清水钻井液作用下煤岩声学特性试验研究

为了研究钻井过程中煤岩性质变化,测量并分析了不同围压下煤岩浸泡前后纵波、横波速度与首波幅值特征。试验结果表明:煤岩的纵波速度及首波幅值随浸泡时间增长而增大,横波速度及首波幅值随浸泡时间增长而减小;煤岩浸泡清水钻井液后弹性模量变小、泊松比变大,且随浸泡时间增长而愈加明显;煤岩纵波、横波速度与首波幅值均随围压增大而增大;浸泡后纵波速度及首波幅值明显变大,浸泡前后的速度差值随围压的增大而减小,而首波幅值差值随围压的增大而增大;浸泡后横波速度及首波幅值均小于浸泡前,且二者的差值随围压的增大而增大。根据煤岩失效结构、吸水量及弹性参数变化特征,分析认为:钻井液渗入煤岩层理面,其润滑及支撑作用会降低层理面结构强度,导致煤岩沿层理弱面破裂失效。     

环氧树脂三轴应变计与岩体应力量测

圆筒形环氧树脂三轴应变计用于单孔测定岩体三维应力。它的力学性质、几何尺寸与岩体应力的测量结果有密切关系。应对环氧树脂材料的力学性态作多方面测定,并由此确定温度及蠕变对弹性模量的影响、蠕变引起的虚假应变,以便供应力测量时选用合适的弹性模量之用及修正测得的应变值。为检验应变计,将其粘结于铝试块中央直径36mm 的圆孔内,做单向压缩实验。实验表明这种应变计的测量精度是好的。现场应力测量在旗山矿-700m 水平的石灰岩中进行。经过对含应变计岩芯截开检查及应变-解除距离曲线的检查分析,可以证实提供的岩体应力状态资料是可靠的。     

川东南地区龙马溪组页岩声波特性研究

为了探究龙马溪组页岩声波传播特性的规律,选取川东南地区下志留统龙马溪组页岩野外露头岩块,采取沿平行层理和垂直层理方向钻取岩芯,采用多频率超声波透射法系统地分析了龙马溪组页岩不同层理方向的岩石纵横波速度和密度的关系。研究结果表明,川东南地区龙马溪组页岩的纵横波速度呈显著的线性正相关,且其相关性不受层理方向影响;沿平行层理方向的纵横波速度明显大于垂直层理方向的纵横波速度;页岩纵、横波速度均与岩芯密度具有明显线性正相关;沿平行层理方向页岩纵、横波速度与层理密度呈线性正相关,而沿垂直层理方向页岩纵、横波速度与层理密度呈线性负相关。     

压头角度对点载荷作用下煤岩体内的应力分布影响研究

为研究压头角度造成点载荷试验结果差异的原因，采用理论分析和数值模拟方法研究压头角度不同时点载荷作用下煤岩体内部的应力分布规律。研究发现：在不同角度压头作用下煤岩体内部均产生压应力和拉应力；在垂直和水平剖面上，垂直应力分别呈现“倒置双峰形”和“圆环状”;加载点附近煤岩体受到各个方向的压应力作用，且随着与加载点距离的增大而减小，在加载点一定距离内受到垂直加载轴方向的水平拉应力和竖直拉应力，水平拉应力区呈圆球状。研究不同角度压头作用下煤岩体的应力状态，发现压头角度对应力分布形式影响较小，但在小角度压头作用下煤岩体内应力集中更加强烈，进而影响煤岩体试样破坏时应力值。     

纵波模式下的煤岩体动态响应特性与损伤机理

以圆柱煤岩体为研究对象,基于纵波的传播特征与波动控制方程,得出了纵波传播的频率方程,建立了纵波模式下位移、应变、应力、振速与能量动态力学计算模型。仿真计算结果表明:低阶纵波模式下,圆柱煤岩体中应力波的振动较为平缓,可近似认为是准静力载荷作用,煤岩体以剪切破坏为主,而且初始破坏位置主要分布在圆柱煤岩体底面(作用面)且临近表面的区域。高阶纵波模式下,沿圆柱煤岩体径向方向,位移、应变、应力、振速及能量的振动幅值均随着半径无量纲的增大呈现出衰减趋势,大致符合幂函数关系;剪切应力、应变振幅的极值最大,能量衰减速度最快;而且值得注意的是径向、轴向应力/应变振动幅值随着半径无量纲增大逐渐趋于一致,而且方向趋于相反。由此分析可知:圆柱煤岩体在无围压条件下易发生脆性劈裂破坏,主要由拉应力导致;在有围压条件下易发生近似圆锥形破坏,主要属于拉剪破坏;圆柱煤岩体底面(作用面)圆心处的位移、应变、应力、振速及能量动态变化幅值均最大,因此煤岩体损伤破坏的初始位置应为此圆心处。     

煤岩特性对超声波速影响的试验研究

超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明：纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。     

