岩体结构面不同剪切方向的抗剪强度模拟试验研究

用混凝土模具模拟具有方向性的岩石节理面,并在剪切仪上沿不同方向进行剪切试验,测得一系列数据,通过回归分析,建立了节理面抗剪强度与剪切方向角之间的经验公式,总结出了具有方向性的岩石节理面抗剪强度随剪切方向角的变化规律。     

层理性地层钻井稳定性分析模型

针对钻井工程常遇的层理性地层,以应力张量坐标转换关系和井孔应力集中方程为基础,引入弱面剪切滑动和岩体Mogi-Coulomb双强度准则,建立了分析层理性地层井壁稳定性的模型。对含层理弱面的典型油气储层中钻井的合理钻井液密度和安全钻井方向进行研究,结果表明:层理面的存在加剧了井壁围岩的破坏,且改变了围岩破坏的位置;水平井坍塌压力随着钻井方向变化而连续性变化,其在特定钻井方向取得最小坍塌压力;斜井取得最小坍塌压力的方位与层理面在空间中并不垂直,空间中关于主平面对称的斜井破裂压力相同;既可获得较大钻井液安全压力窗口又可取得较小坍塌压力的方向为优选钻井方向,在钻井液压力窗口变化大的倾向上钻井需严格控制钻井轨迹曲线。     

含软弱结构面石灰岩巴西劈裂破坏模式研究

以湖北省秭归县某矿山石灰岩为研究对象,进行了不同软弱结构面倾角θ的巴西劈裂实验,研究了石灰岩中软弱结构面倾角对岩石试样破坏模式的影响,并探讨了相应的破坏机理。结果表明:软弱结构面对试样的劈裂破坏模式具有控制性作用,随着结构面倾角增大(0°～90°范围内),试样破坏模式可分为4种,其中,θ为0°和15°时为岩石基质以及结构面拉裂破坏,θ为30°时为岩石基质的拉裂破坏以及结构面的拉裂和滑移破坏,θ为45°和60°时为结构面的剪切滑移破坏,θ为90°时为结构面的拉裂破坏;同时发现,当θ为45°、60°和90°时,结构面对试样破坏机理的影响与层理面类似,而当θ为0°、15°和30°时,试样的破坏机理会更为复杂。     

基于裂纹的岩石摩擦滑移位移演化实验研究

为研究岩石破坏形成断裂面或结构面后的进一步演化特征,选用一种花岗岩制备了双穿透裂纹试件,采用双剪模型开展了摩擦滑移试验研究.用CCD相机记录试验过程中的散斑图像,并利用数字散斑相关方法对岩石摩擦滑移过程中的水平位移场、竖直位移及水平位移的演化特征进行分析.结果表明:①剪应力缓慢增长阶段的位移演化,由围压起主要作用转变为...     

开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切,也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题,断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时,以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象,通过相似模拟和数值模拟,研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景,建立了F_(16)逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型,运用应力监测和声发射监测的手段,分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征,研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型,研究了断层区域岩层裂隙发育情况,分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律,总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段,即水平载荷施加阶段,工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段,断层滑动面不断积聚能量,声发射事件数激增;工作面开采过程中,断层频繁受开采扰动,正应力与切应力两者变化不同步。开采初期,正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采,正应力与切应力的变化情况相反,正应力逐渐降低,切应力逐步增大。工作面接近断层时,断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期,断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能,声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时,能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的"缺震"现象较为吻合,即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少,发生后激增的现象。因此,断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。     

Effective grouting area of jointed slope and stress deformation responses by numerical analysis with FLAC3D

