沉积岩石全应力应变过程的渗透性试验研究

通过实验室内全应力应变过程渗透性试验研究,分析了不同岩性喾岩石的应变－渗透率试验曲线,阐述了不同岩性岩石在变形破坏过程中渗透性变化的规律,概化出岩石的一般应变－渗透曲线。研究表明,岩石的应变－渗透率曲线是岩性、结构、应力状态等各种影响因素综合反映的结果。     

薄基岩近距离煤层开采"水-岩"致灾演变模型及规律研究

为研究薄基岩近距离煤层开采的"水-岩"致灾演变规律,建立了薄基岩覆岩裂隙扩展渐变破坏模型并分析了岩石的3种破坏模式,从平面及空间角度揭示采动覆岩岩体裂隙扩展过程中的渐变失稳破坏发育特征;构建覆岩岩体破坏致灾演变力学模型,从力学角度上解释覆岩破断致含水层突水致灾过程。结合工程实例,采用UDEC及FEFLOW数值模拟软件分别建立数值模型,模拟分析近距离煤层回采覆岩失稳破坏特征及地下水体运移渗流特征,揭示采动条件下地下水体运移致灾演变规律。研究结果表明:开采活动破坏了地下水体原有的渗流规律,近距离煤层的重复采动极大地增加了覆岩岩体内裂隙密度及宽度,裂隙带内的渗透性增加,覆岩裂隙是水的渗流、运移的主要通道,导水通道的拓宽从而导致突水致灾危险性增加。     

基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性研究

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义.开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段;基于CT扫描技术的裂...     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

华北型煤田峰峰组碳酸盐岩渗透性特征分析

中奥陶统碳酸盐岩是华北型煤田开采下部煤层的主要充水含水层.为开采深部煤炭,对山西阳泉矿区峰峰组碳酸盐岩进行偏光显微镜、扫描电镜、全应力一应变下的渗透性试验研究,分析了不同岩性沉积岩石的应变-渗透率试验曲线,阐述了不同岩性岩石在变形破坏过程中渗透性变化的规律,得出岩石的一般应变一渗透曲线.研究表明,岩石的应变-渗透率曲线是岩性、结构、应力状态等各种影响因素综合反映的结果,该煤田峰峰组碳酸盐岩可作为隔水层或相对隔水层.     

空心岩样径向渗流-轴向应力特征与巷道围岩渗透突变机理

为了探究承压水下巷道围岩的渗透突变机理，针对空心岩样的渗流-应力特征开展了一系列室内试验和渗透突变表征模型研究。自主研制了一套空心岩样径向渗流-轴向应力试验系统，突破了仅开展轴向渗流的传统试验条件限制，实现了径向渗流及轴向应力同步进行。采用该新型试验系统，以孔径(5～20 mm)和水压(0.5～2.5 MPa)为变量开展多组空心红砂岩渗流-应力试验，得到空心岩样径向渗流-轴向应力特征。试验结果表明径向渗流的蚀损作用引起岩样黏聚力、内摩擦角等力学参数衰减，增大水压，渗流的蚀损作用变强，岩样内部裂隙贯通通道形成时间缩短，渗透突变现象提前发生。大孔径岩样对轴向应力敏感度更高，内部结构受径向渗流蚀损作用易破坏，渗透突变发生时间缩短。岩样渗透率在试验过程中存在3种状态：(1)以孔隙结构为主要渗流介质的孔隙渗流状态；(2)以局部裂隙结构为主要渗流介质的非稳定渗流状态；(3)以贯通裂隙结构为主要渗流介质的渗透突变状态。渗透率达到峰值的试样渗流介质为受水压影响产生的贯通裂隙结构，峰值渗透率随水压增大呈线性增长，与孔径没有明显关系。以裂隙体积变化为纽带建立空心岩样渗透突变表征模型，模型计算值与实验结果吻...     

