煤张开型裂隙三维宏细观演化特征及扰动因素探究

裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境,为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应,基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验,以多角度联合表征,对原生裂隙、矿物及围压的内外条件相互作用机制做出合理解释。结果表明:①围压会改变煤体初始损伤显著区位置,使其随围压升高由裂隙尖端过渡至煤体上、下端,且微孔隙和大尺寸裂隙之间比微孔隙和微孔隙之间更易相互贯通,并产生新的宏观裂纹。②围压升高使得三维动态分形维数由缓慢增加、快速增加和平稳增加转变为平稳增加、快速增加和缓慢增加的发展阶段,可表征裂隙的时间演化规律。③含裂隙煤体在单轴或低围压下呈纵向拉伸破坏,高围压会使其破坏方式趋于剪切,并通过2种途径提升煤体强度。④起裂角理论值偏离试验值程度随围压增加而增加,与煤体由矿物分布引起的离散度数值关系一致。⑤根据裂隙的受力成分及矿物分布特征将裂隙扩展行为分为直驱、绕核和错核3种类型,该扩展行为受围压对裂隙的作用力成分影响,由相对纯粹拉应力、拉伸–剪切复合应力和相对纯粹剪应力作用的裂纹分别对应以上3种扩展行为,即对裂隙的扩展影响形式表现为以围压为主,矿物赋存形态为辅。

基于三维裂隙网络模拟和单孔压水试验的裂隙张开度确定方法

岩体裂隙的等效水力张开度(水力学等效隙宽)是岩体的关键力学几何参数之一。目前常采用交叉孔试验等大型试验方法获取野外深部岩体裂隙的张开度,但该方法很少在一个工程中多次使用,且难以分析裂隙张开度在空间上的变化。以三峡大坝右岸地下电站硐室围岩为例,提出了一种联合利用常规单孔压水试验数据和三维裂隙网络模拟,反演确定裂隙等效水力张开度的新方法。利用实测裂隙编录资料取得的统计数据开展裂隙产状随机模拟,构建与压水试验钻孔连通的三维离散裂隙网络渗流模型,拟合单孔压水稳态流量和压力的关系,反演不同深度岩体的裂隙等效水力张开度。结果表明,研究区岩体裂隙的等效水力张开度一般为0.07~0.30 mm,符合对数正态分布的统计特征,多数钻孔反演的裂隙等效水力张开度随埋深呈指数形式衰减,少数钻孔呈现出裂隙等效水力张开度随机性强、随埋深变化不明显的特征。相较传统方法,本方法反演结果显著不同,有待进一步验证。

含双圆孔煤样渐进性破坏的孔周表面变形及裂隙演化特征

瓦斯预抽钻孔和防冲卸压钻孔协同布置能够一体化防治矿井冲击地压和瓦斯复合灾害,但密集布孔可能会诱发串孔、塌孔等,影响矿井瓦斯抽采效率。为了探究这类双钻孔结构煤岩体受压破坏过程中孔周表面变形及其裂隙演化规律,利用煤岩变形破坏数字图像观测系统对含双圆孔煤样开展单轴压缩条件下的3D-DIC观测实验,获取了不同应力状态下试样表面变形的时间序列图像,通过三维表面重构技术和VIC^(3D)分析处理软件计算得到了试样表面三维全场变形,根据应变场分析结果结合统计指标分析法对应力应变曲线进行了5个变形阶段划分,精细化表征了孔周表面变形和裂隙演化特征。研究结果表明:单轴压缩下含双圆孔煤样应变场灰度整体向高灰度级方向移动,应变场灰度直方图谱峰占比以应力峰值为界先缓慢变化再快速变化;试样孔周径向位移曲线呈现出“从”字型,环向位移曲线呈现出“人”字型,且左孔H_(1)孔周始终沿逆时针方向加速移动,右孔H_(2)孔周始终沿顺时针方向加速移动;孔周裂隙以逆时针错动为主,并伴随着少数裂隙的顺时针错动;应变局部化带外区在加载峰值前主要体现为能量累积,加载峰值后主要表现为能量释放,同时也伴随着部分能量调整转移造成的能量累积;在试样加载过程中,应力场环境、裂隙端部几何形状以及裂隙长度不断发生变化,造成裂隙尖端的应力强度因子K_(Ⅰ)减小,存在阻碍裂隙扩展的作用。