To study the grouting reinforcement mechanism in jointed rock slope, first, the theoretical deduction was done to calculate the critical length of slipping if the slope angle is larger than that of joint inclination; Second, the numerical calculation model was founded by FLAC^3D, so as to find the stress and deformation responses of rock mass in the state before and after grouting. the analysis results show that the range between the boundary of critical slipping block and the joint plane that passes the slope toe is the effective grouting area (EGA). After excavation, large deformation occurs along the joint plane. After grouting, the displacements of rock particles become uniform and continuous, and large deformations along the joint plane are controlled; the dynamic displacement can reflect the deformation response of slope during excavation in the state before and after grouting, as well as the shear location of potential slip plane. After grouting, the dynamic displacement of each monitoring point reaches the peak value with very few time steps, which indicate that the parameters of the joint plane, such as strength and stiffness, are improved; the stress field becomes uniform. Tensile area reduces gradually; whole stability of the slope and its ability to resist tensile and shear stress are improved greatly.     

三点弯曲条件下不同层理面强度对裂纹扩展过程的影响

煤矿、页岩气开采等工程均涉及到层状岩体力学问题,层状岩体的裂纹破裂模式直接决定了工程施工稳定性及能源高效开发利用。为了揭示层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响,利用ABAQUS模拟软件,通过全局嵌入0厚度cohesive单元的方法,创建了与最大主应力方向垂直的层理面,并且基于页岩XRD矿物成份分析结果,利用Python语言对软件进行二次开发,实现了页岩的层理各向异性与矿物颗粒非均质性。通过控制层理面的强度参数,研究了在三点弯曲条件下,层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响。通过MATLAB编程处理模拟结果,实现了加载过程中的声发射(AE)模拟,根据声发射定位图和声发射能量数据,进一步分析了裂纹破裂类型及动态扩展过程。结果表明:层理面抑制了裂纹沿着最大主应力方向扩展,层理面强度越弱抑制效果越强;层理面强度较弱时,裂纹先从层理界面处起裂,产生顺层横向裂纹,阻隔应力波的传递,导致预制裂纹尖端应力场波及范围变小应力集中程度变强;层理面的存在导致裂纹扩展路径复杂,穿层破裂与顺层破裂交替出现,裂纹表现为断续位错式的破裂特征,层理面强度与最大主应力共同决定了裂纹路径;穿层破裂主要沿着最大主应力方向产生,表现为拉张破裂类型,顺层水平迁移裂纹表现为剪切破裂类型;层理面强度越弱,克服顺层破裂所需能量越大,峰值载荷越大;层理面强度与声发射事件数呈负相关性,层理面越弱声发射事件数越多,拉张、剪切破裂越多,顺层裂纹长度越长。     

Passive tomography to image stress redistribution prior to failure on granite

Understanding stress redistribution within rock helps improve the safety and efficiency of mining projects. In order to better understand rock failure mechanism, a granite sample is prepared in a manner that facilitates shear failure along preconceived cracks. The testing process of this method employed several steps. First, the sample is loaded and then monitored in order to study the stress field associated with shear failure. Passive acoustic emissions systems are then used to monitor seismic events during the loading process. The data obtained from the test is processed by using the double-difference location algorithm. The velocity pattern of the sample is then calculated. The distribution of velocity is projected using double-difference tomography. It is shown that the sample failed along the plane where two parallel cracks were prepared. Most of the relocated events were located within or around the plane. The tomograms created from the recorded data accurately image the areas of interest within the rock samples. It is also shown that passive acoustic emissions monitoring systems coupled with double-difference tomography are capable of monitoring and forecasting the failure of rock.     

液压支护长壁法开采缓倾斜薄铁矿体围岩变形与破坏规律研究

基于缓倾斜薄铁矿体特征,提出用液压支护长壁法开采缓倾斜薄铁矿体新方法。以官店铁矿凉水井大庄矿段-8’至-16’线范围矿体为研究对象,采取相似模拟方法对围岩应力、位移和塑性区域变形与破坏规律进行实验研究;采用数值模拟对工作面采场围岩应力、位移和塑性区域变化进行模拟研究,并与相似实验结果进行对比分析。结果表明:围岩破坏具有明显间隙和突变性,断裂方向相互平行;位置不同围岩在垂直方向上断裂步距不同;工作面端部受剪切作用明显,空区顶部受拉作用突出;靠近工作面下沉值较小,呈抛物线型。     

