层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出"U"形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由"穿切层理面的劈裂型剪切破坏"转变"复合张剪破坏"再到"剪切滑移破坏",最后转变为"劈裂张拉破坏";3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。     

双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟

针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究,采用PFC2D建立层状复合岩层离散元模型,通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性,研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响,得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式,揭示裂纹演化规律及位移场变化。研究结果表明：双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势,而随层理倾角θ增大表现为“U”型变化规律;与完整试样相比,双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%～42.0%;双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型,分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型);试样的破坏模式在θ=0°～45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式,在θ=60°～75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式;在θ=0°～45°时,翼裂纹垂直于主裂隙起裂,随岩桥倾角增大,翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面,导致试样最终被破坏;在θ=60°～75°时,裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面,导致试样破坏;在θ=90°时裂纹...     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

层状顶板巷道锚索破断机理

为揭示层状顶板巷道锚索破断机理,减小锚索破断造成的安全隐患,以晋煤集团赵庄矿3盘区3308工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟和井下试验相结合的方法,分析了层状顶板层面正应力与切向应力分布规律及不同层状顶板厚度、层理不连续面数量、锚索预紧力下锚索的工作形态,结果表明:顶板岩层层理面上的剪应力呈非均匀分布,巷道跨中剪应力为0,最大剪应力发生在巷道两帮的支承区域范围,锚索水平偏移量与层面剪应力分布一致,提高锚索预紧力能够有效减少锚索的水平偏移。层状顶板锚索破断机理是锚索受层状顶板各层理岩层错动剪切破断,现场试验表明,在变全锚索支护为高强度接长锚杆与锚索分区协同支护后,赵庄矿33082巷道试验段顶板刚度显著提高,试验段巷道服务期间未发生锚索破断现象。     

拱形沿空巷道破坏特征与控制技术

针对倾斜厚煤层拱形沿空巷道围岩控制难题,以魏家地煤矿2303工作面运输巷为工程背景,采用数值分析的方法,对其围岩应力分布、变形与破坏规律进行了探讨。结果表明:煤柱内存在水平位移的零分界线,分界线采空区侧煤体破坏形式主要为拉剪混合破坏,另一侧煤体破坏形式主要为剪切破坏,煤柱稳定性差,实体煤帮角应力集中系数高达3. 0且作用范围大,顶板岩体沿弱面发生剪切滑移,压剪破坏严重。提出"两区一让"围岩控制技术:短锚索抑制分界线附近煤柱分离,长锚索抑制煤体沿煤岩接触面剪切滑移,并采用木托盘整体让压,数值分析结果表明顶板下沉量减少40%,煤柱帮移近量减少50%,实体煤帮移近量减少44. 4%,成功应用于控制实践。     

平行节理相互作用对节理岩体的力学行为影响

以类岩材料制作平行节理试样并开展压剪实验,采用声发射系统监测试样加载过程,研究节理相互作用对岩体力学行为的影响。研究结果表明:1)节理试样在压剪加载下可分4种破坏模式:共面剪切破坏;沿节理面剪切破坏;沿剪切应力面剪切破坏;类完整型剪切破坏。倾角对试样破坏模式起决定性作用,重叠度影响试样裂隙的发育。2)试样峰值剪切强度随倾角增加先增大后减小并在45°取得最大值;随着节理重叠度的增大,峰值剪切强度逐渐减小;剪切峰值强度对倾角因素更敏感。3)不同倾角试样的剪切应力-位移曲线差异主要体现在破裂后阶段,试样的声发射计数变化规律与破坏模式相对应;不同重叠度试样应力-位移曲线形态相似,试样的声发射计数变化规律相似,但计数峰值随重叠度的增大逐渐减小。     

煤层倾角变化对采动覆岩变形规律影响的相似模拟试验研究

为研究工作面开采后顶板变形破坏随煤层倾角变化的规律,以南桐矿区不同倾角的同一煤层开采为工程研究背景,分别选取缓倾斜、倾斜、急倾斜三种煤层倾角进行煤层开采顶板变形破坏规律的相似模拟试验。对相似模型开挖前后图像进行数字散斑相关法处理,得到相似模型煤层开采后顶板覆岩位移及平面总应变等值线云图。通过综合分析顶板位移及平面总应变可知：上覆岩层变形的破坏程度总体上是随煤层倾角的增加呈减小趋势,其下沉剧烈区域和膨胀变形破坏剧烈区域呈逐渐向工作面上山方向发展的趋势;根据顶板位移云图和平面总应变云图中的等值线极值区域特征,确定了缓倾斜、倾斜煤层开采垮落带、裂隙带高度和偏心程度等参数,并根据"压力拱"理论确定了急倾斜煤层开采裂隙带范围;随煤层倾角增大"两带"高度总体上呈减小趋势,且"两带"偏心方向呈向上山方向增加的趋势。     

