弱胶结砂岩遇水软化过程细观结构演化及断口形貌分析

对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿物组成和结构特征密切相关;证实了弱胶结砂岩遇水软化过程中细观结构破坏的主要方式为胶结物质的破坏,且发生破断的位置为物颗粒与颗粒的接触界面或者颗粒与胶结物质之间界面;弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由颗粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,砂岩的最终断口发生在黏土胶结物上及其与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上,颗粒体系内部结构的变化总体上可以分为颗粒破碎、颗粒或颗粒簇脱离母体结构、沿颗粒裂纹扩展及微裂隙呈弥散分布、胶结物质破坏等四大类;胶结物质力学性质是其破坏形式的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

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。     

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。     

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。     

不同粒度弱胶结砂岩单轴加载下声发射特性试验研究

对不同粒度的弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究。根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了加载全过程中的应力、AE振铃计数、AE幅值以及AE绝对能量随时间的变化规律。研究表明:弱胶结砂岩随着颗粒粒度的减小,峰值强度增加。在单轴加载过程中,弱胶结砂岩AE振铃计数和AE绝对能量以数量级增加。不同粒度的弱胶结砂岩在初期压密阶段,AE振幅均较低;随着应力的增加,AE振幅不断增加。AE幅值在小于40dB的区间内,占比最高;在40～50dB区间内,占比次之,而这2个区间的AE幅值占比之和达到90%左右。说明不同粒度的弱胶结砂岩在单轴压缩破坏过程中,以小尺度裂纹扩展为主;最后裂纹贯通,完全破坏。     

弱胶结砂岩破坏规律及其声发射特性试验研究

为探究煤矿巷道软弱围岩的变形规律,以彬长矿区某矿为研究对象,研究其顶板弱胶结砂岩在饱水状态下的三轴-声发射特性,分析其塑性变形破坏规律和不同应力阶段声发射特征,得到饱水弱胶结砂岩破坏过程中声发射演化规律。分析结果可为预测弱胶结砂岩变形破坏趋势提供理论依据,为控制同类砂岩顶板变形提供可行性方法。     

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.     

砂岩单轴压缩破裂过程声发射特性颗粒流分析

通过室内砂岩单轴压缩声发射监测试验,结合颗粒流数值模拟分析,研究了单轴压缩条件下砂岩力学特性、声发射特征的演变过程。研究表明:砂岩声发射峰值强度和峰值应力呈现一定的滞后性;砂岩在单轴压缩初始阶段拉伸破坏事件和剪切破坏事件随机发生,继续加载则破坏事件具有一定的贯通方向性;宏观上看,试样表现出剪切破坏,在剪切面上下端发生部分拉伸破坏,试样部分剥落。此外,不同荷载阶段对应不同的声发射释放阶段,峰值强度后,声发射事件密集发生,且声发射累积数高于峰值强度前。离散元模拟试验结果与室内声发射试验结果基本一致,验证了颗粒流模型表征砂岩声发射特性的可靠性。     

干湿循环作用下弱胶结岩石声发射特征试验研究

弱胶结岩石具有强度低、胶结弱、易风化、易水解和含水丰富等特点,针对干湿循环作用后引发工程岩体失稳的问题,通过弱胶结岩石单轴压缩试验和AE监测技术,对比分析了不同干湿循环作用次数后的岩样的变形破坏特征及破坏过程中声发射事件数、能量释放率、b值及熵值等参数的变化特征。研究结果表明:在干湿循环作用下弱胶结岩石强度劣化效应明显,弱胶结岩石到达峰值强度时轴向应变明显增加;不同干湿循环作用下弱胶结岩石破坏过程中声发射事件数和能量释放率变化趋势一致,在初始阶段较少,弹塑性阶段缓慢增加,峰值阶段达到最大值,而对于声发射b值在初始阶段相对较高,随之降低,弹塑性阶段再次升高,峰值阶段迅速降低,而峰后阶段b值依然相对较高,声发射熵值变化与b值变化恰好相反;随着干湿循环次数的增加,声发射参数的整体量发生明显变化,声发射事件数、能量释放率和熵值均随之降低,而声发射b值随之增加。在不同干湿循环次数作用条件下,弱胶结岩石破坏过程中的声发射多参数变化特征能够反映水对其宏观强度和细观结构物质的劣化作用及影响程度。     