煤岩层理效应对甲烷吸附-解吸及渗流规律影响的实验研究

为了研究煤岩试件中层理面的存在对甲烷吸附-解吸规律以及渗流规律的影响,通过实验室对含不同倾角的层理面试件进行了吸附解吸试验、全应力-应变-渗流试验,对实验结果进行分析。结果表明:1)甲烷在吸附-解吸过程中,随煤岩层面倾角增大,甲烷吸附速度增加,吸附总量及体积应变不变;2)煤岩试件受层理接触面力学特性、物理特性的双重影响,在应力-应变曲线5个阶段分别对瓦斯渗流规律造成影响,表现为很强的层理效应;3)层面倾角越大,试件内甲烷渗流有效路径越多,初始渗流速度越快;4)甲烷渗流速度受压缩过程中煤岩轴向孔隙、裂隙压缩,径向孔隙、裂隙扩展的影响,最终在煤岩试件发生失稳破坏前,瓦斯渗流速度降至最小值,最小渗流速度时的轴向应变与峰值ε_p的比值随层面倾角增大而减小;5)在峰值强度后,煤岩发生失稳破坏,并伴随大量弹性能释放、裂纹扩展。弹性能释放越强烈则裂纹发展越密集,瓦斯渗流速度出现激增现象,最终渗透率b=0°b=90°b=30°b=60°。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α<45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α>45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正...     

裂隙倾角对岩石破坏形态影响的数值模拟

采用离散元数值分析软件PFC~(2D)对含不同裂隙角度的岩石在单轴压缩下的扩展规律及力学特性进行数值模拟研究。结果表明:不同裂隙角度对裂隙在岩石中的扩展及破坏有较大影响;裂隙在尖端处起裂,当裂隙角度较小时,在扩展过程中裂隙周围应力分布比较均匀,裂隙沿平行于加载方向扩展至试样破坏;当裂隙角度较大时,裂隙扩展受应力分布影响较大,次生裂隙较多,主要沿裂隙角度方向扩展;根据裂隙倾角对峰值强度和劣化系数的影响曲线,通过拟合分别得到峰值强度和劣化系数与裂隙倾角间呈指数函数关系。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

某露天矿边坡稳定性计算方法探讨

以露天矿边坡工程为研究背景,结合现场工程地质情况,分析了露天矿开采区域的岩石力学及岩体结构特征。在岩石力学和岩体结构特征研究的基础上,利用GEO-SLOPE极限平衡理论建立了充分反映边坡工程的力学模型,研究了边坡受开挖影响的力学效应,并通过建立简易的边坡位移监测网测定位移变化规律,并与数值模拟的变化趋势进行对比分析,为露天边坡稳定性分析提供一定的理论和实际依据。     

HML磷矿露天边坡岩体力学参数测试及折减方法

为了对HML露天矿进行边坡稳定性分析,需要全面了解边坡地质情况和获取可靠合理的边坡岩体力学参数。通过室内岩石力学试验测量得到了HML矿山边坡岩体的抗拉强度、泊松比、弹性模量等力学参数。并采用几种基于室内岩石样本试验和工程地质资料相结合的岩石力学参数的折算方法,对测得的HML边坡岩样力学参数进行处理,得到了可用于实际工程分析和建模计算的较为合理、准确的岩石力学参数。     

HML磷矿露天边坡岩体力学参数试验测试及折减方法

在对边坡稳定性分析进行研究时,不管是采用数值模拟手段还是理论分析计算的方法,岩体力学参数选取的可靠性与合理性在很大程度上能够决定了计算结果的准确性,由此可见,矿岩的物理力学性质的研究是边坡稳定性研究的基础[1,2]。岩体与岩石的力学性质存在很大的差异,主要是因为岩体中结构面的存在,以及岩体赋存在一定的地质环境中受水、风化等外营力作用[3]。本次研究以HML磷化工有限责任公司磷矿山露天地下联合开采工程某边坡为研究背景,通过现场取样、室内实验测试、参数折算得到比较满意的岩石力学参数。     

