干湿循环作用下弱胶结砂岩声发射特征及其细观劣化机理

针对弱胶结砂岩遇水软化和泥化现象,采用饱水实验、QEMSCAN扫描电镜以及声发射试验,对不同干湿循环次数作用下弱胶结砂岩的物理力学性质及其细观结构特征变化进行了探讨。研究表明:弱胶结砂岩遇水软化宏观特性分为4类,其宏观特性的差异主要取决于弱胶结砂岩细观颗粒胶结方式、胶结物成分和含量相关等细观参数;弱胶结砂岩遇水软化细观特征,一方面在饱水过程中胶结物溶蚀逐渐减少、颗粒自身膨胀产生细粒碎屑,另一方面饱水过程中导致岩样内部次生孔隙率增大;随着干湿循环次数的增加AE事件计数率与能量释放率也不断的降低,主要是干湿循环次数增加,砂岩内部骨架颗粒与胶结物质均得到不同程度的软化,颗粒胶结性能变差,裂纹发展速度较缓,规模较小,释放的能量较小,因此,随着干湿循环作用增加砂岩破坏时出现较低的试件计数率和能量释放率,反映出干湿循环次数增加后应力扰动敏感性降低进而导致破坏程度降低,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

西部典型弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的类相变特征研究

以西部弱胶结粗粒砂岩为研究对象,采用细观测试、力学测试、声发射监测和理论分析等研究方法,获得了弱胶结粗粒砂岩细观结构形态和矿物成分,分析了弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的声发射信号频率组合模式。研究表明:弱胶结粗粒砂岩在细观结构上是以颗粒物质、胶结物质及孔隙胶结而成的颗粒胶结体系,颗粒接触特性和矿物成分是其物理现象与力学机制发生的内因;在应力峰值前,声发射信号的峰频频段3(31.25～46.875 kHz)占比先迅速减小,后趋于平稳,而频段10(140.625～156.25 kHz)占比先增加,后趋于稳定,存在低频信号向高频转化的现象;弱胶结粗粒砂岩在单轴压缩破坏过程中存在"类相变"临界状态,即弱胶结粗粒砂岩细观结构上的颗粒接触状态由连续接触状态转变为离散状态的类相变过程;且弱胶结粗粒砂岩达到某一应变状态时,试件对振动或者扰动异常敏感,微小的应变Δε极易导致弱胶结粗粒砂岩达到类相变状态。     

饱和水弱胶结砂岩剪切断裂面形貌特征及破坏机理

剪切破坏断面是弱胶结砂岩在破坏过程中断裂后所形成相匹配的表面,断面形貌特征根据受力方式和饱水条件的不同形成差异显著。利用3D激光扫描对剪切破坏断面进行精确测量,结合地理信息系统(GIS)技术对不同受力方式和饱水条件下的破坏断面形貌进行三维可视化处理和定量分析,并采用扫描电镜从细观角度对产生的断面形貌特征差异及其破坏机理进行研究。试验结果表明:随夹具角度的增加,破裂面法向力降低,法向力的减小是导致破裂面扰动较大以及剪切断裂面粗糙度和起伏度增加的主要原因之一;通过饱水岩样细观结构的分析发现,弱胶结砂岩骨架颗粒自身吸水膨胀软化,骨架颗粒之间的黏连性变差,胶结程度降低,直接导致试件抗剪强度降低,同时,水对剪切破坏面扰动影响也降低,致使在相同受力条件下饱水试件断裂面粗糙度和起伏度相对较小;胶结物质的遇水软化的特性是决定弱胶结砂岩剪切破坏断面形貌的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩损伤演化过程及破坏机理提供可靠的试验依据。     