浅埋薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向贯通裂隙“张开—闭合”规律

浅埋深薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向裂隙贯通是形成溃砂溃水通道的主要因素,为掌握该种裂隙"张开—闭合"规律,采用相似模拟、理论分析、现场实测等综合研究方法,深入分析了该种裂隙的张开闭合过程与形式,结果表明:纵向贯通裂隙的张开始于周期来压来临之前,随着工作面的继续推进,该种裂隙随着水平力、岩块错位量的动态变化而逐渐扩展,当扩展至极限时,纵向贯通裂隙随着关键岩块的切落而迅速闭合,伴随着下次周期来压的出现,之后出现该贯通裂隙的进一步压实,以及下一条纵向贯通裂隙的出现。基于上述研究,从工作面推进速度、液压支架支撑力、采空区的充填程度等易于工程控制的3个方面阐述了其对纵向贯通裂隙张开闭合的影响机制,为浅埋薄基岩工作面溃砂溃水隐患控制提供有效依据。

深埋巷道围岩多次破裂现象与裂隙张开度研究

采用深部围岩位移监测、声波测试和全景数字化钻孔成像观测多种测试手段相结合的方法,获得了淮南朱集煤矿-906m水平的风井车场南绕道围岩的破裂区分布情况。通过对比分析,确定了各破裂区的裂隙张开度大小。结果表明,裂隙张开度从巷道表面向深部呈现减小的趋势。

不同裂隙张开度下岩石材料破坏的颗粒离散元模拟

岩体结构对岩体工程灾害具有一定的控制作用,为了研究硬性结构面在岩体破坏中所起的作用,从裂隙张开度对岩石破坏过程和破坏模式的影响出发,建立不同裂隙倾角下不同张开度的颗粒离散元数值模型,进行单轴压缩数值试验,结果表明:岩样的主要破坏模式既与裂隙的张开度有关,又受裂隙倾角影响;裂隙张开度较小岩样,通过裂纹迅速发展,在峰值强度时就趋于贯通;而裂隙张开度较大岩样,引起最终破坏的裂隙尖端张拉裂纹在峰值强度后才出现;且存在极限相对裂隙张开度,对岩样的受力破坏起裂隙干扰作用.

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。

张开度影响的水平裂隙类岩试件破断试验与分析

为探究张开度影响的水平裂隙岩体破断机理,利用水泥砂浆制备不同张开度水平单裂隙类岩体试件,基于RMT-150B岩石力学试验机对制备的类岩体试件进行单轴加载试验。结果表明:同一预制裂隙长度下,随着裂隙张开度的减小,微裂纹萌生位置由预制裂隙中部向尖端转移。为验证此现象,基于PFC数值仿真平台的平行黏结接触单元构建了裂隙体数值模型进行分析,在数值计算边界条件与试验测试环境相一致的条件下,得到了与试验测试结果相一致的微裂纹起裂模式与破断特征。为进一步探究水平裂隙岩体微裂纹起裂扩展机制,结合微裂纹起裂扩展过程中数值模型颗粒位移场演化规律,基于裂纹面变形屈服特征,提出了固支梁简化计算力学模型,对不同张开度下水平裂隙岩体出现的微裂纹起裂扩展机制进行了分析和阐释。

张开度影响的裂隙类岩试件破断试验与数值模拟

为深入揭示裂隙张开度和裂隙倾角复合因素影响下裂隙体破断模式与力学响应规律,对室内制备的不同张开度单裂隙类岩体试件进行单轴压缩试验。试验结果表明:预制裂隙倾角越小,裂隙体峰值强度受张开度影响越大;同一裂隙倾角下,裂隙体峰值强度随裂隙张开度增大而减小;随预制裂隙张开度的增大,裂隙体峰值强度最小值对应裂隙倾角由45°向0°偏移;裂隙体弹性模量与裂隙倾角呈正相关性,与裂隙张开度呈负相关性。为进一步揭示裂隙张开度与裂隙倾角复合因素对裂隙体微裂纹演化规律的影响机制,基于PFC2D数值仿真平台构建不同张开度与倾角的单裂隙数值分析模型,在相同加载条件下进行数值模拟试验,结合裂隙面邻域内颗粒间接触力链演化规律,从裂隙面挠曲变形角度揭示了裂隙倾角和张开度复合因素影响的裂隙体力学响应规律。