基于分段解除的深部空心包体应变计中非线性优化算法

随着浅部资源的日益枯竭,地下开采的深度不断增大,千米级乃至更深的矿产资源开采已成为常态。因此弄清深部岩体原岩应力的赋存环境是至关重要的,目前CSIRO地应力测量作为国际岩石力学学会建议直接测量方法,在世界各地广泛使用。在浅部岩体空心包体应变计地应力测量解析式中,弹性模量和泊松比都是通过室内双轴加载数据拟合获得的常数。进入深部岩体表现出高度的非线性,在对解除岩芯进行高压双轴加卸载试验中发现围压与应变的关系非线性,并且随着围压不断增大非线性关系尤为突出。传统的双轴加载试验设备最大围压加载值试验室内测得20 MPa,不能满足深部岩体解除岩芯的高压双轴试验模拟解除岩石在深部所受的应力环境。因此对传统的设备进行改造,研发了一套高压双轴加载试验装置,所承受的理论最大径向压力为200 MPa以上,目前试验测试的最大围压为100 MPa。对三山岛金矿埋深800 m的解除岩芯进行了高压双轴加卸载试验,分析应力与应变的关系提出一种平均应力与体积模量和剪切模量之间的非线性双曲线模型,明确了模型中3个拟合参数的物理意义,推导出平均应力与应变之间的非线性关系特征公式。基于弹性力学理论原岩应力分量计算在不考虑解除路径时,应用最小二乘法进行计算后获得最大主应力大小为53. 11 MPa,西北312°,倾角为8°。本文提出的考虑解除路径的优化算法,将整个解除过程分成多个阶段,每个阶段的变形模量计算参数与解除岩芯所受应力状态有关,且符合推导的应力与应变的非线性关系公式,各个阶段叠加计算的最大主应力大小为47. 78 MPa,西北311°,倾角为5°。     

高分辨率工程地震勘探横波（SH）反射法

大量实际资料表明,在松散地层中纵波速度受水饱和度的影响,故采用纵波反射法,从提高频率着手难以达到提高分辨率的目的。松散软弱地层中横波速度比纵波速度值要低得多,并且不受饱和度的影响,故利用横波勘探能得到较高分辨率,能较好满足工程地质勘察的需要。     

不同含水率孔周煤岩体蠕变试验及蠕变模型研究

为探究不同含水条件下孔周煤岩体蠕变特性,制作不同含水率含孔方形试样,开展分级加载蠕变破坏试验,获取蠕变加载下试样轴向应变曲线;同时基于改进西原模型,引入含水煤岩体蠕变损伤变量D_w和时效损伤变量D_t,建立不同含水率孔周煤岩体蠕变模型;对比分析试验结果和模型计算值,验证蠕变模型合理性。研究结果表明：同一加载应力水平下,所有试样进入稳定蠕变阶段的时间均在1 h左右,但干燥试样轴向应变量较小,到达加速蠕变阶段的时间也较高,表明水对煤岩体具有物理侵蚀和软化作用;所建蠕变模型参数与含水率之间呈指数关系,且模型理论曲线与试验数据曲线有较好的吻合性。     

煤系岩石声波速度及其影响因素实验分析

岩石声波速度是岩体质量评价的重要指标,通过超声一时间动态测试方法系统地研究了煤系岩石声波速度特征,探讨了影响沉积岩石声波速度的主要因素,建立了沉积岩石纵、横波速度之间及其与沉积岩石密度、围压和含水量之间的定性定量关系.研究结果表明,砂岩和石灰岩的纵、横波速度一般要高于砂质泥岩、泥岩和煤.沉积岩石的横波速度与纵波速度之间呈现出很好的线性相关性,反映出横波速度大约为纵波速度的3/5.沉积岩石的声波速度受沉积岩石密度、围压和含水量等因素所控制,且随着岩石密度、围压和含水量的增大而增大,但由于岩性不同,岩石的声波速度增高的速率则不完全相同.     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先对破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α对岩石的应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σcd、峰值强度σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表面裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,预制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂方式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩体的轴向应力-横向应变曲线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

六苴铜矿深部岩体地应力特征分析与研究

六苴铜矿深部开采过程中面临着较大的高应力灾害问题,在综合对比分析目前国内外主要地应力测量方法的基础上,确定采用空心包体应力解除法进行矿区地应力测量。本次地应力测试工作共布置了4个测点,每个测点进行了两次应力解除测量,大大的提高了测试结果的精度。测试分析得到了岩体最大主应力值、应力方向以及深部岩体的应力分布规律,可为后续深部巷道布置、支护设计优化等工作提供可靠的基础参数。     

水压力与地应力作用下岩石透射波幅值特性试验研究

深部资源开采和深埋隧洞等岩体工程多处于高水压高地应力环境中,在爆破开挖和地震灾害等动态荷载扰动下,动荷载以应力波形式在岩体中传播,研究岩石应力波传播特性是分析评估动荷载作用下围岩体稳定性的基础。为研究不同大小水压和地应力对岩石应力波传播特性的影响,利用改进的SHPB试验系统,对饱和红砂岩开展了应力波传播试验研究,设置6种水压力和4种轴向静应力等级,分析透射波幅值随水压力和轴向静应力的变化关系,并构建其经验模型。结果表明：当冲击速度和轴向静应力一定时,随着水压的增高,透射波幅值呈幂函数增加,但增加的幅度越来越小,这是由于水压本身的侧向约束作用、弯液面效应和Stefan效应抑制了岩石内部孔隙的扩展,加强了应力波在岩石中的穿透能力;当水压一定时,轴向静应力越大,透射波幅值越小;轴向静应力越大,透射波幅值随水压增加的幅度越大。研究结果可为深部高水压工程岩体爆破开挖时的围岩体稳定性分析提供理论依据。     