弱胶结类岩石细观结构参数与其宏观力学行为的关联性研究进展

弱胶结类岩石主要为颗粒和胶结物质由压实或胶结作用而成,具有多尺度性、多相性以及复杂性,其细观结构的颗粒和胶结物质的物理特性、胶结特性以及颗粒和胶结物质构成的结构系统对其宏观力学性能有重要的影响。梳理了弱胶结类岩石宏细观研究的整体分析思路,总结了现有研究弱胶结类岩石细观结构的实验测试技术及其细观结构参数的定量选取和表征方法。列举了采用数值计算来研究细观结构参数单一变量对宏观力学性质的研究成果。为表征弱胶结砂岩细观结构的演化特征,提出了弱胶结类岩石模型建立时必须遵循的基本原则。在研究总结的基础上,揭示了弱胶结类岩石受力条件下细观结构演化过程中颗粒接触特征的演化过程。寻求以测试技术手段为基础的细观结构演化过程中临界特征提取与判别方法,以期为研究弱胶结类岩石细观构造的定量参数与宏观力学行为的关联性奠定基础。     

饱和水煌斑岩单轴压缩力学特性变化及其微观机理

探究煌斑岩遇水力学特性变化及其微观机理,通过单轴压缩、吸水性试验、X射线衍射(XRD)和场发射透射电子显微镜（FETEM）试验,对不同饱水时间（0,15 d和30 d）煌斑岩试样的单轴压缩力学特性、吸水性能、矿物成分含量及微观结构进行分析。研究表明：煌斑岩经15和30 d饱水后单轴抗压强度由自然状态的121.56 MPa分别降低到80.85 MPa和70.34 MPa,不同状态试样全应力应变曲线特征变化明显;吸水饱和过程中煌斑岩吸水率随时间变化符合指数分布规律;煌斑岩矿物集合体中的矿物颗粒与水作用,发生矿物溶蚀和次生,颗粒间连结逐渐破坏,促使水分子进入层状颗粒之间并与层间矿物颗粒发生反应,进而产生大量微孔隙和局部应力集中,导致起骨架作用的矿物集合体发生层状剥落,煌斑岩内部结构体系因此发生破坏,使煌斑岩力学特性发生改变,产生软化现象。可见,矿物集合体的结构破坏是煌斑岩遇水前后力学特性改变并产生软化的根本原因,而集合体结构的破坏和矿物颗粒与水发生的反应密切相关。     

神东矿区弱胶结砂岩的力学及声发射特征研究

为了研究神东矿区弱胶结岩石的力学及声发射特征,以覆岩中最常见的3组弱胶结砂岩和3组常规砂岩为研究对象,运用RMT-150C力学实验系统和声发射实验系统对这6组砂岩进行了实验,运用X衍射射线仪和环境扫描电镜进行成分和微观结构分析。试验结果表明:弱胶结砂岩的抗压强度和弹性模量非常低,常规砂岩抗压强度和弹性模量分别为其16.5倍和21.3倍,但是弱胶结砂岩的峰值应变比常规砂岩的要大,是其1.6倍;弱胶结砂岩会出现声发射峰值计数,但是相对全过程中的声发射计数差别不大;弱胶结砂岩的声发射峰值计数一般不会出现在塑性变形破坏阶段,但是常规砂岩的峰值计数大多数出现在塑性变形破坏阶段;弱胶结砂岩中的骨架颗粒为石英和长石,其含量一般在总质量的75%以上,但是常规砂岩的含量一般在70%以下;弱胶结砂岩中的胶结物含量很低,一般在21%左右,但是常规砂岩一般在41%左右。由于弱胶结砂岩的胶结物含量少、胶结程度低、孔隙大、结构比较松散,造成弱胶结砂岩的抗压和抗变形能力非常低,因此,抗压强度和弹性模量非常低,变形非常大。     

