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...     

不同含水状态凝灰岩损伤演化试验研究

为探究矿井巷道、隧道开挖过程中岩石含水状态对围岩变形稳定的影响,开展干燥、自然及饱水状态下凝灰岩三轴压缩试验.基于三维数字图像相关技术研究了含水状态与岩石全应力-应变曲线、表面变形场、变形局部化及损伤演化特征的对应关系.结果表明:从干燥到饱水状态试件各特征应力阈值显著降低,弹性模量与泊松比显著降低;破坏阶段全应力-应变曲线跌落趋势趋于平缓,软化特征明显.从干燥到饱水状态试件表面变形非均匀程度增加,变形局部化现象提前启动,变形局部化带宽度明显增加.从干燥到饱水状态试件局部化轴向、径向启动应力水平显著降低,且与含水率保持良好的线性关系.基于变形场数据统计分析提出表征岩石表面损伤大小的损伤因子,干燥及自然状态损伤因子呈突发式增长现象,而饱水状态下呈缓慢增长趋势;不同含水状态损伤因子演化曲线均存在"突变点",统计结果表明随着含水率增加,损伤突变点对应应力水平值显著降低.     

孔隙水压作用下主井砂岩变形强度特性研究

以湖北祥云磷矿矿区含水层的砂岩为研究对象，开展了水-力耦合试验，探讨围压和孔隙水压对岩石变形特性和强度特性的影响。研究结果表明：水-力耦合作用下砂岩试件的应力-应变曲线的发展趋势基本一致，其轴向应变-应力曲线均经历了原生裂隙压缩闭合阶段、线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹不稳定发展阶段和峰后残余阶段等5个阶段；试件的峰值轴向应变与孔隙水压呈负相关，与围压呈正相关，而峰值环向应变和体积应变随着孔隙水压的增大而上下波动；砂岩的峰值偏应力、残余偏应力、起始扩容偏应力与孔隙水压呈线性正相关关系，而与围压呈现负相关。研究成果展现了地下水对祥云磷矿砂岩力学性能的影响规律和影响程度，可为该矿区砂岩的稳定性分析提供参考。     

水力耦合下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验研究

为了研究节理砂岩在高地应力、高水压耦合环境下性能发展情况,利用配有渗流装置的岩石三轴伺服试验机,开展不同围压与渗透水压下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验.结果表明:节理砂岩三轴压缩渗透峰值强度随着围压增加而增大、随着渗透水压增加而减少,围压对峰值强度的积极影响要大于渗透水压对峰值强度的消极影响;初始渗透率受试件所处力学环境...     

常规三轴压缩条件下茅口灰岩流固耦合破坏行为研究

采用瞬态法在MTS815岩石力学试验机上进行常规三轴压缩条件下岩石渗透性试验,得到不同围压,不同孔隙水压下茅口灰岩的全应力-应变曲线与渗透压差ΔP的变化曲线,根据试验曲线,分析全应力-应变下茅口灰岩的渗流、强度以及破坏特征。研究表明,岩石在全应力-应变过程中渗透压差ΔP表现为初始下降阶段I,缓慢变化阶段II,非稳定下降阶段III和急剧下降阶段IV共4个阶段,这4个阶段可预测出岩石在全应力-应变过程中渗透率先降低后增加,并在峰值时急剧上升的规律;分别研究了孔隙水压和围压对岩石的峰值强度与变形特性的影响,得到随围压或有效围压的增加,岩石的峰值强度、弹性模量均会增大,但岩石泊松比呈下降趋势的规律,而孔隙水压对岩石峰值强度、弹性模量和泊松比的作用与围压的作用相反。     

饱和破碎砂岩随时间变形-渗流特性试验研究

采用恒定应力水平下的变形初期渗流和变形后期渗流2种试验方案,对初始孔隙率基本相同的饱和破碎砂岩进行了5级应力水平下恒载变形过程中不同流速的渗透试验,探索不同阶段的变形与渗流的相互影响;得到了岩样在不同应力水平下的孔隙率时间曲线、孔压梯度与渗流速度关系曲线以及轴向应力与恒载终点孔隙率关系曲线等.研究表明:1)恒定应力水平下破碎砂岩的孔隙率时间曲线可用对数函数拟合;2)变形初期渗流中的岩样在渗流时具有相对较高的孔隙压力,其孔隙压力时间曲线在相同流速下不易达到稳定状态,其终点孔隙率明显超出变形后期渗流中相应的数值;3)变形趋于稳定时破碎岩石中的渗流满足Forchheimer关系式.     

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂...     