不同张开度裂隙类岩体循环加卸载下滞回环特征与损伤变形分析

为探究张开度和不同应力等级循环加卸载复合影响下裂隙岩体的损伤特性和裂纹演化规律,利用水泥砂浆制备不同张开度单裂隙类岩石材料,基于RMT-150B岩石力学试验机对类岩石材料开展了3种等级的应力循环加载试验,分析了裂隙类岩石材料的应力—应变曲线特征、滞回环面积变化规律、动弹性模量变化规律及损伤特性。试验结果表明:类岩石材料的强度随应力循环等级的增大而出现弱化现象,同时循环过程中加卸载曲线形成的滞回环由刚开始的“密集型”转为“稀疏型”;类岩石材料滞回环的面积随着循环次数的增大呈递减趋势,而滞回环面积随张开度的增大呈递增趋势;当循环应力和循环次数相同时,类岩石材料的动弹性模量随着张开度的增大呈递减趋势;随着应力循环等级的增大,类岩石材料的损伤变量随着循环次数的增加呈现为递减—缓慢增长—急剧增长趋势,且不同应力等级下裂纹的演化各不相同。

在顶爆作用下含裂隙锚固洞室的损伤演化及动态响应规律

基于相似模型试验,利用数值分析方法研究了含裂隙锚固洞室在顶爆下的损伤演化和动态响应规律,并探讨了裂隙倾角和长度对锚固洞室损伤分布和拱顶位移的影响。随着爆炸应力波的传播,在裂隙表面形成张拉损伤,并在裂隙尖端扩展出翼生裂纹,随后在锚固洞室附近的拱顶自由面、锚固区边界处以及底板中间依次形成较大拉伸损伤区域。随着裂隙倾角从0°加大到90°,拱顶锚固区及锚固区边界最大损伤区域面积先减小后增加,裂隙倾角为45°时面积最小。当裂隙的长度相同时,拱顶峰值位移随裂隙倾角的增大先增加后减小;当裂隙的倾角相同时,裂隙长度越长对应力波的阻碍作用越明显,裂隙长度为30cm、倾角为45°时洞室破坏最小。

顶爆作用下裂隙对锚固洞室振动速度的影响

基于相似模型试验,利用数值分析方法研究了含裂隙锚固洞室在顶爆作用下质点峰值振速的分布规律,并探讨了裂隙倾角和长度对峰值振速的影响。结果表明:裂隙和洞室表面在迎爆侧存在振速放大效应,洞室两侧和底部振速远小于拱顶;随着裂隙长度的增加,锚固洞室拱顶、拱脚和两帮峰值振速先减小后增加再减小,除了长度较短的情况,裂隙的存在使锚固洞室拱顶的峰值振速增加;随着裂隙向右倾斜的倾角增加,拱脚和两帮的峰值振速出现不对称,洞室右边的拱脚和侧帮峰值振速大于左边;拱顶峰值振速先减小后增加,倾角为45°时拱顶峰值振速最小,相较无裂隙洞室降低了48.2%,有效减弱了结构的动力响应。

煤层气储层裂隙阵列侧向测井响应数值模拟与分析

裂隙是煤层气储层重要的流体渗流通道,是煤层气有效储集体形成的重要条件。研究裂隙的测井响应特征是确定煤层裂隙参数的关键。利用三维有限元方法,确定不同裂隙条件的阵列侧向测井响应。研究表明:阵列侧向测井修正的视电导率与裂隙孔隙度、裂隙流体电导率基本为线性关系;随裂隙倾角增大,阵列侧向视电阻率升高;随基块电阻率增大,阵列侧向视电阻率增加;高角度裂隙(组)的阵列侧向测井深浅视电阻率呈现正差异,而基块电阻率较大的低角度裂隙(组)的响应可呈现负差异特征;相同裂隙孔隙度下,裂隙密度增加可能使裂隙组的阵列侧向视电阻率增加,当裂隙密度足够大时,测井响应基本不随裂隙密度发生变化;交叉裂隙的测井响应与平行裂隙组差异明显,且不同倾角组合的交叉裂隙的测井响应之间差异明显。