鄂尔多斯盆地白垩系弱胶结砂岩物理力学特性研究

从岩土工程视角,对鄂尔多斯盆地9个典型立井白垩系围岩物理、力学试验数据进行统计和系统分析,旨在为揭示白垩系围岩工程环境效应与机理奠定基础。鄂尔多斯盆地大部分地区白垩系砂岩抗压强度均值约为20.0 MPa,而下限不足5.0 MPa;抗拉强度普遍低于2.0 MPa,下限则接近0;软化系数高于0.4,部分地区甚至接近0.8;孔隙率高于20%,部分地区甚至超过30%;黏聚力低于0.5 MPa,泊松比高于0.2,而内摩擦则稳定在40°左右。白垩系砂岩具有埋藏浅、孔隙疏松、胶结弱的特点,属于地质软岩,易扰难取,工程环境效应突出。考虑泥质胶结物及其含量,将盆地白垩系弱胶结砂岩分为高脆性含泥质弱胶结砂岩和弱脆性泥质弱胶结砂岩,二者间具有线性关系,从而可建立通过含泥质弱胶结砂岩试验成果获得泥质弱胶结砂岩试验成果的方法。这将为基于具有易扰难取特点的泥质弱胶结砂岩水-力耦合试验来揭示立井围岩工程环境效应与机理提供基础支持。     

泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展

泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展,特别是在煤矿工程实践中,泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化,往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性与泥质胶结的强度低、塑性强特性,是富黏土矿物(>50%)泥岩遇水大变形与承载失效的内在本质。工程实践研究中承载持续大变形与泥岩遇水渐进劣化是关键防控和调控过程。针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制与水岩作用机理复杂的特点,首先基于工程防控/调控技术研究焦点界定了多尺度研究范畴,划分出宏观岩体(mm)、细观矿物(μm)、微观晶胞(nm)3个研究尺度;其次阐明了不同尺度下的泥岩物理、力学、化学研究模型,讨论了不同尺度泥岩物力化性质分析方法与手段,厘清了泥岩物理力学和物理化学性质的多尺度特性,系统研究了不同尺度下的水岩作用机制,构建了考虑不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系;最后展望了泥岩多尺度研究中细观尺度研究的发展方向;指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景,提出基于多尺度分析的泥岩灾变防治技术研发体系,凝练人工智能方法辅助研究泥岩多尺度的关键科学问题。同时,开展多尺度研究有助于掌握与控制泥岩的物理、化学、力学响应...     

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。     

含水状态对红层软岩力学特性影响机理

饱水状态下,红层软岩力学特性的劣化直接影响相关工程的变形稳定。考虑干燥、自然和饱水3种状态,对红层软岩抗压和抗拉强度特性、变形破坏特征及微观结构特征进行了比较系统的试验和检测分析。研究表明:①饱水状态下红层软岩的软化特征明显,破坏时的延性特征更加明显,不同围压下岩样的抗压强度软化系数为0.36~0.65,相对于干燥状态,弹性模量和变形模量逐渐降低分别降低了35.60%~75.53%,44.57%~69.64%,而且围压越小,抗压强度和模量降低趋势越明显;②相对干燥状态,饱水状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了47.77%和12.68%,岩样的黏聚力对含水状态更为敏感;③饱水状态下岩样抗拉强度软化系数为0.40,加载线附近局部破坏特征明显;④岩样内部矿物颗粒间泥质胶结物的溶解破坏,伊利石、蒙脱石等黏土矿物吸水膨胀、分解,使得岩体结构由相对密实状态逐渐变得多孔、松散,而且孔隙多被水充填,这些微观结构的改变直接导致了红层软岩力学性质的劣化。     

西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法,研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律,选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据,分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区,岩石成岩不充分,岩石强度普遍偏低,具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩,胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关,随埋深增加呈线性递增,岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性,循环次数越多,崩解后的粒径越小越均匀,弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验.结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响.应力应变曲线初始段呈"上凸型"特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载.砂岩峰值强度、 弹性模量、 抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关...     