梯形破断顶板综放面高抽巷层位确定试验

为得到某矿综放工作面在梯形剪切破断顶板情况下的高抽巷的合理布置层位.采用相似材料模拟试验方法对综放工作面回采过程中顶板破断规律进行模拟,得到了随着工作面推进岩层破断的力学结构及覆岩的下沉量.研究结果表明:综放工作面推进过程中竖向贯通裂隙主要由顶板岩层拉剪破坏产生,拉破坏受到岩层碎胀特性的制约,剪破坏形成纵向贯通范围较大的裂隙,剪切裂隙是沟通煤层与高抽巷的主要通道,最大破坏高度受到岩层碎胀性制约,且呈周期性分布特征.高抽巷应布置在剪切裂隙纵向贯通最高位置处,且在开切眼附近高抽巷应向下施工.     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

薄层状碎裂顶板综采开切眼锚网支护技术研究

从观测情况可以看出:(1)切眼中下段围岩变形较小时,尤其是机巷向上30米段,顶板只有局部小一表面离层,底鼓现象不明显,两帮位移量很小。(2)切眼中上段变形相对较大,尤其是风巷向下累计有30米,后期变形明显增大,底鼓严重,老塘侧帮位移大,顶板下沉量加大,出现了老塘侧单体支柱赤脚、工字钢梁弯曲现象,安装前进行了多次改棚、卧底。(3)导峒部分变形明显大于刷大部分,这是由于导峒部分施工超前刷大部分3个月,累计变形所致。(4)巷道处于掘进影响期内,以顶板浅部离层为主,巷道开挖6￣10d后处于掘后稳定期,变形以底鼓、顶板深部离层和老塘侧位移为主…     

大倾角多区段开采顶板运移及其采空区充填规律实验研究

为了研究大倾角煤层多区段开采围岩运移规律,采用物理相似模拟实验方法,分析了大倾角煤层多区段采场顶板和煤柱变形破坏规律、底板应力分布及演化规律、垮落矸石充填特征等。结果表明:大倾角煤层多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采,下区段采动导致上区段采场倾向中、上部垮落顶板出现二次下沉和滑移,顶板运移曲线呈现沿倾斜方向"上大下小"的双峰特点,垮落顶板非均匀充填导致采空区底板应力沿倾向呈现出中部下部上部,下区段采动导致上区段采空区中部底板应力显著增加。下区段开采致使区段煤柱上、下两侧非对称受载并发生破坏,引发了煤柱-上区段采场煤岩体的连锁运动;区段煤柱支承压力从上区段开采时的"W"型分布变为下区段开采时的"V"型分布,增载系数达到4.9.研究可为大倾角煤层多区段围岩控制提供了理论指导。     

薄煤层上行开采顶板巷道活动规律及支护

小河嘴煤矿2016(24)工作面为201采区24煤层首采面,24煤层厚度为0.3~0.75 m,厚度不稳定,瓦斯含量高,顶板为坚硬的中粒砂岩,在开采时伴有淋水,工作面顶板管理较为困难,月推进度仅为8~30 m,长期达不到设计产量,针对以上诸多问题,矿对上行开采进行了可行性研究,确定对顶板巷道的采用"锚杆+锚索+金属网+钢筋梯"的组合支护方式进行了支护。实践表明:上行开采顶板巷道活动可分为起始活动区、强烈活动期和活动衰退期;加强支护后两帮移近量明显减少,顶底板移近量减少不明显,说明巷道顶底板变形以底板变形为主,在锚网索联合支护作用下,使巷道顶板压力向巷道两侧深部转移,降低了两帮压力,利于巷道两帮稳定。上行开采顶板巷道不同支护区顶板绝对位移量不大,与煤层下沉量相接近,说明上行开采巷道顶板位移较为准确的反映了顶板覆岩的活动情况。     

巨厚煤层全煤巷道围岩体运移演化规律研究

针对巨厚煤层全煤巷道围岩体的物理力学性质差、赋存条件复杂、大变形、支护难等问题,采用数值差分软件FLAC3D,系统分析了巨厚煤层全煤巷道开挖后围岩体的三维运移演化规律及不同赋存条件对演化规律的影响。研究发现:开挖对巨厚煤层全煤巷道围岩及掘进面前方一定范围内都有扰动影响,且在巷道围岩深部三维方向上均存在应力集中区;得出巷道围岩在不同赋存条件下呈现底板位移量顶板位移量帮部位移量的运移规律及塑性区扩展范围和分布状态的演化规律,为巨厚煤层全煤巷道的支护和开采提供了理论依据和技术支持。     

孤岛工作面窄煤柱尺寸模拟

基于查庄煤层地质条件,利用数值模拟法确定合理的煤柱宽度。采用数值模拟软件FLAC3D建立了坚硬顶板孤岛工作面数值模拟力学模型。模拟方案确定为四个,煤柱宽度分别为2m、3 m、4 m和5 m,研究了巷道围岩垂直位移和水平位移分布、塑性破坏状态、垂直应力和水平应力分布情况。研究表明,在孤岛工作面中,由于回采巷道受采动影响较大,巷道变形破坏极其严重,水平应力和垂直应力也相应增加,是造成巷道顶板下沉和底臌以及两帮变形破坏的主要原因。煤柱宽度为4 m时,无论从经济上还是技术上都最为有利,此时巷道变形破坏较轻微,围岩位移量较小,对巷道维护有利。     

