冻结红砂岩力学特性试验研究

为了研究梅林庙矿区红砂岩在冻结条件下的力学性质,对红砂岩试样分别进行了不同围压以及不同温度条件下的三轴力学特性试验。试验结果表明:围压和温度对于冻结岩石有着很明显的影响。在-15℃条件下红砂岩轴向抗压强度与围压呈线性增长关系,红砂岩仍然遵循莫尔-库伦强度准则,其黏聚力为11.99MPa,内摩擦角为33.7°。在围压为12MPa条件下红砂岩抗压强度与温度呈现二次曲线的关系,弹性模量与温度呈线性关系,而泊松比受温度的影响并不大。利用曲线拟合得出3种不同围压下强度与温度的关系式,从而为井筒科学掘进提供理论支撑。     

富水基岩井筒冻结壁砂质泥岩力学特性试验研究

在深厚表土层或基岩中建设煤矿井筒,冻结法是有效穿越不稳定的厚表土层或基岩的有效施工方法。为了给立井冻结壁和井壁设计提供合理的设计参数,对冻结壁岩石的力学特性试验很有必要。以陕西彬长矿区胡家河煤矿立井冻结施工工程为背景,对主井井筒砂质泥岩,进行了不同冻结温度梯度状态下的单轴、三轴力学特性试验研究。研究了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和变形特性的变化规律。试验结果表明:随着冻结温度的降低,冻结砂质泥岩的强度在提高,主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的强度得到提高。     

高温对砂岩强度特性的影响试验研究

为了研究高温对砂岩强度的影响,利用中国科学院武汉岩土力学研究所XTR01岩石力学试验机对200～1 000℃高温处理后的砂岩开展三轴压缩试验,研究砂岩物理力学特性与温度和围压的关系。试验结果表明:砂岩的三轴抗压强度和弹性模量都随温度的升高呈现先增大后减少的变化规律,在600℃时达到最大值;三轴抗压强度和弹性模量随围压的增大而线性增加。由此得出600℃是砂岩的1个阀值温度。     

含盐冻结粉质砂土力学性质的试验研究

在-6 ℃的温度下对含盐量为0.5%的冻结粉质砂土在0.3~18 MPa的围压范围内进行了三轴压缩试验,试验结果表明,低围压下围压对应力-应变曲线影响明显,随围压的增大,这种影响逐渐减弱;强度随围压的变化规律可分为3个阶段,分别为强度快速增长阶段、强度缓慢增长阶段、强度降低阶段;初始切线模量E0和0.5倍强度处割线模量E0.5随围压的变化规律均可分为3个阶段,第1和第2阶段均随围压增大而增大,且第2阶段变化率均较第1阶段大,第3阶段随围压增大而减小,但E0.5在整个围压范围内随围压的变化率均较初始模量小,在工程计算中若采用E0.5作为变形指标可在较大围压范围内取常数,而E0必须考虑围压的影响。     

高家堡煤矿冻岩单轴压缩力学性质试验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究砂岩低温下物理力学性质变化,对高家堡煤矿525,657和782 m深度层位砂岩,进行了不同低温(-15～-5℃)下的单轴压缩试验,观察3个深度层位砂岩在不同低温下的单轴压缩后的破坏模式,并分析应力、应变变化规律以及单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化规律。试验结果表明,在试验温度范围内,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比均受温度影响较大,单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低而增加,泊松比随温度的降低而减小。拟合出砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化曲线,得出结论:砂岩单轴抗压强度和弹性模量在-15～-10℃温度范围内的变化率,比在-10～-5℃温度范围内更大;而其泊松比变化率受温度影响不大。     

负温条件下梅林庙矿红砂岩强度特性及变形规律研究

利用冻三轴试验机研究了负温条件下梅林庙矿红砂岩的力学特性与变形规律。在-15℃低温条件下对红砂岩施加4种围压,分析了围压对岩石强度和弹性模量的影响。结果表明,在冻结条件下红砂岩轴向抗压强度与围压、弹性模量与围压均呈线性关系,红砂岩仍然遵循库仑强度准则。经回归分析得到红砂岩黏聚力为12.7 MPa,内摩擦角为30.4°。岩石破坏形式与围压大小相关。     

围压下岩石破坏过程的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D对模拟岩样进行了双轴压缩模拟,从细观角度观察和分析了围压对岩石强度特征、变形特征和破坏形态的影响。研究结果表明:随围压增加,岩样的抗压强度呈线性增强,且符合库伦强度准则;岩样的初始破裂应力和裂损应力均随围压增大而线性增大,但与峰值抗压强度的比值接近常数;岩样的弹性模量亦随围压增大而增大,但在较高围压时趋于平稳;压缩过程岩样轴向峰值应变和径向峰值应变均随围压增大呈线性增大,轴向峰值应变的增加幅度更大,且在模拟围压范围内均出现了体积扩容现象;围压下岩样以剪切破坏为主,且随围压增大,岩样破坏模式由脆性向延性转变,但围压对破坏角的影响较小,符合库伦准则。     

