卸围压速率和瓦斯压力对原煤力学和渗流规律的影响

深部煤炭开采过程中,由于工程扰动,地应力发生复杂变化,由此导致煤岩力学性质、渗透率特性等随之改变。基于此,进行了煤样在轴压一定,不同卸围压速率、不同瓦斯压力条件下的流固耦合试验。研究了煤样在不同应力卸围压速率、瓦斯压力作用下的力学和渗流特性;分析了三轴卸围压和不同瓦斯压力条件下原煤的变形、强度、力学参数变化规律;揭示瓦斯的分阶段演化特性。结果表明:随着围压卸载速率、瓦斯压力的不断增加,煤样破坏时的变形、塑形平台逐渐增强;煤样的变形模量、侧向变形系数及破坏时的有效围压均随着卸围压速率、瓦斯压力的增加而逐渐降低;轴压加载阶段,由于原生裂隙被压密,渗透率逐渐降低,在围压卸载阶段,由围压卸载引起的原生孔隙裂隙扩张、高偏应力差引起的煤样新生裂隙导致裂隙总量增加,渗透率逐渐增大。

煤岩组合体卸围压能量演化规律及耗散能损伤本构模型研究

煤炭资源开采过程中,半煤岩巷掘进和薄煤层回采都不可避免地会使煤岩组合系统发生自由面卸荷。自由面卸荷现象往往伴随着能量的快速积聚与释放,所以探究煤岩组合体试样卸围压条件下的能量演化规律十分必要。为此,针对煤岩组合体试样开展了不同卸荷速率的卸围压试验。结果表明:(1)轴向加载阶段和应力恒定阶段为组合体试样的主要储能阶段,失稳破坏阶段主要以能量的释放和耗散为主;(2)卸荷速率加快会导致试样峰值弹性能降低,0.03 MPa/s时峰值弹性能分别为0.06、0.09、0.12 MPa/s时的1.64、2.70、3.50倍;(3)卸荷速率加快会导致试样峰后耗散能的增加,0.03、0.06、0.09、0.12 MPa/s卸荷速率下,峰后耗散能量分别为峰值弹性能的28.17%、49.53%、69.55%、92.87%;(4)卸荷速率的增大会显著增强煤岩组合体试样的拉伸破坏趋势,导致断裂角增大、拉伸次生裂纹增多和破坏强度增强;(5)建立考虑初始损伤的耗散能本构模型,合理阐释了卸围压条件下煤岩组合体试样损伤演化全过程。该研究成果对于了解卸围压速率对煤岩组合体试样的能量演化特征具有重要意义。

不同渗透压作用下砂岩卸围压破坏过程中裂纹扩展行为研究

地下工程开挖卸荷会导致岩体的水-力耦合作用增强,加速岩体内部裂隙的萌生和扩展,威胁工程安全。开展不同渗透压力作用下砂岩的常规三轴加荷和卸围压试验,明确砂岩裂纹应变扩展速率与应力路径和渗透压之间的内在联系。研究结果表明,围压增大,砂岩的特征应力增大,损伤应力和峰值应力对应的裂纹应变扩展速率减小,表明围压能够抑制裂纹应变的扩展。相反,随渗透压增加,砂岩的特征应力减小,而损伤应力和峰值应力对应的裂纹应变扩展速率会增大。表明渗透压会促进裂纹应变的扩展。围压相同,在渗透压和卸围压的共同作用下,砂岩峰值应力对应的裂纹应变扩展速率和脆性指数最大,其次是卸围压路径,加荷路径最小。通过量化围压和孔隙水压力对砂岩力学参数的影响权重,发现围压与峰值强度、轴向应变、环向应变、裂纹轴向应变和裂纹环向应变之间呈极显著相关。而孔隙水压力与裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率也呈极显著相关。

脆性岩石卸围压强度特性试验研究

岩样的承载能力由材料强度和围压共同确定,轴向压缩和卸围压二者都能导致岩样破坏,但由于应力路径不同,两种条件导致岩样的破坏过程并不相同。对取自位于雅砻江上的锦屏二级水电站辅助洞内的白山组大理岩进行了常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验,通过对试验曲线和岩样破坏特征的分析表明:无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现出脆性破坏的特征,而岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压更为强烈;岩样在加、卸载条件下的变形均随主应力差的增大而增大,但在相同的主应力差下,卸载产生的扩容量比加载的扩容量更大;峰前卸围压试验当围压卸到初始围压值的60%左右时,岩样发生破坏;峰后卸围压试验当围压卸到初始围压值的80%左右时,岩样发生破坏。结论对相关工程稳定性分析、设计和施工具有一定的指导意义和参考价值。