铁喇矿区大倾角富水煤层巷道锚网索支护技术研究

针对铁喇矿区昊源煤矿B9煤层富含水、倾角大、煤质硬、顶底板稳定性较差的赋存特征,分析了高强预应力锚杆支护技术特点及优势,并在904运输平巷开展了锚网索支护工程实践,设计了详细支护方案、参数及相关施工要求,现场矿压观测结果表明菱形巷道掘进影响范围约为25-,表现出“顶板下沉量＞高帮移近量＞底鼓量＞低帮移近量”的变形特点,最大断面收缩率约为13％,为西部矿区同类巷道实施高强预应力锚杆支护提供了借鉴.     

大倾角综采面覆岩移动规律的相似材料模拟

为了全面研究大倾角煤层开采上覆岩层垮落特征和围岩应力分布规律,运用相似材料模拟新庄孜矿大倾角综采工作面的开采,研究开采后大倾角工作面上覆岩层移动规律及应力变化特征.随着工作面的推进,岩层裂隙自下而上发展,顶板不断冒落,形成初次来压和周期来压;冒落的岩层有垂直位移且沿层理下滑,使得采空区上部垮落高度比下部大,工作面下部的初次和周期垮落步距比上部小.覆岩的冒落拱呈不对称性,边界向采空区上部偏移,呈上虚下实的状态.模拟实验为大倾角煤层综采技术的应用和推广提供了理论依据.     

岩石单结构面剪切变形渗透性演化规律

为了研究剪切作用下单裂隙渗透性的演化规律,在Comsol中采用Weierstrass随机分形函数来生成单裂隙,调整2个裂隙面的相对位移来模拟剪切作用,通过分析不同剪切位移条件下裂隙隙宽的变化以及不同流量下的非线性效应发生的界定范围,并绘制散点图与函数曲线拟合确定剪切过程影响裂隙渗透率的因素,给出定量关系。结果表明：未发生剪切时,隙宽的概率密度分布满足标准的高斯分布,而随着剪切过程的发生,隙宽的高斯分布被破坏,仅体现标准高斯分布的部分特征;发生剪切时,渗透率先有一个减小的过程,然后在一定范围内波动;当Re>9.6时,流体开始从线性向非线性发展。对岩石单结构面剪切变形过程中裂隙孔径变化对流体渗流特性的影响进行模拟,可为分析地质体中结构面变形对地热变化的影响提供参考。     

深部软岩巷道围岩分区破裂模拟实验

为研究深部软岩巷道破坏特征和机理,采用与实际工程岩体结构相似的巷道围岩物理模型进行三维模拟试验,考虑了不同应力水平、岩性(软岩和硬岩)、岩体结构特征(节理及层理分布)以及支护形式等因素,通过对比分析在弱、强支护条件下围岩内部不同深度的应力状态和位移,归纳出巷道围岩分区破坏的原因和影响因素,同时提出了主应力方向的旋转对巷道围岩的破坏作用,初步认为深部巷道分区破裂主要是剪切和张拉破坏共同作用的结果,这对于探索软岩巷道变形破坏规律和指导支护技术具有重要意义.     

压剪作用下节理倾角对类岩石材料破坏模式的影响

采用在水泥砂浆初凝前预埋云母片的方法制作含不同分布形态的充填节理试件,并对试件进行压剪试验,探究压剪复合作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响及节理岩体破坏机理。应用RFPA2D有限元程序建立相应的数值模型,进行数值计算。试验和数值模拟结果表明:节理倾角对试件初始破坏时翼裂纹的产生位置和最终破坏形态都有显著影响;不同倾角的节理在不同程度上弱化了类岩石试件的抗剪强度,节理倾角为15°时抗剪强度最小,而60°时最大;节理倾角小于45°时,试件破坏所需剪切位移小于无节理试件破坏时的剪切位移,节理倾角大于或等于45°时大于无节理试件破坏时的剪切位移。     

不同倾角硐室围岩稳定性模型试验及数值模拟

论文首先在相似理论的基础上,以河砂、水泥、石膏为相似材料,调整其配比,制备出符合模型实验要求的砂岩和泥岩相似材料。通过对模型试样进行长期加载试验得到：当进行长期加载时,随着层状倾角的增大,位移变化先增大后减小,这是由于随着倾角的不断增加,互层岩体模型的整体刚度先减小后增加,所以导致了位移先增大后减少。最后利用ANSYS有限元软件对互层岩体硐室开挖模型进行稳定性分析,帮中与顶板底板处变形较大,同时由于层理的存在使得顶板位置的变形要大于帮中位置,倾角对硐室围岩变形以及应力变化具有较大影响,45°倾角时硐室围岩的变形量最大,应力集中最明显,此时容易发生滑移破坏。文中结论对实际地下工程支护和设计有一定的借鉴意义。