煤岩渗流-蠕变耦合试验研究

岩石在渗流作用下的蠕变为工程的长期稳定带来了诸多不利影响。研制一种可实现围压加载、轴压加载和空隙水压加载的岩石渗流-蠕变耦合试验装置,进行岩石渗流与蠕变的耦合试验,探讨岩石在渗流作用下的蠕变特性。试验得出：在固定水压和围压的情况下,煤岩轴压对试件弹性形变作用随轴压增加而降低;轴向的瞬时变形随轴压增大而增大;渗流量随轴压升高而降低。在轴压和围压固定的情况下,渗流量和蠕变量随水压的增大而增大,渗流对试件蠕变会产生一定的影响,蠕变也影响渗流量。     

岩石渐进性破坏过程中变形和能量分析

岩石的破坏是一个渐进的损伤演化过程,对于岩石渐进破坏过程的探讨有益于进一步加深对其破坏机理的认识。通过对江持安山岩进行不同围压的三轴压缩试验,分析了岩石整个破坏过程中应变场的演化规律和不同围压条件下的应力、应变及能量变化特征,获得如下结论:岩石在应变软化阶段由应变局部化区域演化为较窄的应变局部化带贯穿试件形成宏观的破裂面,岩石残余强度变形阶段应变主要集中在局部化带内,局部化带外的变形较为均匀,表现为沿宏观破裂面的剪切滑移;各应力阈值对应的轴向应变、径向应变、总应变能、弹性应变能均随围压呈线性递增;峰值强度之前岩石中吸收和存储的能量随围压的增加而增大,总应变能和弹性应变能的增长速率随围压的增加而增大。     

水力耦合作用下煤岩渗流动态演化规律

为探究煤层注水时水在煤体中的渗流演化规律,采用实验室试验与数值模拟结合的方法,开展了地应力及孔隙水压力耦合作用下煤体结构变形及渗透率演化规律试验,并建立了水力耦合下体积变形演化数学模型,基于UDF二次开发进行了煤岩注水渗流动态演化数值模拟。研究结果表明:煤岩孔隙率变化受应力与水压共同作用的影响;煤岩轴向变形量与水压分布由上至下呈递减式传递,体积变形与轴向力、孔隙水压大小成正相关;孔隙水压为赋存于孔裂隙的自由水提供渗透动力,并对煤岩基质骨架产生力学作用,水压越大,煤岩基质骨架越容易破坏;采用UDF程序加载渗透性试验结果对孔隙率随孔隙水压变化进行拟合的结果更接近试验结果,误差较小,对于研究煤岩渗流规律可以提供一定的参考。     

冻融循环作用下腐蚀黄砂岩失稳破坏预警研究

为研究预制裂隙黄砂岩的力学特性和破坏预警，将含2条贯通性平行裂纹的黄砂岩试样在不同冻融循环次数条件下分别经过化学腐蚀处理后进行双轴压缩试验，并采用数字图像相关技术(DIC)和红外热像技术实时监测岩石试样的变形破坏过程。结果表明：黄砂岩试件的强度随冻融循环次数的增加而降低，碱性溶液对冻融循环造成的劣化起到抑制作用；黄砂岩试件的破坏模式主要由翼型裂纹和剪切裂纹构成，翼型裂纹萌生于预制裂隙端部，剪切裂纹在翼型裂纹沿轴向向两端扩展及贯通过程中出现；结合应变局部化带对应裂纹出现的潜在位置与红外辐射温度的前兆异常，可以对岩石的破坏进行预警。     

分级循环加卸载试验下砂岩的力学特性研究

采矿工程中岩体受开挖过程影响易发生不可逆破坏,为保证矿山开采的安全运行,须研究扰动荷载 下岩石的力学特性。为此,探讨了不同围压条件下,致密砂岩在常规三轴加载和分级循环加卸载作用下的力学特 性,并将二者进行对比分析。得出结论：破坏形式均属脆性破坏,循环加卸载下的砂岩试样破碎程度更大;循环加 卸载试验中,试样峰值强度较常规三轴试验有所减小,轴向峰值应变有所增大;增大围压能够提高砂岩抵抗变形的 能力;随着分级循环上限应力值的增加,滞回环曲线的面积逐渐增大,产生的耗散能也逐渐累积;循环加卸载过程 对砂岩弹性模量起到强化效应;同时,循环荷载加剧了裂纹损伤。此研究结果对砂岩在复杂应力下的矿山安全工 程实践具有重要的理论指导意义。     

动态孔隙水作用下砂岩力学特性试验研究

为研究动态孔隙水作用下砂岩的力学特性,采用MTS815.02型电液伺服岩石力学试验系统和PCI-2声发射测试系统,对砂岩进行不同孔隙水压下的三轴压缩声发射试验,分析不同孔隙水压下砂岩的强度、变形及声发射信号特征.研究表明:在孔隙水压作用下,岩样的破坏形式大多为劈裂破坏.随着孔隙水压力的增加,砂岩的抗压强度和弹性模量明显降低,在达到应力峰值时的声发射信号峰值减小,应力峰值附近声发射信号突增明显.     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样，研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能，采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图，并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明，岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律，剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间；加载初期，全局径向应变存在差异，在峰值强度时下端部区域径向位移最大，岩样上端部变形受到端部效应影响，径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制；此外，下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大，岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时，岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应，从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。     

