煤矿立井井筒冻结壁软岩力学特性试验研究

在煤矿立井井筒建设过程中,近年来的矿井建设逐步向深厚冲积层的深井建设发展,冻结法是有效穿越不稳定深厚基岩的有效施工方法。本文以陕西彬长矿区胡家河煤矿立井冻结施工工程为背景,从主井井筒穿越的不同类型的砂岩、煤岩、和砂质泥岩为代表,进行常温(+20℃)和不同冻结温度(-5℃,-10℃,-20℃,-30℃)条件下的岩石在单轴和不同围压条件下(6 MPa,8 MPa,10 MPa)的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结软岩三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结软岩三轴强度特性的影响规律,分析了不同类型的砂岩、煤岩、和砂质泥岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对3种软岩冻结温度效应的同一性和差异性进行比较研究。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供有价值参考。     

低温作用下砂质泥岩力学特性试验研究

以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集砂质泥岩岩样,通过MTS-815岩石力学伺服试验机,对其进行不同围压(0MPa、6MPa、8MPa、10MPa)及不同温度(20℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃)状态下的单轴及三轴压缩试验,分析了砂质泥岩在不同围压及不同冻结温度状态下的强度特性与变形特性。通过对大量试验数据进行分析,结果表明:在强度特性方面,砂质泥岩的峰值抗压强度、黏聚力、内摩擦角和残余抗压强度均随着围压的增大而增大,随着冻结温度的减低而增大;在变形特性方面,围压的增大使得砂质泥岩塑性增强,温度的降低使试样逐渐向脆性转化。     

冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及强度预测模型研究

人工冻结法是富水软岩地区地下工程的重要施工方法,探究冻结岩石强度特性的研究具有重要的理论研究价值和工程实际意义。白垩系饱和砂岩为研究对象,开展不同温度(+20℃,0℃,-10℃和-20℃),不同围压(0,2,4和6 MPa)条件下三轴压缩试验。研究结果表明冻结作用对饱和砂岩力学特性有着较大影响:(1)相同围压,温度由+20℃降到-20℃时,峰值强度提高2～4倍;(2)相同温度,围压由0 MPa升至6 MPa时,峰值强度提高1～3倍;(3)此外冻结状态下黏聚力可提高5倍,内摩擦角出现增大趋势。随后基于5种已有强度准则理论,以试验数据为参数计算各准则表达式并对比分析各准则对饱和砂岩冻结强度的预测效果,结果表明Rocker准则能够更为准确和方便的预测不同温度下饱和砂岩强度,并依此提出考虑温度效应的饱和砂岩Rocker强度准则,并验证了其具有良好的预测效果,上述结果将为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。     

南水北调西线一期工程砂岩温度、围压和水压耦合试验研究

通过不同温度(25℃～70℃)和围压(0～60 MPa)及孔隙水压力(0～10 MPa)和围压(25～60 MPa)条件下的耦合三轴试验,研究了南水北调西线一期工程砂岩的强度特性和变形特性。试验结果显示,相同温度下,三轴压缩时砂岩的强度随围压增加而增长,而变形模量随围压的增长变化不大;温度对其强度的影响比较复杂,在低围压(0～40 MPa)下,岩石的强度随温度增长,围压超过40 MPa后,强度随温度的增长有降低的趋势。平均变形模量对温度的依赖性较大,总体上随着温度增加其值得到提高。相同孔隙水压力作用下,砂岩的强度受围压控制,表现为围压越大,岩石的强度越高;相同围压条件下,孔隙水压力越高,岩石强度越低。在孔隙水压力作用下,围压越高,平均变形模量越高;在围压作用下,孔隙水压力越高,变形模量越低。     