不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

为了更准确认识卸荷速率对岩石力学性质的影响规律,进行不同卸荷速率的三轴卸围压试验,试验采用新的试验路径和加载方式,减少试验过程对试验结果的不利影响。针对锦屏二级水电站深埋大理岩,通过新提出的描述变量(应变围压柔量)重点分析卸围压速率在0.01～1.0MPa/s范围内围压卸荷对变形规律的影响,研究扩容过程的演化规律和强度特征的差异。研究结果表明,大理岩的轴向变形和扩容过程受卸围压速率的影响较为显著,影响规律主要由初始围压水平控制。卸围压试验扩容过程与常规三轴压缩试验峰前阶段的扩容演化规律存在显著差异。不同卸围压速率破坏时获得的极限承载强度均高于加载速率为0.5MPa/s时常规三轴压缩的峰值强度。随着卸围压速率的增大,极限承载强度不断提高,达到1.0MPa/s速率时极限承载强度可提高10%～15%。

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明:无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标:岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。

不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究

利用自行研制的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置",进行不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究。研究结果表明:从力学的角度来看,卸围压开始后煤岩会经历一个应力平台阶段,然后发生失稳破坏。卸围压速度越大,煤岩维持在应力平台阶段的时间越短,煤岩越容易发生失稳破坏。卸围压开始后煤岩应力平台阶段的时间与卸围压速度呈幂函数关系。从瓦斯渗流的角度来看,煤岩的渗透率的变化与煤岩的变形损伤密切相关,煤岩体积应变的变化趋势能很好地体现煤岩渗透率的变化趋势。卸围压开始后煤岩渗透率的变化经历4个阶段,且渗透率一直在增大。卸围压速度越大,煤岩的渗透率增大的越快。卸围压开始后煤岩在应力平台阶段的渗透率与卸围压时间呈指数函数关系。

大理岩等围压三轴压缩全过程研究Ⅰ:三轴压缩全过程和峰前、峰后卸围压全过程实验

为了进行岩爆现象的分析，对大理岩进行等围压三轴压缩和峰前、峰后卸围压试验，得到三轴压缩全过程 和峰前、峰后卸围压全过程，对此过程中的强度和变形特性进行了较为系统地研究。

含瓦斯煤岩卸围压变形特征及瓦斯渗流试验

运用自制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流试验,研究其卸围压过程中的变形和瓦斯渗流特性。研究结果表明,卸围压试验煤样破坏形式是以剪切破坏为主的张剪复合破坏。卸围压过程中,含瓦斯煤岩围压-应变曲线可以分为3个阶段:屈服前阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。渗透率-应变曲线与围压-应变曲线呈现出明显的对应关系,表明围压对煤岩的变形和渗透率有重大影响,煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关。卸围压后,含瓦斯煤岩的泊松比立即转为向变大的方向发展,变形模量立即转为向变小的方向发展,并在卸围压过程中发展的趋势保持不变。

大理岩卸围压幂函数型Mohr强度特性研究

对大理岩进行三轴试验和峰前、峰后卸围压试验。研究结果表明:直线型Mohr-Coulomb强度准则不能很好地反映大理岩峰前、峰后卸围压的强度特征;提出非线性Mohr强度准则——幂函数型Mohr强度准则;推导并做出了其在π平面上的屈服曲线,与Mohr-Coulomb强度准则在π平面上的屈服曲线进行比较。研究结果表明,幂函数型Mohr强度准则比直线型Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述大理岩的强度特征。

岩石卸围压破坏过程的能量耗散分析

在分析试验机与岩样之间能量交换的基础上,综合分析岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律,以及能量与岩样变形、围压之间的关系。研究结果表明,在卸围压破坏过程中,能量耗散与岩样的破坏特征及施加围压有较大关系;延性破坏的能量耗散大于脆性破坏,同一种破坏模式下,岩样的能量耗散随施加围压的增大而增大。2种卸围压试验均表明,能量耗散与时间呈非线性关系,与侧向变形呈线性关系,且在相同侧胀水平下,施加围压越大,能量耗散越大,岩样更具脆性破坏特征。