内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响

巷道围岩分区破裂化(或分区破碎化、分区碎裂化)是指在深部开挖巷道时围岩交替呈现破裂区和未破裂区的现象,该现象与对围岩破坏的传统认识不同。正确认识不同强度围岩分区破裂化的发育程度,可为其治理及应用奠定基础。巷道掘进会引起掘进工作面附近岩石涌向巷道,这将导致掘进工作面附近垂直于巷道轴线平面的应力状态并非平面应变,而是三维状态。采用以FLAC~(3D)应变软化模型为基础发展的非均质应变软化模型(通过引入Weibull分布函数实现),研究了内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响,考察了围岩中剪切应变增量、最小主应力及最大主应力在巷道即将贯穿模型时的分布规律。研究发现:①内摩擦角越小,围岩的破坏越严重,剪切带的发育越充分,分区破裂化越明显;②并非围岩的破坏就会导致分区破裂化,围岩破坏到一定程度后,才会出现分区破裂化;③分区破裂化的机理为:在载荷及开挖作用下,在过巷道轴线的平面上,随机分布的缺陷发展成(共轭)剪切带,从而在垂直于巷道轴线的平面上,形成多个相间隔的圆环形的破坏区。本文过巷道轴线平面上的结果与室内实验结果在定性上一致。根据本文的研究,在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化不同,这意味着不必选择统一的巷道支护参数,例如,在分区破裂化显著的部位,延长锚杆的长度,反之则不然。     

煤系“三气”共采产层组压裂裂缝扩展物模试验研究

硬脆性砂岩、页岩储层与塑性的煤层组合开发时,层间应力差、岩性差异、界面性质等因素会对水力裂缝扩展产生较大影响,复合储层人工裂缝扩展规律存在认识不清的难点,给储层改造方案的合理设计带来了难度。基于此,选取鄂尔多斯盆地东缘临兴地区天然露头岩石进行不同岩性组合,开展室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同地应力差、弹性模量差异、煤岩割理等参数对水力裂缝起裂及扩展的影响。结果表明:水力裂缝起裂方向受地应力条件及近井筒天然弱面共同控制;当应力差在4~6 MPa时,既能保证裂缝穿透界面,又能保证高效沟通煤岩中天然弱面形成网络裂缝;层间弹性模量差异越大,缝内流体压力越高,穿透界面时释放的压力脉冲有助于激活煤岩中的微裂缝形成复杂的裂缝网络。水力裂缝在煤岩中的扩展路径受割理影响较大,易发生转向或者分叉扩展;水力裂缝穿透界面时压裂曲线存在明显的2次憋压,沟通煤岩割理过程中压裂曲线上下波动明显。研究复合储层水力裂缝起裂及扩展规律可为油田现场预测裂缝形态以及优化泵注程序提供参考。     

红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

以标准红砂岩试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置结合自行开发的煤岩 细观力学特性测控软件,对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究,并 基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象。结果表明:载荷大小对红砂岩剪切蠕变力学特性具有 明显的影响,直接决定着加速剪切蠕变阶段的有无、试样的破坏与否和试验时间对其剪切蠕变力学特性的 影响程度;存在2个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ₁、τ₂,它们将红砂岩剪切蠕变类型分为3种, 即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏;红砂岩试样破裂带的形成过程表现为渐进式,破坏过程表现为渐 进式与突发式结合,破裂面附近区域为裂纹结构丰富区且该面为非平直剪切面;不同载荷水平作用下岩石剪 切蠕变力学特性可以用来解释边坡失稳发育过程中的现象,认为边坡内潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变 破坏是边坡发生失稳的力学机理。     