辉绿岩在加、卸荷条件下的岩体力学特性试验

根据地下工程岩体开挖失稳的特点,通过室内对辉绿岩在不同的围压下的加卸载试验,研究了辉绿岩在不同的加卸载路径下的力学特性;并采用能量理论、损伤力学的观点对室内试验的岩体破坏的力学特性进行了分析,得到了岩样在加卸条件下岩体的变形特征、岩体损伤演化过程、不同路径下的岩体强度等特性,并对不同路径的力学特性、力学参数和破坏机理进行了对比分析。根据试验结果表明：采用卸载的方式获得的岩体力学参数更接近于地下工程的开挖实际。     

软岩试件非线性蠕变特征及参数反演

根据深部软岩室内三轴剪切和单试件分级加载蠕变试验结果,采用岩石蠕变力学元件模型和经验本构相结合的方法,获得描述岩石非线性蠕变本构模型。利用现场实测数据对软岩巷道开挖过程进行了参数反演,获得了和试验相一致的软岩本构力学模型参数,反演结果验证了该模型的可行性。     

工程爆破中装药不耦合系数的研究

在爆炸动力学和岩石力学理论分析的基础上,对工程爆破中不耦合系数在不同的装药条件下进行了计算,得到了相应的计算表达式,并以轴向不耦合系数为例进行了相关的试验研究,得到了良好的效果,对理论分析和工程应用都有一定的参考意义。     

煤岩与顶底板岩石力学性质及对煤储层压裂的影响

基于不同地区煤岩及顶、底板岩石样品的力学性质数据,总结了主要岩石类型的力学性质特征,重点对两者力学性质的差异进行了对比研究,分析了决定岩石力学性质的主要控制因素,如岩性、孔隙特征和含水率.以此为基础讨论了两者力学性质差异对煤储层水力压裂的影响.研究表明,岩石的强度随孔隙度的增大而减小;岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与孔隙性,水分对不同岩性岩石强度的影响方式和影响程度存在差异.力学性质的差异,影响了煤层中地应力场的分布,使得煤层气井水力压裂表现出与常规储层水力压裂不同的特点.     

基于突变理论和广义H-B强度准则的采空区顶板稳定性分析

为实现煤矿采空区塌陷区土地的治理利用,对煤矿采空区进行顶板稳定性的分析与研究。鉴于采空区顶板的失稳破坏是一个非线性的过程,分别从结构力学和岩体本构关系两个角度建立采空区顶板稳定性分析模型。首先将采空区顶板岩梁结构简化为力学三铰拱模型,然后进行力学分析,求出其力学结构系统的总势能,基于突变理论,建立其力学结构失稳破坏的尖点突变模型;其次构建基于极限平衡法的采空区顶板筒状塌落一般模型,考虑到实际工程的广泛应用,进而建立基于广义H-B强度准则的矩形采场顶板筒状塌落极限平衡分析模型。最后通过不同工程算例分别对2个模型进行了分析和验证,且二者计算结果均与工程实际情况一致,说明两种模型均适用采空区顶板稳定性的分析,为研究采空区稳定性提供一种新的途径。     

软岩注浆力学改性试验研究

以注浆理论研究为指导,提出了一种新型注浆材料并阐述软岩力学改性原理,对软岩注浆前后采用工程实测及显微CT扫描试验的方法,分别从宏观、微观的角度并结合工程实践诠释软岩力学改性成效。     

充填体矿柱刚度对采动地压分布影响分析

为研究充填体变形特性对采动压力分布的影响规律,采用弹性地基梁理论和结构力学理论,构建了充填体矿柱采动地压分布力学模型,给出了充填体变形参数影响下的矿柱压力理论解析解,分析了不同刚度比对采动地压分布影响规律,并提出了基于充填体与围岩变形参数匹配的充填体力学设计方法。研究结果表明：充填体与围岩变形参数对充填采场采动压力分布影响显著;岩体与充填体弹模比小于1000时,围岩及充填体采动压力对弹模比的参数敏感度较高;在充填体参数设计时,应将岩体与充填体弹模比控制在1500以内,为类似充填开采矿山的充填体力学设计提供了有益参考。