含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验

以重庆松藻煤电有限责任公司的典型煤与瓦斯突出矿井——打通一矿7号煤层为研究对象,利用自行研制的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置",进行了不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验研究。研究结果表明:开始卸围压后,煤岩并不是立即被破坏失稳,而是维持在σ1u一段时间,经历n级卸围压作用后才会失稳;在煤样失稳前,每一级卸围压过程中煤样的变形和渗透率变化速度都是不一样的,均呈加速增大的趋势;在每一级围压恒定阶段,随着围压的降低,煤岩的蠕变速度和渗透率也均是加速增大的;卸围压阶段比围压恒定阶段变形和渗透率增大速度快得多;无论是卸围压过程还是恒定围压阶段,围压降低引起的横向变形的变化速度均大于轴向变形的变化速度。

热损伤花岗岩三轴卸围压力学特性试验研究

利用岩石伺服试验系统,对经历25℃~900℃作用后的花岗岩试样进行三轴卸围压试验,研究高温后花岗岩在卸荷路径下的变形特性、参数特征及破坏形态。结果表明：经历300℃后的岩样围压卸荷量最少,最容易发生破坏。基于应变围压增量比,定量揭示了卸荷破坏是由强烈的径向变形和体积扩容所致。随着温度上升,各应变围压增量比均先增大后减小,在300℃时达到最大。卸荷过程中岩样的变形模量逐渐减小,25℃~900℃之间,减小33.20%~59.11%,且温度越高减小越多,与体积应变均呈二次多项式相关;泊松比逐渐增大,25℃~900℃之间,增大164.96%~274.03%,且温度越高增加越多,与体积应变均呈线性相关。高温后的岩样在单轴压缩下均呈轴向劈裂破坏,并存在多个贯通裂纹;在三轴压缩下为宏观单一的贯通剪切破坏形态;三轴卸围压下破坏形态则比较复杂,常温时为高角度的局部剪切破坏,随温度升高,岩样变为贯通剪切破坏,到900℃时又变为局部剪切破坏。

地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。

岩石试样的三轴卸围压试验

介绍了模拟地下岩体破坏的三轴卸围压试验,从新的角度考察了岩石强度、围压与试样弱化破坏间的关系,以塑性变形量和本征强度统一研究了三轴压缩和卸围压两种力学过程,提出了材料参数弱化模量来描述岩样的本征强度降低,讨论了循环加卸围压过程。

卸围压路径下大理岩破坏过程的声发射特性试验研究

为探讨破坏过程中应力路径与声发射特征之间的关系,对大理岩进行了常规三轴压缩与恒轴压、卸围压试验.试验结果表明:试样声发射特征随路径而变化,常规三轴路径试验的声发射计数率最大值滞后于应力峰值,出现在峰后应力突降处,而恒轴压、卸围压路径试验的最大计数率出现在应力峰值处;岩样常规三轴路径破坏前声发射事件波动与平静期相互交替,恒轴压、卸围压路径则明显更具有突发性;低围压下的卸围压试验,卸荷处的声发射事件计数率降低非常明显,围压越高,岩样破坏持续时间越长,破坏时声发射事件计数率越高;卸荷速率越高,岩样卸荷后的平静期越短,破坏全过程中的声发射计数率最大值越高;塑性阶段卸围压,卸荷点处会出现少量计数率较高的声发射事件,低于破坏时出现的声发射计数率.

