花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研究

地下工程开挖造成围岩破坏,其破坏方式可归纳分析为两类:张拉型破坏和压剪型破坏,这两种破坏导致的裂隙面的细观形态并不相同,这种不同的细观形态导致张拉和压剪型裂隙的渗透率表现出不同的演化规律。为此,对花岗岩进行了不同围压下三轴压缩试验,产生张拉和压剪型裂隙,进行含裂隙岩样在静水压力加载条件下渗透系数试验。试验表明,相比于含压剪裂隙试样,含张拉裂隙试样的渗透率对静水压力更敏感。进而,分别对不同围压条件下的三轴压缩试验获得的张拉和压剪裂隙面进行扫描电镜试验,获得张拉和压剪裂隙面的细观形态,花岗岩单轴压缩试验所产生的裂隙面表现为典型的张拉型裂隙,破裂面比较光滑;随着围压的不断增大,破裂面的细观形态发生明显的变化,从破裂面上可以明显地观察到逐渐增多的压剪型裂隙,破裂面比较粗糙。在静水压力的作用下,张拉裂隙较快闭合;而压剪裂隙的锯齿能够一定程度上阻止裂隙的闭合。张拉和压剪裂隙面的不同细观结构决定了含张拉和压剪裂隙岩样的不同渗透率演化规律。研究结果对于地下工程分析中确定围岩的渗透率具有一定的意义。

采动覆岩导水裂隙主通道分布模型及其水流动特性

含水层受采动破坏后其赋存水体并非均匀地由覆岩各区域漏失至采空区,其在导水裂隙带范围内应存在水体流动的主要通道;研究揭示导水裂隙主通道的分布规律及其水流动特性对于科学指导井下涌水量预计、顶板水害防治、保水采煤等具有重要意义。基于导水裂隙类型划分及其渗流/管流力学分析,就采动漏失水体的流动主通道分布模型进行了研究。结果表明:开采边界外侧岩体受超前支承压力作用易产生峰后压剪裂隙,裂隙导水属非达西渗流流态;而由岩层破断回转运动产生的拉剪裂隙,由于裂隙导水雷诺数相对偏大,其导水流态一般属于管流范畴,且受岩层破断位置相对开采区域的不同,又可将其划分为采区边界附近的上端张拉裂隙和下端张拉裂隙、以及中部压实区的贴合裂隙这3种。据此利用Forcheimer公式和伯努利方程对比揭示了上述2类4种裂隙导水流动特性的差异。研究得出开采边界附近的上端张拉裂隙在进流口开度、导水流量、出口流速等特征参数上均领先于其他裂隙;且由于其出口水压较小,其水流还会受到两侧邻近的压剪裂隙和下端张拉裂隙出口水流的水平径流补给。因而,含水层采动漏失水体多由上端张拉裂隙导流而来。由此基于岩层控制的关键层理论,构建形成了以关键层在开采边界处的破断尺寸参数为依据的导水裂隙带主通道分布模型。

微裂隙对工程岩体强度参数的影响分析

通过分析压剪微裂隙尖端应力场,对含微裂隙岩体的起裂强度进行估算。计算结果表明,岩体起裂强度与微裂隙和最大主应力夹角以及围压的大小有关。当围压增加时,岩体的起裂强度增大,起裂角减小;当围压一定时,仅当微裂隙与最大主应力夹角在阀值范围内时,其才对岩体的起裂强度产生影响,并且随着围压的增加,该阀值的范围将逐渐减小;此外,微裂隙的持续扩展也需施加较高的应力。因此,对于浅表工程岩体,岩体破坏主要受贯通裂隙控制,采用数值分析方法时可以忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。