瓦斯压力对砂岩力学特性影响的试验研究EI北大核心CSCD

利用自行研制的"煤岩热流固耦合试验系统(THM–2)",以砂岩为研究对象,进行不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴加载试验,探讨瓦斯压力对岩石力学特性的影响,结果表明:3 MPa瓦斯压力下三轴抗压强度和弹性模量均比无瓦斯条件下小;相同应力下,含瓦斯岩石的应变较大。瓦斯压力对岩石的力学特性起到了弱化作用,使三轴抗压强度表现出一定的非线性特征。采用抛物线型、Hoek-Brown(H-B)等型式的强度准则对岩石的非线性强度特征进行研究,提出考虑瓦斯压力作用的修改型H-B强度准则,经验证修正后的强度准则与试验数据吻合良好,可以作为瓦斯压力作用下岩石破坏的强度判据。     

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中，其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手，研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境；在此基础上，采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性，剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响，建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明，砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低，且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大，其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。     

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

 采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生II类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生II类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部：单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性 试验研究

 通过在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机上对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同温度作用后常规三向压缩条件下粗砂岩宏观力学特性,分析粗砂岩强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角和极限应变与温度的关系;同时对粗砂岩强度、平均模量与围压关系进行探讨。研究结果表明,围压一定,温度为25 ℃～300 ℃时,随着温度的升高,试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大,而变形模量有所降低。高温产生的热应力起到容纳变形和裂隙闭合作用,砂岩试件部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,矿物颗粒间接触关系得到改善,摩擦特性得以增强;超过300 ℃ 以后,随着温度的升高,粗砂岩试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均有所减小,而峰值变形逐渐增大,由高温引起的粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率导致跨颗粒边界的热膨胀不协调,从而产生结构热应力使试样内部产生微裂隙,试样承载能力和抗变形能力减弱。而围压对粗砂岩的力学性质起到改善和强化作用,当温度一定时,随着围压的升高,粗砂岩试件强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大。     

不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围这3种不同应力路径下的三轴试验,并从变形特性、强度特性和破坏特性及其机制分析等方面对砂岩试样的力学特性进行对比分析研究。结果表明：相对于定围升轴,卸围升轴及定轴卸围下砂岩的强度有所降低,而其侧向变形和相同主应力下的扩容量明显增加,尤其在卸围升轴下的扩容量最大;不同应力路径下,砂岩的变形和强度特性主要受初始轴压和初始围压的影响,而围压加载速率对砂岩力学性质的影响不明显。定围升轴下试样呈现剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围时试样常常呈现出张剪破坏特征。     

不同围压与冻结温度下白垩系红砂岩力学性质试验研究

西部立井冻结法施工中,冻结壁岩体受到温度场及地应力场的耦合作用。为研究白垩系红砂岩在地应力与温度耦合作用下冻结后的力学性质,利用围压模拟地应力条件,在不同的温度(20℃,-5℃,-10℃,-15℃)及围压(0,2,4,6,8 MPa)下对红砂岩试样进行冻结处理,并在相同的围压下测试其冻结后的三轴力学性质,分析冻结围压及冻结温度对红砂岩冻结力学性质的影响,并就红砂岩冻结过程中地应力的影响机制进行初步探讨。试验结果表明,冻结时的围压可以提高红砂岩的冻结程度,红砂岩强度、弹性模量相对无围压冻结增加,泊松比下降。随温度降低,红砂岩的黏聚力、内摩擦角、起裂及扩容应力水平均随温度的降低而增加,但黏聚力增加幅度更大。红砂岩冻结后,弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,塑性变形储备能力不足。对于多孔弱胶结的红砂岩,冻结过程中的地应力可以提高岩石孔隙的约束能力,抵抗冻胀变形,使冻结作用可以尽可能向次级微孔隙发展。研究结果为西部地区煤矿立井冻结壁厚度及掘进段高设计提供了指导。     

煤矿深部岩石力学性能试验分析与硬岩巷道快速掘进方法研究

 在RMT–150B岩石力学试验机上进行深部巷道砂岩单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验,测得砂岩的力学性质参数。根据岩石应力–应变曲线分析深部岩石的强度和变形特性,岩石抗压强度随围压的增加而提高,围压从10 MPa增加到15 MPa时,抗压强度增幅达到40.3%。深部高应力下,砂岩承载后产生的变形及破坏形态与围压大小密切相关,其主应力差–应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡,破坏荷载增高。依据岩石力学特性,采用分类布孔,掏槽眼宜用直径f42 mm的钻头钻眼,其余的炮眼用直径f32 mm的钻头钻眼,缩短钻眼时间。掏槽眼采用中深孔不同阶微差斜眼掏槽方法,炮眼深度宜采用2.2～2.5 m,有利于巷道的进尺;周边眼采用小直径药卷光面爆破技术,有利于巷道成形。     

