冻融循环下裂隙性泥岩的力学特性与细观损伤规律

冻融循环作用是加速岩石材料性能劣化的重要环境因素之一,也是影响露天矿边坡稳定性与安全性的重要隐患。为研究冻融循环作用下裂隙性泥岩的力学强度衰减特性和损伤效应,分别对经过0、5、10、20、50次冻融循环处理后的泥岩试样进行了单轴压缩试验和计算机层析CT扫描试验。同时,开展了扫描电镜试验对泥岩的微观损伤机理进行探究。试验结果表明:泥岩单轴抗压强度和弹性模量随冻融循环次数的增加逐渐降低,且衰减速度在0～10次冻融循环时最为显著,随后衰减速率逐渐变缓;二维CT图像显示冻融循环使泥岩试样的孔隙结构不断发育,孔隙率与循环次数和弹性模量分别呈指数关系和负线性相关,该现象说明泥岩细观结构损伤的累积与宏观力学特性衰减程度显著相关;在冻融循环作用下,裂隙性泥岩内部微观结构的损伤程度逐渐加深,裂隙的拓展和颗粒接触关系的改变是导致泥岩强度下降的重要因素。上述分析对于裂隙性泥岩分布地区的露天矿山边坡设计与施工有一定的参考意义。     

冻融循环作用下西藏玉龙铜矿边坡岩体物理力学特性研究

对取自西藏玉龙铜矿的花岗岩和石英砂岩进行了冻融循环试验,得到两种岩样在冻融循环过程中的体积、质量和抗拉强度的变化规律,试验结果表明:两种岩样的体积都是先收缩后膨胀;质量均有极小增加;抗拉强度都有所降低,但上述3种物理力学特性的变化方式则各不相同。通过分析,得出导致这种变化的主要因素是:岩石矿物颗粒和孔隙水在冻融循环过程中发生了相互作用。试验结果为现场边坡设计提供了重要依据,也对岩石冻融力学研究有重大意义。     

基于泥岩弱化的顺倾边坡失稳机理探究

在泥岩遇水软化的理论基础上,设计了不同含水率泥岩试样的剪切试验,深入探讨了泥岩软化过程中力学指标黏聚力和内摩擦角的变化规律;结合缓顺倾边坡失稳机理分析,推导出了安全系数表达式,揭示了泥岩强度变化对整体边坡的影响规律。结果表明:随着含水率的变化对泥岩的黏聚力和内摩擦角呈现出类似的变化规律,但是有所区别;黏聚力在试样含水率达到30%及以上时,才表现出下降趋势;而摩擦角从含水率25%就表现出来较为明显的衰减;煤层顶板泥岩的强度变化对整体边坡的稳定性起着关键作用,因此将硬岩之上可弱化层称之为关键弱层。     

酸性冻融循环条件下砂岩力学特性及损伤研究

为研究水化学—冻融循环耦合作用下的砂岩力学特性变化及损伤劣化规律,通过水化学溶液浸泡和冻融循环作用获得不同损伤程度的砂岩试样,进行单轴压缩试验,分析其力学特性,并通过SEM扫描电镜从微细观角度讨论了砂岩损伤劣化机理。研究结果表明:(1)随着冻融循环次数增加,砂岩在酸性溶液下的纵波波速衰减程度与质量损失率较中性溶液下更大,且酸性溶液p H值越低响应幅度越大;(2)峰值应力与冻融循环次数呈负相关,与浸泡溶液p H值呈正相关,砂岩呈现出由脆性向延性转化的趋势;(3)从微细观结构角度分析得出砂岩损伤劣化是交替进行并不断积累的;(4)以弹性模量定义砂岩损伤变量,拟合建立了损伤变量规律函数模型,表明浸泡溶液p H值越低、冻融循环次数越高的砂岩损伤劣化程度越大。研究成果可为受酸侵蚀环境下寒区工程建设、矿山地下开采提供参考。     

膨胀岩特性的细观力学试验研究

本文针对软岩工程中常遇到的膨胀性岩石的复杂的物理力学特性，采用细观力学方法，较为全面地分析了这种岩石的矿物成份和组织结构特征，以及在间接拉伸、单轴压缩、三轴压缩和长期流变试验过程中的损伤破坏规律，还分析了它们遇水作用前后的微结构变化情况。该方法可为越来越严重的软岩工程建设和软岩力学理论的发展提供一定的试验依据。     

徐淮地区煤矿井筒破裂机理研究

从徐淮地区井筒破裂的特点出发，分析引起井壁破裂的根本原因，据此提出井筒的破裂机理，为选择防治井筒破裂的方法提供依据     

泥岩风化影响下露天矿采场陡帮顺倾边坡稳定性分析

煤层剥离后煤层底板泥岩易风化,强度明显降低,对陡帮顺倾边坡稳定性影响很大,非常有必要进行此方面的研究。以某露天矿采场南帮典型剖面为例,进行了露天矿开采过程中边坡的稳定性分析,得到了受泥岩风化影响的露天矿边坡稳定性特征,进行了露天矿采场陡帮顺倾边坡稳定性评价,对露天矿安全开采及陡帮顺倾边坡治理具有重要的指导意义。     