会东矿西边坡岩石力学试验研究

为了评价露天西边坡的稳定性,进行了大量的室内与现场岩石力学试验,主要有岩体和岩体结构面的抗剪强度、岩体弹性模数、岩体应力与应变等试验。综合分析试验结果表明,黑色破碎岩体和软弱结构面是决定西边坡稳定性的主要因素;而处于黑色破碎岩体中的硅质白云岩相对来说完整性较好,它对围岩及边坡稳定性能起一定的控制作用。     

薄层状岩石试样3D打印与力学特性试验研究

薄层状岩石广泛存在于矿山开采与地下工程建设中，针对其力学特性的研究对于该类岩体工程的安全施工与运营具有重要意义。借助自主研发的岩土类材料3D打印设备，基于湿料挤出沉积成型3D打印工艺，开展了不同层理产状薄层状类岩石试样的3D打印试验，成功获得了层理面与试样长轴夹角θ为0°、45°、90°的类岩石试样。针对打印试样开展单轴压缩试验，借助数字图像相关方法（DIC）对试验过程开展非接触式全场应变观测，对比分析了不同层理产状3D打印试样的宏观力学参数、空间应变场演化规律与破坏模式。结果表明：所提出的湿料挤出沉积成型3D打印工艺与设备，可以构建力学特性及破坏模式与薄层状岩石类似的人工试样。受层理产状与加载方向的关系影响，试样的宏观力学参数及破坏模式存在显著差异，θ=0°、45°、90°试样的峰值强度均值分别为1.88、1.55、3.32 MPa，弹性模量均值分别为0.37、0.32、0.98 GPa。DIC观测结果可以更直观地揭示层理产状与加载方向的关系对于薄层状岩石破坏过程与破坏模式的控制机制。相关成果可为3D打印技术在岩石力学中的推广应用提供借鉴。     

中空注浆锚索破坏规律分析及关键技术性能优化

针对中空注浆锚索在高地应力软岩巷道支护过程出现的技术难题,深入探讨了中空注浆锚索的破坏机理,并对注浆锚索的承载性能进行优化,进而实现注浆与支护一体化,防止顶板事故发生。结合朱集煤矿现场调研,主要在锁具附近发生剪切破断及钢绞线与注浆体-锚固体界面发生剪切滑移而导致退锚现象等,注浆锚索破坏率达到83.4%。采用力学计算与FLAC3D数值模拟的方法分析了钢绞线与注浆浆界面的应力状态和破坏机理,得出了注浆锚索的应力公式及应力分布规律,通过模拟实验得到了注浆锚索在不同注浆效果下的应力演化特征、剪切滑移特征和极限位移量的演化特征,并提出了对注浆锚索的减压抗震装置及出浆孔位置优化的关键技术。结果表明,锚索破坏率降低至17.3%,巷道变形量得到有效控制,注浆效果得到显著改善。     

循环加载岩石界面滑移位移演化特征试验研究

在岩土工程实践中,岩石界面摩擦滑移会引起工程失稳问题,严重威胁着人们的生命财产安全;岩石界面的滑移问题往往处于一种往复加载状态,目前大多数学者对于岩石界面滑移问题的研究往往是在单一的加载状态下进行的,而对于往复加载状态研究较少;为了研究循环加卸载作用下界面滑移位移场演化特征,设计并开展了花岗岩试件恒定围压下的双剪模型试验研究。利用CCD相机采集界面滑移过程中的散斑图像,并利用白光数值散斑相关方法对该组花岗岩试件在实验过程中的位移场、摩擦滑移位移在循环加卸载情况下的演化特征进行研究分析。试验结果表明:①在循环加卸载作用下,随着循环次数的增加,位移场会发生明显的摩擦滑移,且当循环到一定次数,试件会发生整体黏滑现象;②随着循环次数的增加,位移场随着循环加卸载发生明显的时空演化特征,空间上存在明显的剪切位移增大和减小区域,同时随着循环次数的增加位移存在明显的累积,表现为位移演化的分区性及剪切位移场累积效应。时间上存在剪切位移演化相对于剪切应力的滞后性;③相同剪应力水平下,随着循环次数的增加,垂直位移整体趋势有所降低,界面咬合程度增加,水平滑动位移有所增加,界面分区滑动机制改变,加载端和自由端存在明显的黏滑现象;④在试件发生整体黏滑前后,剪切位移随着循环次数的增加发生不同的变化;黏滑前,随着循环次数的增加,剪切位移缓慢增大,黏滑后,随着循环次数的增加剪切位移明显增大;即黏滑前后,界面滑移速率由小变大。     