低温条件下花岗岩力学特性试验研究

 从辽宁锦州拟建地下储库工程现场钻取典型花岗岩岩芯,进行不同冻结温度(－10 ℃～－50 ℃)和不同含水状态(干燥和饱和)的单轴及三轴压缩试验,分析岩石的变形破坏规律、干燥和饱和状态抗压强度以及三轴剪切强度参数c,j 值随温度的变化关系。试验结果表明：(1) 无论干燥还是饱和试样,微风化花岗岩单轴及三轴抗压强度随着低温温度的降低而提高,但呈现非线性增加的趋势,得到花岗岩抗压强度随低温温度变化的非线性关系拟合式,并认为微风化花岗岩存在一个抗压强度趋于稳定的温度界限值,此值约为－40 ℃;(2) 微风化花岗岩在干燥和饱和条件下,黏聚力c值随温度的降低而增大,在干燥条件下尤为明显。干燥条件下,微风化花岗岩内摩擦角随低温温度降低变化较小,摩擦角基本保持在57°左右,饱和条件下,微风化花岗岩内摩擦角随温度降低而增加, 由－10 ℃～－50 ℃增长幅度约为3.43%。该研究成果可为液化天然气(LNG)的低温地下存储提供一定的力学参数依据。     

高温后围压对花岗岩变形和强度特性的影响

利用MTS815.02电液伺服材料试验系统完成了不同温度作用后（25℃~1000℃）,不同围压下的30块花岗岩岩样的三轴压缩试验,分析了温度、围压对岩样的变形以及强度特性的影响。试验结果表明：①岩样质量随着温度的升高小幅下降,1000℃时仅比25℃时下降了0.364%;温度低于600℃时,岩样体积、密度变化不明显,温度高于600℃时,体积加速膨胀,密度减小幅度增大,1000℃时体积比25℃时膨胀了5.027%,密度降低了5.132%。②高温作用后,岩样三轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏、软化、残余等几个阶段,岩样的刚度、峰值强度、抗剪强度、残余强度、塑性变形均随着围压的增大而增大。③岩样黏聚力随着温度的升高呈线性下降,内摩擦角随着温度的升高先增大后减小,抗剪强度随着温度的升高呈二次多项式减小关系,围压的增大削弱了温度对抗剪强度的影响。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

 在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40 ℃～80 ℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明：在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s－1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

高温高压下盐岩基本力学性质研究

采用MTS材料特性试验机针对高温高压下盐岩的力学性质进行了三轴压缩试验研究,通过不同温度、围压下的三轴应力应变曲线,分析了温度、围压对盐岩弹性模量和屈服应力的影响以及高温高压下盐岩的破坏特点。结果表明:盐岩即使经历很大变形其应力应变曲线也不会表现出峰值。而温度升高对盐岩力学性质起到劣化作用。盐岩的屈服应力随温度升高而逐渐降低,但其弹性模量却随着温度升高而显著增大。在≥86 ℃时应该存在一个门槛温度,超过这个门槛温度使得弹性模量随温度升高而逐渐降低。围压对盐岩的初始屈服面影响较小,而温度则影响明显。盐岩试验后发生了很大变形,从标准的圆柱体被压成了鼓状,但是仍然没有发生破坏。     

冻土动强度特性试验研究

在围压为0.3～16 MPa,频率为2 Hz,温度为-4和-6℃条件下,通过一系列恒应力幅循环动荷载试验,发现冻土动强度的变化不仅跟破坏振次的大小有关,而且与围压、循环荷载作用下土体吸收的有效能量(损失能)之间也存在一定关系。根据损失能获得试样温度的变化,将冻土动强度与温度直接联系起来,表明振动荷载作用下损失能累积造成的温度额外升高是控制冻土动强度变化特性的主要因素之一。