热冲击下冷却温度对花岗岩细观破裂的影响研究

从细观角度出发,借助高精度显微CT技术,以构建三维空间数字岩芯为基础,对花岗岩加热到相同温度后在相同冷却介质中急剧冷却到不同温度的细观演化过程进行研究,从热冲击后花岗岩的裂隙长度、宽度、和深度上进行具体分析,探究高温热冲击作用下冷却温度对花岗岩细观特性的影响。研究结果表明,花岗岩的热冲击作用随其在水中的冷却温度升高而变化明显。在水中冷却温度为100℃时,花岗岩热破裂最剧烈,说明在花岗岩热冲击破裂过程中,其破裂程度不仅与花岗岩的初始加热温度有关,还与其在水中急剧冷却的温度有关。此外,花岗岩热破裂后产生的孔隙—裂隙网络,会大大降低花岗岩的致密性,进而有助于增大地热开发中的热交换面积,有利于储层改造。     

基于纳米压痕的煤系泥岩细观力学及断裂性能试验研究

以口孜东煤矿煤系泥岩为对象,开展了纳米压痕试验,基于弹性接触理论以及能量原理,研究了泥岩岩样的细观力学性质及断裂力学特征,探讨了泥岩内部不同矿物成分之间的细观力学行为差异。研究结果表明：相同的最大压痕载荷条件下,泥岩表面压痕点深度变化不一,压痕点弹性模量约在2～114GPa范围内,而硬度在0～16GPa范围内变化,体现了泥岩的不均质性;基于弹性模量概率分布曲线,近似获得了泥岩三种主要的矿物成分,包括黏土类矿物(～7.83GPa)、绿泥石类矿物(～41.67GPa)以及石英矿物(～97.29GPa);黏土类矿物、绿泥石类矿物及石英矿物的断裂韧度分别约为0.09、0.91和1.95MPa·m^1/2,而黏土类矿物断裂韧度所占比例较高(～70.0%),该矿物对泥岩宏观断裂力学性质起决定性作用。     

不同含水状态下泥岩的力学性质及能量特征

不同的含水状态对岩石的力学性质和破坏机制有重要的影响。利用RMT-301岩石力学试验机,开展泥岩烘干样、天然样和饱水样在不同围压条件下的三轴压缩试验,研究不同含水状态下泥岩的力学性质和能量机制。结果表明:含水量越低,泥岩吸收的总能量越多;弹性能存储速率在压密阶段和弹性阶段随含水量的增大而降低,在弹塑性阶段弹性能增长速率减缓,失稳破坏阶段含水量越低,存储的弹性能越高,同一围压条件下,泥岩的储能极限随着含水率的增高而线性降低;耗散能在压密阶段和弹性阶段数值较小且增长缓慢,含水率越大,耗散的能量越多,进入弹塑性阶段后,吸收的总能量用于耗散作用的比例急剧增长,含水率越小,增长速度越快。声发射事件率随含水量的增大而降低,随围压的增大而降低,表明含水量越低,围压越小,泥岩内部破坏越剧烈,塑性减弱。     

含裂隙泥岩注浆前后力学特性试验研究

采用直剪试验研究注浆前后泥岩裂隙面的闭合和剪切力学性质。试验结果表明注浆加固后泥岩裂隙面的力学性质出现了明显变化:1)注浆后的法向变形量较之注浆前减小了49%~57%;2)注浆后,剪切变形曲线出现了明显的峰值剪切强度和残余剪切强度;3)注浆后剪切刚度变大。注浆前后力学性质变化的原因在于:注入的浆液固化结晶后充填了裂隙的气、液空间,使裂隙面的凸起点接触转变为面接触,浆液结石体与裂隙凸起共同传递应力和抵抗剪切,提高了裂隙的抗剪强度。     

不同加载路径条件下软弱夹层泥岩力学响应及变形规律

原生岩体的整体强度由力学性质最弱的岩层决定.为了研究构造区域软弱夹层泥岩的力学特性及变形规律,设计了4种应力路径下的三轴压缩试验,分析了应力路径和围压对软弱夹层泥岩力学特性及变形规律的影响,提出了应力路径和围压作用下软弱夹层泥岩力学特性及变形规律表征参量.研究结果表明:① 软弱夹层泥岩随着围压的增加呈塑性流动、应变强化的特性;② 卸压极限承载强度可以表征不同应力路径下卸载过程中的岩石承载能力;③ 当卸载过程中轴向应力和径向应力均减小时,软弱夹层泥岩的径向应变最大、承载能力最弱;④ 卸载过程中,软弱夹层泥岩的变形特征符合恶化规律,且弹性模量和泊松比的恶化程度可以分别用一次、二次方程表征.     