裂隙性质对岩石压缩力学特性影响的扩展有限元研究

为探讨裂隙面变形参数对非贯通裂隙岩体压缩特性的影响，基于ABAQUS中的应变软化模型描述岩石力学行为，采用扩展有限元法(XFEM)计算裂纹扩展路径，重点研究了裂隙几何参数(长度、倾角、中心距、排距、数量)、强度参数(裂隙面摩擦因数)、变形参数(裂隙面法向刚度及切向刚度)以及围压对裂纹扩展路径和岩石压缩力学特性的影响。研究结果表明，裂隙岩体单轴抗压强度和弹性模量随裂隙长度和数量的增加而不断降低；随着裂隙中心距和排距的增大，裂纹面间相互作用减小，裂隙岩体抗压强度和弹性模量均有不同程度的提高；随着围压、裂隙面摩擦因数、裂隙面法向刚度及切向刚度的增大，裂隙岩体抗压强度和弹性模量均随之提高；随着裂隙倾角由0°增加至75°,试样的抗压强度先减小后增大，并在倾角为45°时最小，呈开口向上的抛物线规律变化；裂隙长度、数量、倾角、中心距、排距以及围压对裂纹扩展路径影响较大。     

冻融循环条件下人工冻结砂土力学特性试验研究

通过两淮地区人工冻结砂土在不同含水率和冻结温度(-5℃、-10℃、-15℃等3水平)下进行冻融循环单轴无侧限抗压强度试验。结果表明：在冻结温度较高(-5℃)的条件下,不同含水率的冻结砂土随着冻融循环次数的增加,无侧限抗压强度先减小后增大。当冻结温度较高(-10℃)时,随着冻融作用次数的增加,瞬时强度先增加后减小,但变化幅度很小。当冻结温度为-15℃时,冻融作用对人工冻土的单轴抗压强度影响不显著。在试验温度范围内,冻融作用使其强度变化范围为0.16～1.32MPa。试验结果对深部矿井冻结法设计和施工提供科学指导。     

高饱和度下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性试验研究

为了解含瓦斯水合物煤体的力学特性,利用自主研发的低温高压水合固化反应-三轴压缩一体化装置,开展了2种高饱和度条件下含瓦斯水合物煤体的三轴压缩试验。结果表明:1)含瓦斯水合物煤体的应力-应变曲线均呈软化型,分为峰前线弹性阶段和强化段、峰后应力软化段和残余变形段四个阶段;2)含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度随饱和度增加而增大,且随围压增加而线性增加;3)饱和度相同时,含瓦斯水合物煤体在初始屈服点、峰值强度点和残余强度的内摩擦角变化不大,而黏聚力则出现先增大后减小的趋势;4)含瓦斯水合物煤体呈现拉剪破坏以及单面剪切破坏2种破坏模式。     

冻融循环和围压对岩石物理力学性质影响的试验研究

对饱和红砂岩进行开放系统下的冻融循环试验,记录红砂岩的冻融劣化过程及破坏特征;当试样经历0,5,10,20,40次冻融循环后,分别进行4种设定围压下的力学特性试验,分析了冻融循环和围压对岩石物理力学性质的影响规律。研究表明:红砂岩的冻融劣化模式主要为颗粒剥落、龟裂、脱落及断裂模式。随着冻融循环的进行,岩样的质量和密度呈现先增后减的趋势,而纵波波速持续减小;随着冻融循环次数和围压的增加,岩石的压缩性不断增强,峰值应变逐渐增大,塑性屈服段渐趋明显,残余强度降低速率减慢,破坏形式由脆性转化为延性;而弹性模量、抗压强度及残余强度随着围压的增大不断增大,随着冻融循环次数的增大明显减小。岩石的细观结构经历损伤的非线性演化,显现出宏观力学特性的变化。     

Analysis of the mechanical property of mudstone/shale in paralic coal measures and its influence factors

The mechanical property of mudstone/shale in coal measures is a key factor of engineering mechanics that influences the development of shale gas. A rock mechanics test was performed in order to analyze the complete stress-strain mechanic characteristics and influence factors of mudstone/shale in paralic coal measures, from the Carboniferous-Permian periods in a coal field of Northern China. The relationship between the mechanical properties of mudstone/shale in coal measures, and its chemical component, water content are established, and their models are constructed. Research results show that mudstone/shale has low mechanical strength, low elastic modulus and a high Poisson’s ratio. The complete stress-strain curve has apparent elastoplastic deformation characteristics, and after reaching peak strength, it exhibits obvious strain softening characteristics. The uniaxial compressive strength of mudstone/shale and its elastic modulus increases exponentially with the increase of SiO₂ content, and as the ignition loss increases, the uniaxial compressive strength and elastic modulus of mudstone/shale will decrease according to the law of power function. The compressive strength of mudstone/shale and its elastic modulus will decrease with the increase of water content in mudstone/shale.     

