动作用更敏感。(2)扰动作用下类岩石试件存在弱化效应,如常规三轴10 MPa围压下试件表现出腰鼓破坏,而受扰动作用后,试件呈现斜切脆性破坏,与常规三轴5 MPa围压下破坏形态相近。(3)岩石试件在高应力作用下进入塑性流动状态,内部颗粒重新排列,内部小孔隙与大孔隙的占比减少,而中孔隙的占比显著增多,试件内部孔隙率整体降低。     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

真三轴剪切渗流试验系统的研制及应用

为研究剪切变形对煤体瓦斯渗流的影响,研制了真三轴剪切渗流试验系统,解决了以往剪切渗流试验仅受剪切应力和法向应力两向应力影响,以及剪切过程瓦斯渗流的密封性问题,实现了真三轴剪切变形下的瓦斯渗流试验研究。利用该系统进行了型煤试样在瓦斯压力为1 MPa下的真三轴剪切渗流试验,结果表明煤体在三向不等应力环境下发生了明显的剪切破坏,应力、位移、渗流速度随时间的变化曲线具有明显的对应关系,瓦斯渗流速度呈现出先快速下降后缓慢下降,试样发生剪切破坏后渗流速度呈略微增长的趋势。该系统为进一步研究剪切变形对煤体瓦斯渗流的影响提供了新的测试手段。     

真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理,采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统,以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象,进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明,真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则,相比于其他试验路径,真三轴加载路径下试件强度最大,复合加卸载路径下试件强度次之,σ₂、σ₃发生转换时,试件强度显著降低;试件破坏时,真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多,真三轴卸载路径次之,真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少,σ₂、σ₃发生转换时试件渗透率显著增大;此外,复合煤岩体试件破坏特征具有规律性,真三轴加载路径下,σ₁-σ₂平面煤体中出现剪切裂纹,并在煤岩交界面处交汇,真三轴卸载和复合加卸载路径下,σ₁-σ₂平面上裂纹从煤体...     

考虑瓦斯吸附作用的真三轴煤体剪切渗流特性试验研究

在煤炭资源科学开采过程中,煤层内部伴有复杂的瓦斯运移行为,其常处于真三轴应力状态,而当前物理试验不能反映瓦斯吸附饱和煤体的真实受力的动态状况,为此,利用自主研制的真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统,开展了以甲烷和氦气作为吸附介质、渗流介质的煤体吸附渗流试验,对比分析了甲烷吸附在真三轴应力环境中对煤体变形和渗透率等影响的作用机理。试验结果表明:1)与氦气吸附试验定量对比分析可知,甲烷吸附作用受围压性质影响,在柔性围压一侧容易产生膨胀变形,而在刚性围压一侧产生微小变形;2)在不同的真三轴剪切应力环境中,中间主应力越大,煤体最小主应力方向上的应变速率越大;3)中间主应力效应具有双重作用,中间主应力效应与围压效应存在差异,当中间主应力超过一定的应力范围后,煤体峰值强度降低,其渗透率提高。研究成果为治理煤与瓦斯突出、提高煤层气抽采率提供了试验参考依据。