含瓦斯砂岩卸围压变形特征与渗透规律试验研究

为研究含瓦斯砂岩卸荷破坏过程中的变形及渗流规律,采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,开展了不同围压和相同瓦斯压力条件下的卸围压渗流试验,建立了基于应变指标的瓦斯渗流模型。得出的主要结论有:(1)含瓦斯砂岩破坏表现出明显的脆性特征,峰值应力点后瞬间,应力、应变及流量均出现突跳;(2)应力-应变及渗透率变化呈现明显的阶段性特征:孔隙、微裂隙压密及弹性变形阶段(Ⅰ、Ⅱ阶段),砂岩渗透性为0;卸荷屈服阶段(Ⅲ阶段),产生新的损伤,渗透性小幅增加;卸荷破坏应力跌落阶段(Ⅳ阶段),应力突降,应变陡增,裂隙贯通后渗透性陡增,是渗透性主导阶段;破坏后阶段(Ⅴ),应力、应变及流量变化均趋于稳定;(3)含瓦斯砂岩破坏阶段,受气体压力和泊松效应影响,使径向应变和体积应变远大于轴向应变;(4)含层理砂岩卸荷破坏形式以产生沿层理面方向的张剪混合裂缝为主。基于Kozeny-Carman方程和裂隙流理论,建立了应变相关渗透率模型,揭示了含瓦斯砂岩损伤破坏渗流机制,对研究瓦斯突出、及在破断岩体中的运移规律及抽采孔优化设计等具有借鉴意义。

白砂岩卸围压强度与损伤破坏特征

为了探讨白砂岩卸围压强度变形特征,利用RMT岩石力学试验系统进行了常规三轴、恒轴压卸围压应力路径试验,分析了白砂岩卸围压强度、变形、稳定时间和损伤破坏特征。获得以下主要结论:相同初始围压下,卸围压速率越大,屈服段越小,相同卸围压速率下初始围压越大屈服特性越明显;相同初始围压下,随着卸围压速率的减小,白砂岩破坏时的轴向变形增大,表明脆性减弱而延性增强,破坏时的内部损伤越严重;随着卸围压速率的减小,同一初始围压下破坏时围压增加,围压降减小而围压比增大;初始围压越大白砂岩稳定时间越长,但随着卸围压速率的增大稳定时间迅速减小,卸围压速率达到1 MPa/s时,初始围压对稳定时间的影响已很小,不同初始围压下单位围压稳定时间的减小规律基本一致,且受初始围压影响甚微;卸围压应力路径对白砂岩的黏聚力有弱化效应,而对内摩擦角有强化作用,卸围压速率越大内摩擦角越大,黏聚力越小;利用八面体剪应力,基于Mogi-Coulomb强度准则获得了白砂岩强度判别通式;卸围压应力过程中声发射振铃计数一直处于较低水平,在破坏之前没有渐进增长的变化过程,且最大声发射出现在应力峰值处,可知卸围压过程中岩样内部损伤发展缓慢,损伤的快速发展形成主控破裂面主要出现在峰值处,且破坏之前没有声发射渐增先兆,破坏突然;白砂岩发生典型单一破裂面的剪切破坏,且随着卸围压速率的增大,破裂角整体呈增大趋势。

含瓦斯煤卸围压蠕变试验及其理论模型研究

以重庆松藻煤电公司打通一矿突出煤层取得的煤样为研究对象,运用自制的含瓦斯煤三轴蠕变加载渗流试验系统,进行了含瓦斯煤卸围压蠕变与渗流试验研究,分析了其黏塑性本构关系与考虑Klinkenberg效应的卸压瓦斯渗流规律。结果表明:通过卸围压可使含瓦斯煤加速破坏,对于脆性煤岩体则容易引起冲击地压或煤与瓦斯突出。由于煤样在加压再卸压的过程中产生大量的宏观裂隙,优化了煤体中孔隙的连通性,会引起瓦斯流动速度显著增加。改进了Chaboche黏塑性本构模型,可用以描述含瓦斯煤的卸压短期蠕变破坏。通过实验数据可以获得该本构模型中的系列参数,并使之与含瓦斯煤的卸压变形吻合。通过试验得出了考虑Klinkenberg效应的卸围压过程中瓦斯流量的变化规律、视渗透率与滑脱系数。

大岗山坝区辉绿岩卸围压三轴流变试验及分析

为研究硬脆性岩体的卸荷流变力学特性,以大岗山水电站坝区为依托,经过现场采样取芯,采用三轴流变试验机,开展硬脆性辉绿岩不同应力路径下的三轴流变试验研究。研究结果表明：卸荷流变和加载流变都存在门槛效应;加载流变破坏的侧向应变为轴向应变的2~3倍,卸荷流变破坏时为1~7倍;加载流变破坏形态主要为剪切破坏,而卸荷流变破坏形态主要为劈裂破坏;轴向应力σ1恒定卸围压流变时岩样表现出的脆性比偏应力（σ1-σ3）恒定卸围压流变更为剧烈;二者的流变破坏破坏强度均比常规三轴强度低。