潜江超深盐矿盐岩力学特性的试验研究

对取自潜江白垩系地层2000 m的盐岩试样,进行了一系列的力学特性试验。包括单三轴压缩试验,巴西劈裂试验,直接剪切试验。研究了盐岩的单轴抗压强度,弹性模量等,并与国内外其他地区盐岩相比较,得出潜江盐岩单轴抗压强度,弹性模量都偏小;研究了三轴压缩强度特性,着重研究了模拟地层温度和高围压条件下,温度和高围压对盐岩力学特性的影响机理,研究表明:温度对盐岩的力学特性影响明显,盐岩塑性变形能力非常强,围压对弹性模量的影响非常小,高围压下盐岩没有明显的破坏面,不再是单纯的剪切破坏;同时对盐岩的抗拉强度,抗剪强度参数进行了研究,得到潜江盐岩的抗拉强度为1.041 MPa,抗剪强度参数c,φ值分别为2.46 MPa和41.36°     

白云岩三维动静组合加载力学特性试验研究

为研究白云岩的力学特性和破坏模式,利用改进的三维SHPB动静组合加载试验装置,对白云岩进行三维加载、轴向冲击试验,分析轴压、围压和应变率对白云岩强度、变形模量、能量吸收等的影响,探讨岩石动静组合加载的应变率效应。试验结果表明：当围压一定时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大呈现出先增大后减小的趋势,变形模量随着轴压的增大而减小;白云岩单位体积吸收能会随着轴压的增大而先增加后降低。轴压固定时,白云岩的抗压强度和变形模量随着围压的增加而增大,白云岩强度增长因子有显著的应变率效应;白云岩单位体积吸收能会随着围压的增大先升高而后降低,随平均应变率的增大而增大。在三维动静组合加载下,岩石的破坏模式为压剪破坏。     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

烧结温度对钡渣陶瓷砖结构和力学性能的影响

以钡渣和高岭土为原料,采用固相烧结法制备钡渣陶瓷砖,通过抗压强度、吸水率及X射线衍射仪(XRD)分析,研究了烧结温度对钡渣陶瓷结构和力学性能的影响。研究表明,随着烧结温度升高,钡长石相逐渐增多,晶粒尺寸增大,晶格应变减小,吸水率降低。此外,1100℃烧结的陶瓷具有最佳力学性能,此温度下十二烷基硫酸钠(SDS)添加量为0.8%的陶瓷样品与不含SDS样品相比相结构组成相似,但SDS添加量为0.8%样品抗压强度和吸水率表现更优。因此,合适的烧结温度与SDS添加量都对陶瓷材料的相结构组成、晶粒尺寸、晶格应变、抗压强度和吸水率有重要影响。     

神东矿区煤系地层岩石物理力学性质

岩石物理力学参数是数值计算、相似模拟、顶板分类、支架选型等理论分析和现场安全生产管理的基础性工作。分别从补连塔煤矿、大柳塔煤矿及布尔台煤矿采集岩芯并进行了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验,分析了不同沉积时期的密度、RQD值、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角等参数。根据试验矿井地层情况,将3个试验矿井的岩层划分为8个沉积时期,分别为白垩系、侏罗系安定组、侏罗系直罗组、侏罗系延安组1-2煤、侏罗系延安组2-2煤、侏罗系延安组粉砂岩、侏罗系延安组4号煤及侏罗系延安组底部。神东矿区岩层以砂岩为主,尤其是白垩系岩层主要为砂岩层。按沉积时期分组试验结果表明:随着沉积时间的增加,岩石的密度呈增大趋势,但是增大幅度不明显;岩石的抗拉强度、抗压强度、弹性模量及黏聚力与沉积时间呈现出一定的正相关关系;RQD值及内摩擦角与生成时间无明显的关系。生成时间对岩石的力学参数影响较大,其中,沉积时间对中粒砂岩抗拉强度的影响最大,最大值是最小值的31.2倍;沉积时间对中粒砂岩抗压强度及弹性模量的影响最大,单轴抗压强度最大值是最小值的12.4倍;弹性模量最大值是最小值的32.8倍;白垩系及侏罗系安定组的物理力学参数相对其它沉积时期要小很多。     

焦家金矿全尾砂充填体三轴试验研究

充填采矿法可有效解护采矿生产过程中尾矿库塌陷和环境污染等问题,充填材料主要以水泥作为胶结剂,但普通水泥充填体强度低、充填成本高。鉴于此,以焦家金矿全尾砂为研究对象开展充填体常规三轴试验,以水泥作为对照,对比分析矿渣基胶结剂在不同龄期(3、7、14、28 d)和不同围压(0、50、100、300、500 kPa)下的力学特性。结果表明,矿渣基充填体可有效提升充填体早期强度,其不同龄期的抗压强度均大于水泥充填体。龄期的增加促使充填体从塑性向脆性的转化,围压的增加促使充填体从脆性向塑性的转化。Mogi-Coulomb强度准则比Mohr-Coulomb强度准则更适用于评估焦家金矿全尾砂充填体力学特性随着围压的增加,充填体的破坏特征从张拉破坏到剪切破坏,破坏裂纹分布密度减小；龄期对充填体破坏模式影响不大。试验结果表明矿渣基可解决充填体强度低、固体废弃物堆存等问题,有利于矿山企业可持续发展。