低应变率动载下含水泥岩力学响应特性与损伤机制

动载作用下富水泥质巷道围岩加速失稳破坏,已成为深部煤炭资源开采工程的突出问题,深入研究扰动荷载下含水泥质岩体的损伤机制具有重要意义。开展了泥岩低应变率动载扰动试验,分析了不同含水率、动载速率、动载强度等因素对泥岩力学响应特性的影响,阐明了动载扰动阶段的弹塑性变形行为特性,明确了泥岩不同加载阶段拉伸、剪切破坏分布特征,揭示了水岩及动载作用下泥岩细观结构演化机制。结果表明:①低应变率动载对泥岩强度仍有弱化作用,泥岩抵抗动载扰动能力随含水率、动载速率、强度增大而降低,强度损伤最大分别达到28.47%、59.76%、31.56%。②声发射特性参数规律表明加载过程中泥岩经历了初期损伤、损伤加剧、损伤平寂(加剧)、损伤发育4个裂隙演化阶段,动载扰动阶段各因素较低水平时Kaiser效应更明显,各因素较高水平时Felicity效应越显著。③初次动载扰动下泥岩的加载应变、塑性应变均最大,各因素较高水平时泥岩二次显著损伤时间提前;较高动载速率、强度试验中,扰动过程中加载应变与塑性应变关联性较高,且塑性应变始终大于弹性应变。④泥岩加载全过程中剪切破坏占比随着含水率的增大均有提升,其中动载阶段由干燥时6.94%显著增加至饱和时33.95%,宏观剪切破坏特征逐渐明显。⑤饱和泥岩中水的溶蚀及潜蚀作用、较高速率动载作用下胶结断裂、较高强度动载作用下颗粒胶结大范围位移是泥岩力学性能劣化的根本原因。⑥构建了考虑侧向应力与循环动载作用的泥岩损伤模型并利用不同含水率试样循环动载阶段加卸载应力−应变关系进行了验证,模型参数F0与参数m(m,F0分别为关于Weibull分布的形状参数和比例参数)相比对泥岩试样强度的影响更显著。研究成果为揭示低应变率动载作用下含水泥质软岩的损伤机制提供了科学依据,有助于深入理解动载扰动下富水泥质巷道围岩加速失稳问题。

含水泥岩蠕变损伤特性试验研究

采用流变损伤力学理论分析与试验研究相结合的方法研究泥岩的力学特性,通过建立煤矿采动过程中泥岩蠕变损伤演化方程,根据泥岩的蠕变损伤试验分析不同含水量的泥岩的蠕变变化规律及影响因素。结果表明,泥岩的蠕变过程是硬化与软化相互作用的过程,在外力扰动作用下会发生能量耗散现象,削弱了泥岩的承载能力;在保持围压不变的条件下,随着含水量的增加,泥岩内部的黏土矿物吸水后强度和黏聚力迅速降低,表现出强烈的流变特性,其蠕变挤压应力和蠕变应变也随之增加;随着加载时间的增加,不同浸泡时间的泥岩峰值蠕变挤压应力和峰值蠕变应变有趋向一致的趋势;在相同含水量的条件下,随着围压的增加泥岩的蠕变应变挤压应力也呈现出递增的趋势。

含水泥岩卸荷蠕变数值模拟及劣化机制研究

为揭示含水泥岩卸荷蠕变破坏机制,开展不同含水率泥岩升轴压卸围压蠕变试验、细观结构测试及数值模拟分析。试验结果表明,含水率对泥岩蠕变变形影响显著,且同一蠕变应力水平下,轴向应变受含水率影响显著大于侧向。SEM图像分析表明,含水率增大导致泥岩内部孔隙度增大,矿物颗粒被溶解弱化,由致密程度好、强度高向强度低、疏松多孔不规则的堆积结构转化;并基于真实的泥岩细观结构特征,生成了统计学上等价的细观结构网络,建立了相应的GBM-PSC数值模型,并进行了验证。数值模拟计算结果发现,各类微裂纹数量均随含水率增大而增加,晶内张拉裂纹数量呈先增大后稳定再增大趋势,而晶间剪切裂纹数量则随含水率增大而持续增加;接触切向力角度偏转值及平均孔隙度均随卸荷蠕变时间增大呈先减小后稳定再增大趋势,且含水率越大,变化趋势越显著。最后,建立干燥及含水泥岩三阶段卸荷蠕变劣化演化模型。研究结果可为水作用下软岩工程开挖卸荷蠕变变形破坏机制研究提供一定的理论参考。

不同应力路径下含水泥岩崩解破坏跨尺度分形规律研究

为研究水和不同应力路径下泥岩崩解演化特征,采用扫描电镜、高能CT、三轴伺服压力机,探究微观颗粒结构、细观孔隙数量、宏观崩解及破坏块度的分形维数变化规律,揭示泥岩的跨尺度破坏机制。结果表明:(1)泥岩中黄铁矿与高岭石颗粒粒径和形态差异,产生的原生孔隙会成为水渗通道;随着含水率增加,高岭石结构劣化导致水渗通道变宽,细观孔隙分形维数逐渐增大。(2)大孔隙数量增多、贯通,泥岩发生自然崩解,崩解块度分形维数为1.26~1.77,大于孔隙分形维数。加卸载作用下破坏块度分形大于自然崩解状态块度分形,体现出力的损伤叠加作用。(3)加卸载作用下破坏块度分形维数具有分区性,在特征含水率之前,块度分形维数与强度成负相关关系,超过特征含水率后与强度成正相关关系,分形维数拐点可以作为含水率和应力影响的分界点,该点处水对主破裂面影响程度达到峰值。(4)卸载应力路径影响含水泥岩破坏特征和形态,低含水率泥岩呈脆性破坏,高含水率泥岩呈塑性破坏,张拉破坏增多,碎块多为“片状”。