级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

脆性岩石动态渗流特性试验研究

取三峡永久船闸高边坡花岗岩与山西万家寨水电站高边坡灰岩试样分别进行不同围压条件下全应力—应变过程渗流试验．试验结果表明，岩石变形过程渗透性与变形破坏形式密切相关，岩石在破坏前、后不同变形阶段渗流特性具有明显的不同．在破坏前的弹性变形乃至屈服阶段，渗透性较弱且随变形的变化不明显；岩样破坏至应变软化段，渗透系数急剧增强并达到渗透峰值．在试验的基础上进一步探讨了岩石全应力—应变过程渗流特点之机理。     

高围压下高孔隙水压对岩石蠕变特性的影响

为研究高应力作用下深部岩体开挖过程中孔隙水压对围岩时效变形特性的影响,选取重庆某深部细砂岩为研究对象,对其进行不同水压下分级加载蠕变试验,试验表明:孔隙水压增强了砂岩的变形能力,但随着水压的升高,加载初期的一段时间内,水压在一定程度上会延缓轴向变形;蠕变过程中黏弹性模量随时间呈指数函数变化,通过分析不同水压作用下指数函数中参数的变化规律,得到黏弹性模量随时间和水压变化的表达式,进而提出修正的广义Kelvin模型,该模型能较好的描述不同水压作用下岩石的非线性黏弹性蠕变特性。基于不同水压下加速蠕变试验曲线特征,采用拟合、类比的方法引入一个能反映不同水压作用时加速蠕变特征的二元件黏塑性模型,将该模型与修正的广义Kelvin模型串联组成一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型。基于试验结果,利用优化分析软件1stOpt,对模型参数进行辨识,效果比较理想;对比试验曲线和理论曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。     

三轴加载条件下隔水岩层渗透特性试验研究

隔水岩层采动影响下的渗透性能是评估水体下采煤安全与否的关键指标。为研究采动隔水岩层渗透性演化规律,通过进行三轴加载渗流试验,研究围压、水压对不同岩性隔水岩样承压破坏过程中渗透性演化的作用规律。结果表明：（1）隔水岩样三轴加载条件下渗透性演化规律与岩石内部裂隙、空隙压实程度及新生裂隙发育演化密切相关,岩石承载压缩过程中渗透性演化对应分为4个阶段;（2）围压、水压增大的降渗效果随轴压增大而减弱,围压、水压增大对岩石渗透系数的减弱呈现出非线性的特点;（3）岩石渗透性由大至小的顺序为中砂岩、细砂岩、砂质泥岩,岩性及矿物组成是影响围压、水压对岩石渗透系数的作用效果的主要因素。研究成果可为隔水岩层采动影响下隔水性能评价提供理论依据。     

不同水压与初始卸荷水平下砂岩的力学特性及卸荷本构模型

为研究深埋高水压条件下岩石卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,开展了不同水压及初始卸荷水平条件下的三轴加、卸荷试验,研究了卸荷下砂岩的应力-应变特征、强度变形特征等,并推导了卸荷本构模型。研究表明:对于卸荷试验,当初始卸荷水平n降低或者水压p增大时,砂岩的卸荷极限强度和轴向应变ε1降低,表现出更明显的脆性特征,侧向应变ε3增大,扩容特征越明显。相对于常规加载试验,卸荷试验的峰值黏聚力c最大降低59.78%,峰值摩擦角最大增加54.72%,初始卸荷水平n每降低0.1,峰值c(φ)约多减少10%(10%~15%)。将卸荷应力-应变曲线划分为4段,选取Mohr-Coulomb屈服准则,对参数a_f,a_r,b_f,b_r进行了一元、二元函数拟合,获得了各参数的变化规律,最后得到了卸荷条件下的本构关系。结果表明,理论模型与试验结果吻合较好。     

饱和破碎砂岩承压变形及渗流特性试验研究

本文采用破碎岩石变形-渗流试验系统,对级配破碎砂岩在不同加载类型、不同加载方式作用下的压缩变形及渗流特性进行了研究。研究发现:随着轴向荷载等级的增加,碎石轴向位移逐渐增大,残余碎胀系数与空隙率逐渐减小,且加载阶段较恒载阶段变化明显;相同轴向荷载条件作用下,饱和碎石比干燥碎石更易产生变形且加载终点位移累积变形量更大。轴向荷载作用下,碎石被挤压密实,空隙率降低、渗透系数减小,碎石骨架结构破坏明显,而水压作用下碎石骨架结构较为完整。轴压加载与轴压循环加卸载作用下碎石渗透系数与轴压均呈负指数函数关系,渗透系数随轴压的增大而逐渐减小。轴压循环加卸载过程中,加载阶段,渗透系数随轴压增加而降低,卸载阶段,渗透系数随轴压降低而增加,渗透系数差值与损失量主要发生在加卸载作用初期,且两者均随轴压加卸载次数的增加逐渐减小。