弱胶结软岩煤巷锚杆索-围岩变形协同控制方法研究

针对西部弱胶结软岩煤巷顶板支护易失效问题,在探究弱胶结泥岩物性组分及破坏力学特征基础上,分析弱胶结软岩巷道围岩破坏特征,揭示弱胶结软岩巷道顶板破坏失稳机理,提出弱胶结软岩高预紧力下锚杆-围岩变形协同机理,开发相应支护设计方法,并进行应用实践。结果表明:(1)弱胶结软岩黏土矿物含量高,微裂隙发育造成其强度小、黏聚力小、胶结性差、易碎胀,在低围压条件下就产生剪切滑移破坏,提高其等效黏聚力和围岩应力水平是提升其抗变形能力的最有效途径;(2)弱胶结泥岩特性、高水平应力及低锚杆(锚索)预紧力等因素综合作用下,弱胶结软岩顶板易发生整体性下沉,内部破裂严重,破裂范围最大达4.0 m,尤其是煤岩界面破裂剪胀使部分锚杆-锚索破断失效,加剧顶板破裂下沉;(3)锚杆支护作用体现在提高锚杆加固范围内岩层等效黏聚力,锚索支护则强调对其支护范围内岩层提供较强的支护应力,两者工作阻力越高支护效果越好;(4)高预紧力下锚杆与锚索联合支护时,锚杆、锚索变形与顶板变形下沉协同、相适应,且要最大程度发挥锚杆-锚索支护效能。现场应用表明,按照高预紧力锚杆-围岩形变协同支护后,弱胶结软岩巷道顶板控制效果好,达到设计预期,该方法为弱胶结软岩巷道支护提供参考。     

冻融循环对饱水岩石纵波波速影响的试验研究

为探究冻融作用对饱水岩石纵波波速与损伤变量的影响规律,在冻结温度为-20℃、融解温度为20℃的条件下,对饱水砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩开展了40次的冻融循环试验。结果表明:在相同的冻融条件下,岩石的矿物成分、胶结类型、孔隙特征、矿物颗粒的排列方式对岩石的纵波波速和损伤变量均产生重要影响;经历40次冻融后,砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩的纵波波速较饱水岩样分别降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%;纵波波速和损伤变量降低幅度在前5个冻融周期降低较为明显,随冻融次数的增加,纵波波速与损伤变量的降低幅度逐渐减小并趋于稳定。     

急倾斜薄煤层胶结充填开采合理参数确定及应用

为确保水体下急倾斜薄煤层胶结充填开采取得良好效果,采用实验室试验方法,研究了以矸石作为充填料、水泥-水玻璃作为注浆胶结料进行采空区胶结充填时胶结充填体的力学特性和影响因素。结果表明：水灰比和矸石粒径影响矸石胶结体的力学特性,当水玻璃浓度一定时,矸石胶结体的强度随着水灰比和矸石粒径的增大而呈降低趋势,塑性流动特性随水灰比增加明显。基于急倾斜薄煤层的有限充填空间、充填工艺和顶板控制要求,合理确定了充填开采的矸石粒径小于150 mm、水灰比为0.8∶1.0、水玻璃浓度为30 Be。现场工业试验及观测表明,急倾斜薄煤层采空区矸石注浆充填取得了良好效果,确保了水体下急倾斜薄煤层的安全回采。     

Microstructure analysis of deep rock in Meilinmiao Mine

SEM tests were conducted on four kinds of typical deep rocks in Meilinmiao Mine, and the micro properties were analyzed. The particles of gritstone are unbroken and particle diameter ranges from 80 μm to 400 μm, and the void between particles is wide. The macroscopic failure of gritstone is caused by breakage of the dung distributed between particles, and potassium feldspars contained in gritstone are not leached. The failure of medium sandstone is caused by micro cracks distributed in sandstone particles, and potassium feldspars are leached seriously, so the pores penetrate each other and there is close hydraulic connection in medium sandstone. The particles of fine sandstone are broken, and the particle diameters range from 60 μm to 300 μm, which determines the pores have good connectivity between particles. The dolomites contained in fine sandstone are corroded, and the micro fracture form belongs to inter-granular fracture. There are no particles and blocks in microstructure of sandy mudstone, but there are diverse micro cracks. The failure of mudstone arises from the extension of micro cracks, and the microstructure is different from the other three kinds of sandstones obviously.