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。     

中生代砂岩细观结构对强度和能量耗散的影响

对取自东北部和西部侏罗白垩系煤矿中粒砂岩进行镜下观察,对比其矿物颗粒,胶结成分和结晶程度上的异同点,进行了三轴压缩试验和循环加载声发射试验,分析东北部和西部砂岩的强度和能量耗散特征,并用Kaiser效应和加卸载响应比理论研究了循环加载中的声发射规律。试验表明：以钙质胶结为主的东北部砂岩在Mohr-Coulomb准则下承载能力高于以钙泥质胶结为主的西部砂岩,随着压力的增大,耗散能所占比例呈现迅速降低、稳定、缓慢升高的趋势,且同等应力水平下东北部砂岩耗散能低于西部砂岩,Kaiser效应往往出现在低应力的弹性阶段,且在东北部砂岩中出现的频率和持续阶段要高于西部砂岩,加卸载响应比则出现急剧降低、缓慢平稳下降的趋势,在强度峰值点达到最小值,且东北部砂岩的加卸载响应比低于西部砂岩。东北部和西部砂岩的胶结物中泥质含量和重结晶成岩程度是产生上述力学性质和能量耗散特征差异的根本原因。     

红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

对红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究,根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了全过程应力-应变、应力-时间-累计计数率、应力-时间-绝对能量率以及峰值前、后的应力-应变-累计计数率、应力-时间-绝对能量率曲线。据所得应力-应变曲线将该类砂岩破坏分为2种形式:一种为传统4阶段岩石破坏形式,另一种为5阶段破坏形式。5阶段破坏模式在应变软化阶段后出现了应力不变,应变继续增大的胶结延性阶段。对比2种破坏模式的声发射特征,峰值后的声发射现象较峰值前的均有量级的变化,抗压强度相近时,弹性模量小的试样产生更多的声发射现象,但产生的绝对能量属于同一量级。累计计数率能够作为判断试样是否发生完全破坏的参数。     

不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析

对直径相同、高径比不同的4组红砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验, 获得了各试样的力学基本参数及试验全过程所释放的全部声发射原始波形信号, 在对每个声发射信号逐一去噪的基础上, 通过快速傅里叶变换提取其主频, 联合时频域共同分析尺寸效应对岩石力学性质及声发射信号主频特征的影响。结果表明, 随着高径比增大, 试样的脆性破坏程度明显, 破裂时的延性减弱;红砂岩声发射信号主频分布范围为10~175 kHz, 明显成频段分布;尺寸效应对声发射信号主频的影响主要体现在频段分布的差异上, 30~60 kHz、140~155 kHz和160~175 kHz为各尺寸试样所共有的频段, 其中30~60 kHz频段占比最大, 对应着岩石损伤演化的最主要破坏模式;岩石变形破坏过程中, 主频分布特征朝复杂离散方向持续转化。     

不同含水状态砂岩三轴压缩声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验机对不同含水状态下的砂岩进行了三轴压缩声发射试验,得到自然状态及饱水状态下砂岩的应力-应变曲线、声发射振铃计数率、能量及振幅分布曲线。试验结果表明,在水的影响下砂岩的力学特性和声发射特征都有较大变化:饱水状态岩样的平均峰值强度为自然状态岩样的84.4%,且在试验过程中整体变形及弹性模量都较小;在岩样三轴压缩的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率、能量及振幅值均比自然状态岩样小;对比饱水岩样和自然岩样的宏观破裂时间及声发射信号最大值出现的时间,饱水状态岩样都存在"滞后"现象;此外,两种含水状态下岩样的声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍"滞后"于砂岩宏观破坏时刻。研究结果对含水岩层工程设计及施工具有指导意义。     