单轴压缩条件下胶结型汞矿渣细观破坏机理研究

胶结型汞矿渣在我国贵州省广泛分布,具有结构疏松、粒径相差大等特点,对其力学特性及破坏机理进行研究具有重要意义。选取代表性胶结型汞矿渣,进行单轴压缩—CT扫描试验,并基于颗粒离散元PFC3D程序开展了与室内试验相应的数值试验,研究了单轴压缩条件下的细观破坏规律、机理。结果表明:试样应力—应变曲线具有应变软化特征,在峰值强度前,试样结构趋向紧密,峰值强度附近开始出现裂纹,应变软化阶段,结构急速破坏;裂缝数在峰值强度前呈平缓增长,峰值强度后出现急剧增长,总体呈台阶状变化特征;随轴向应力的增大,位移量不断增大,位移等值线方向与水平面的夹角逐渐变大,最终趋于45°,并行粘结键上所受的力逐渐变大,至最终破坏时才有所减少;靠近上端部颗粒位移矢量,在峰值强度后出现杂乱现象;颗粒接触数在初始阶段有一定的增加,但随轴向应力的增大,颗粒接触数逐渐降低,并在峰值强度后急剧减少。     

冻融循环作用下砂岩受拉损伤特性的声发射试验

在煤矿井巷冻结法施工工程中,地下工程结构的破坏常始于受拉区域,因此开展冻融岩石的抗拉强度劣化机理研究有一定意义.对不同冻融循环作用下的砂岩进行巴西劈裂实时声发射监测,从细观层次探讨了冻融作用对砂岩劈裂损伤过程的影响.结果表明:冻融作用引起砂岩物理性质改变,抗拉强度降低;冻融砂岩劈裂损伤在时间域具有连续演进的特征,损伤发...     

深井温湿环境下泥页岩力学特性及微观孔隙结构演化机制

微观孔隙结构对页岩油气藏的勘探利用具有重要意义。以松科二井深层泥页岩试样作为研究对象,进行了热、液作用下的泥页岩力学特性和孔隙变化研究。采用场发射扫描电镜（SEM）、高压压汞、CT扫描等实验方法,对饱和和加热处理的泥页岩进行了微观孔隙特征对比研究。结果表明：该泥页岩试样主要孔隙类型包括微裂隙、粒间孔、粒内孔等,其中发育较多的微纳米缝,主要尺寸区间为20~400 nm;饱和湿度、高温加热均会降低泥页岩的孔容、孔隙率以及渗透率,且温度越高影响越明显,饱和试样纳米级孔隙收缩减小,1~35 μm占比增多,大于35 μm孔隙占比减少,内部宏观裂缝被吸水膨胀矿物填充;加热试样纳米级孔隙向两侧开裂,40~100 nm孔隙转化为数百纳米甚至微米级孔隙,1~50 μm孔隙占比增加,内部宽大裂缝被填充形成细小圆孔裂缝。同时借助计算机软件对CT扫描所获取的泥页岩样品进行三维孔隙模型的重建,以提供更加清晰、逼真的立体化展示和对泥页岩表面及内部微观孔隙进行定量研究。     

非均衡开采下立井井壁破裂机理及修复技术

针对煤矿非均衡开采(工广保护煤柱开采)情况下引起的立井井壁破裂现象,用弹性力学方法解释了该种情况下的井壁破裂机理。在此基础上,应用卸压槽法修复破裂井壁技术对该立井井壁进行了修复。工程实践表明,该修复技术可达到根治井壁破裂的目的。     

不同水饱和度充填体力学性能及损伤机制研究

注浆充填被广泛应用于提升岩溶区溶洞的工程稳定性,充填体力学性能直接影响工程建设及服役安全性.采用单轴抗压强度试验机、压汞仪和扫描电镜针对不同含水饱和度石灰石尾矿基充填体的力学特性和损伤机制进行了系统研究.结果表明:随着饱和度增加,充填体抗压强度先提高后减小,饱和度为75％时,抗压强度最优,养护龄期为28 d时抗压强度可达6.8 MPa.微观分析可知,充填体水化产物为无定形凝胶(C-S-H凝胶、N-C-S-A-H凝胶)、钙矾石和未反应的石灰石尾矿颗粒,含水饱和度为75％时,内部结构最致密.基于充填体的应力-应变关系,描述了单轴压缩条件下不同饱和度充填体的变形过程,随着饱和度的增加,充填体破坏模式由剪切破坏转变为拉伸破坏.因此,建立了不同饱和度充填体的损伤本构模型,为岩溶充填工程的设计及服役性能评判提供可靠依据.