两向加卸载含瓦斯煤变形破裂数值模拟研究

为了模拟煤矿工作面前方应力变化时含瓦斯煤体的力学特性,应用RFPA~(2D)-Flow软件模拟研究了轴向加载-横向卸载作用下含瓦斯煤的变形破裂规律,讨论了初始围压、轴压和卸载速率效应对试样变形破坏的影响。研究结果表明:在加载和卸载方向,轴向应力和横向应力初期都呈线性增加,当达到极限强度后煤体的变形破裂导致急剧的应力降,直至煤样失去承载能力时基本保持恒定。初始围压、轴压越大,卸载速率越小,煤体的极限抗压、拉强度及其对应的轴向、横向应变越大;峰值强度及应变与初始围压、轴压呈明显的线性相关性,而与卸载速率表现出阶梯状,随着卸载速率的增加极限强度及应变减小速率逐渐降低。     

煤巷围岩地应力测量及岩芯断裂形态分析

文章介绍在孙村矿进行的煤巷围岩地应力测量过程，测量获得了三维地应力的大小和方向并且对测量过程中发生的岩芯饼状断裂现象进行了分析。结果表明：测点垂直应力与上覆岩层自重应力基本一致，最大主应力为近水平压应力。岩芯发生饼状断裂是由于垂直于钻孔轴线方向的地应力组合超过岩芯饼状断裂临界应力所致。     

六苴铜矿深部岩体地应力特征分析与研究

六苴铜矿深部开采过程中面临着较大的高应力灾害问题,在综合对比分析目前国内外主要地应力测量方法的基础上,确定采用空心包体应力解除法进行矿区地应力测量。本次地应力测量工作共布置4个测点,对每个测点进行2次应力解除测量,大幅度提高了测试结果精度。测试分析结果得到了岩体最大主应力值、应力方向以及深部岩体的应力分布规律,可为后续深部巷道布置、支护设计优化等工作提供可靠的基础参数。     

应变柱法测试相似材料模型应力的试验研究

提出了一种测试相似材料模型内部应力的方法——应变柱法,即采用与相似材料模型相同配比的材料制作成Φ50×100 mm试样,在试样中部粘贴应变片。在加载试样时采用应变仪和引伸计同时测量其轴向变形和径向变形。试验结果表明,引伸计法测得的应变值更接近于真实值;对应变柱进行3~5遍加载标定,发现其轴向弹性模量随加载次数略有增加,而径向弹性模量有所降低,但应变柱能够保持较好的弹性,能够被用作测量模型内部应力的传感器。     

横波偏振方法在煤样超声测量实验中的应用

煤样裂隙、层理发育,煤样横波超声测量一直存在着透射波形混杂、难以准确拾取透射横波初至与波形的问题,从而极大地影响了煤样超声实验中速度与品质因子的测量精度。笔者提出一种利用偏振特性拾取横波初至的方法,并通过宽带滤波提取横波波形,提高了横波波速与品质因子测量的精度。实际煤样的超声测量结果表明：与传统经验测量方法相比,横波速度和品质因子的精度都有了显著的提高,为复杂岩样的超声测量数据分析提供了一种有效的方法。     

单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况。为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA^2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式。结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段前波幅增速最大,在随后的弹性加载阶段纵波波速增长速度最快,在发生宏观破坏前纵波波速达到最大;根据裂纹应变模型得到裂纹闭合应力σ_cc约为0.19σ_c;裂纹起裂应力σ_ci约为0.28σ_c;在体应变达到极值时,得到试样的损伤应力,砂岩的损伤应力σ_cd约为0.66σc;由RFPA^2D得到由于拉破坏和压剪破坏产生的声发射数,得到在加载初期岩石微裂纹的产生均为压剪破坏,由于压剪破坏产生的剪切面出现时,拉破坏成为主导因素,并导致裂纹扩展及贯通,最终试样失稳破坏。可见砂岩破坏经历的压密阶段—弹性阶段—裂纹稳定扩展阶段—裂纹加速扩展—峰后...     

川东北砂岩单三轴压缩过程中应力-波速变化规律的试验研究

为能够利用声波测井资料对岩石的力学参数进行反演,选取代表性埋深砂岩,对单三轴压缩过程中的应力-纵波波速之间的变化规律进行了研究,对不同围压下,压缩过程中的波速变化规律进行了比较。结果表明,在轴向压缩过程中,砂岩纵波波速显著增加,砂岩单轴抗压强度与纵波波速之间存在一定关系。砂岩压缩过程中,在低围压下波速变化相对明显;高围压下波速变化相对较小,在偏应力较小时,波速与应力基本为线性关系,当偏应力达到一定数值时,波速稳定在某一定值,即曲线出现水平渐近线。