西部矿区弱胶结地层工程围岩稳定性控制研究进展

我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成,该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性,属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大,工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很难有效保障工程的安全性,常出现巷道大变形失稳、工作面压架、突水、溃沙、冲击地压等灾害。通过大量的调研和室内试验,获得弱胶结岩石抗拉、抗压等力学指标远小于中东部矿区同类岩石力学指标,建立了多因素耦合作用下的弱胶结岩石的变异程度评估指标体系,初步获得了典型矿区弱胶结岩石的变异性程度。以红庆河煤矿弱胶结岩石为例,发现了弱胶结岩石在力、水等载荷作用下,具有“类相变”现象,分析了胶结度对类相变现象的影响,给出了弱胶结粗粒砂岩的“类相变”状态特征及其敏感性参数。分析了导致工作面支架压架、突水溃沙灾害发生的覆岩垮落带、断裂带动态发育规律以及巷道围岩大变形规律,推演了弱胶结地层大采高工作面不同开采阶段垮落带动态变化表达式,建立了支架-围岩相互作用模型,给出了工作面来压和非来压期间支架工作阻力;针对弱胶结地层的松散弱特性,提出了巷道围岩双壳加固技术,可为工作面安全开采和巷道围岩控制提供保障...     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

煤岩单轴压缩条件下声发射与破坏特征差异性研究

为了揭示单轴压缩条件下煤岩的声发射能量与破坏特征,对神东布尔台煤矿12上煤及其基本顶进行了单轴压缩试验,试验过程中采用DS-2声发射采集设备对煤岩样在单轴压缩条件下破坏时的声发射信号参数进行采集分析,获得了煤岩样在单轴压缩过程中破坏与声发射撞击曲线和能量曲线的差异性。研究发现,中粒砂岩和煤在单轴压缩条件下最后表现出的破坏形式存在明显不同,基本顶中粒砂岩破坏过程平缓,煤样破坏过程剧烈|中粒砂岩和煤样撞击次数的峰值基本均出现在应力曲线的峰值之前,且中粒砂岩试件的声发射事件数要远小于煤体试件的声发射事件数,验证了煤样破坏要较中粒砂岩剧烈,也为井下煤岩动力灾害的预警提供了思路。     

煤岩损伤破坏ULF电磁感应实验研究

利用建立的煤岩声-电信号测试系统,对强度较低的煤岩试样进行了单轴压缩、剪切加载破坏实验,测试研究了ULF（1 kHz）、VLF（5 kHz）、LF（300 kHz）等频段电磁辐射及42.3 kHz声发射（AE）信号规律,并初步探讨了煤岩变形破坏ULF电磁信号的产生机理。结果表明：煤岩材料在单轴压缩和剪切变形破裂过程中能够产生ULF频段的电磁信号;与LF及VLF电磁信号相比,ULF信号与应力的相关性更好;同时,ULF信号与应力及AE相比存在一定程度的超前性,一般超前应力及AE信号5~10 s。实验室测得的煤岩变形破裂产生的ULF电磁信号,主要是由电荷运动产生的感应场变化引起的,煤岩材料中含有的少量金属矿物成分导致的压磁效应也是其来源之一。煤岩ULF电磁信号的研究不仅扩展了煤岩电磁辐射技术的研究范围,而且由于其在传播距离和抗干扰能力方面的优势,有望对远距离和较大尺度范围的煤岩动力灾害监测技术实现突破。     

人工砂岩材料力学特性及声发射特性试验研究

岩石颗粒粒径及胶结物是影响岩石力学性质和行为的重要因素。天然岩石的内部颗粒粒径大小及胶结物含量随机性强，为此制作了3种不同颗粒粒径及3种不同胶结物含量的人工砂岩，研究了颗粒粒径大小及胶结物含量对岩石力学特征及声发射行为的影响。研究表明：相同胶结物含量条件下，粗粒径(0.425～0.850 mm)人工砂岩试件的声波波速和单轴抗压强度最大；随着颗粒粒径的增大，试件裂纹扩展阶段缩短，在试样峰值强度点附近的声发射能和事件数呈增加趋势；相同颗粒粒径条件下，随着胶结物含量的增加，试件的单轴抗压强度降低，峰值强度点附近的声发射事件数也减少，声发射关联维数D的最低值所对应的应力百分比值下降。声发射关联维数D值与强度呈线性关系。