应力环境对层面区域水压裂缝扩展的影响

无论是传统的煤炭、石油、天然气资源开采,还是新兴的非常规天然气开采,控制水压裂缝尽量在指定的资源储层中横向延伸、限制储层外垂向水压裂缝的数目和扩展长度是提高水压致裂效率和保护地层环境的有效途径。层面所处的应力环境是影响水压裂缝扩展的关键因素。采用RFPA2D-Flow,对不同应力环境下,水压裂缝初至层面的扩展行为、沿层面水压裂缝最大开裂长度和水压裂缝的破坏形态进行了模拟。模拟结果表明:1应力环境对水压裂缝初至层面时的扩展行为没有影响;2沿层面水压裂缝扩展的最大长度随主应力比的增加呈双曲线降低;3双向等压时,水压致裂沿层面方向的影响范围最大;4随着主应力比的增加,层面对水压裂缝扩展的影响逐渐减小,应力的作用逐渐增加,水压裂缝沿垂直于最小主应力方向穿层面扩展。     

基于3DEC的结构面对采空区的影响机制

Ⅳ级结构面是构成岩块的边界面,影响着地下工程岩体的物理力学性质及应力分布状态。基于3DEC离散元软件,在特定的采空区应力场下,针对单组结构面以及多组结构面中可产生滑塌锥的情况分别开展了研究。结果表明:1)单组结构面对采空区的影响形式为滑移破坏,随着结构面倾角的增大,采空区顶板最大位移先增大后减小。2)多组结构面形成滑塌锥后并不一定意味着塌落,在黏聚力以及内摩擦角较大时滑塌锥仍然可以保持稳定;在黏聚力—内摩擦角—滑塌锥位移的三维曲面图中,形成稳定区、塌落区、滑移区三类。3)利用极限平衡理论对滑塌锥的稳定性进行力学分析,提出滑塌锥失稳的判定条件,具有一定的工程实用价值。     

Minimum rock bolt force and minimum static acceleration in tetrahedral wedge stability: A probabilistic study

ABSTRACT

An investigation of effect of variability of strength and orientation on stability of tetrahedral wedges with two free surfaces is presented. Study was limited to potential sliding along the line of intersection of the two joint planes. Minimum rock bolt force and minimum static acceleration were considered as output stability parameters in this study. An analytical procedure which combines a deterministic analytical method and Monte-Carlo simulation technique was used to perform this study. Variability of orientations of the joint planes was modeled by the hemispherical normal distribution. Shear strength of the joint planes was modeled by the Mohr Coulomb criterion. Variability of shear strength parameters of the joint planes was modeled by the bivariate normal distributions. Effect of variability of orientation was found to be more pronounced than the effect of variability of strength on both output parameters. Variability of the magnitudes of the output parameters increased with decreasing correlation between the strength parameters of the Mohr Coulomb model. Effect of variability of cohesion was found to be more pronounced than the effect of variability of friction angle on the magnitude of both output parameters. The variabilities of the two output parameters were found to be significant in comparison to the introduced input parameter variabilities. The study shows clearly the importance of making allowances for these variabilities in rock slope design.     

岩体结构对爆炸载荷的力学效应

本文借助于思想实验的研究方法,讨论了菱形边上拉剪应力变化特点。得到的结论是两组结构面与自由面夹角越小,结构面上拉应力则越大,岩石越易破坏,破碎范围越大。