坝基节理裂隙特性随机分析及应用

本文通过具体工程实例分析,着手于节理裂隙的数理统计分析,引入Rosenbluth理论来研究节理裂隙连通率和张开度,从而掌握地质缺陷对防渗帷幕影响程度。

谷坡岩体卸荷带划分量化指标研究

谷坡岩体卸荷在水利水电工程边坡中是一种常见的地质现象,对岩石边坡稳定性及相关岩石工程问题有着重要的控制意义,卸荷带定量划分一直受到水利水电工程勘测与设计的重视。用于卸荷带定量划分的指标很多,比较常用的是反映岩体结构特征的量化指标。根据水利水电工程实践,讨论谷坡岩体卸荷带划分量化指标问题,提出以张开裂隙宽度、张开裂隙累计宽度、波速比作为谷坡岩体卸荷带划分的量化指标。

高边坡岩体卸荷带划分的量化研究

边坡卸荷及其卸荷带是西南地区高边坡一种常见的现象,对岩石边坡稳定性及其它岩石工程问题有重要的影响。在分析目前卸荷带划分方法的基础上,根据卸荷带的形成机理及地质表现,提出了用裂隙率、张开裂隙率和“隙宽和”3个量化指标进行卸荷带的划分。结合实际工程,进行了大量的现场裂隙测量,分析结果表明,3个量化指标对卸荷带的强弱有较好的响应关系,作为卸荷带划分的量化指标具有较好的可操作性。进一步,结合卸荷带的地质特点,提出了所研究的具体工程其卸荷带划分的建议方案。

西南水电工程坝址峨眉山玄武岩卸荷分带研究

岩体卸荷及其产生的变形现象已成为水电工程建设中一个突出的问题。在分析西南水电工程中峨眉山玄武岩岩体卸荷划分方法的基础上,采用已被大多数工程所运用的岩体的张开裂隙条数、裂隙张开度和纵波速度作为卸荷带划分量化指标,对白鹤滩水电站卸荷带进行了划分,证明了此量化指标作为卸荷带划分的统一标准的可行性。进一步结合卸荷带的地质特征,探讨了峨眉山玄武岩岩体卸荷带划分的统一标准问题,提出了卸荷带划分的建议方案。

基于数字图像与数值计算的节理岩体锚固效应研究

为了研究锚杆对裂隙岩体的加固作用,通过自主研发的数字图像相关(DIC)试验技术和离散元(DEM)数值计算方法,对预置裂隙岩体试样锚固前后进行测试。从细观层次量化分析了加载过程中两类岩体(未锚固和锚固岩体)裂隙的起裂、扩展等特征,对比了数字图像测量的位移场,应变场和裂隙张开度(COD)以及数值计算得到的裂隙发育数量,区域分布和扩展方向。结果表明:基于DIC测量软件,可精确进行岩体非接触的无损测量,并且能够监测出岩体锚固这种内部隐蔽的过程;加固岩体的锚杆与裂隙交叉位置出现应变集中成核现象,定量地说明了岩体加固对裂隙的抑制作用;同时还得出岩体加固可以改变裂隙扩展类型和主裂隙发育方向。

裂隙张开度对地震波特性影响的模型研究

基于Hudson裂隙理论中等效裂隙模型假设,在均匀介质中嵌入定向排列的薄圆片充填物可构成裂隙介质模型.通过改变充填物薄片的厚度,模拟裂隙的张开度,观测其对纵横波传播的影响.在实验室内用环氧树脂作裂隙模型的基质材料,含硅橡胶的混合低速材料做裂隙充填物.当每个模型中裂隙的直径和个数相等时,仅改变裂隙的厚度,形成了一组相同裂隙密度的裂隙模型.采用超声波脉冲透射法获得了平行和垂直裂隙方向纵横波传播的时间和波形记录.实验表明,在相同裂隙密度条件下,裂隙张开度的变化对纵横波的速度和振幅都有影响,其中纵波振幅的变化比速度变化大得多.横波速度的变化主要反映在慢横波上,振幅的变化快横波比慢横波大.这些特征对地震资料的处理和解释有一定的指导意义.

河谷斜坡卸荷综合分带研究

讨论了选取卸荷带划分代表性指标的工程地质意义,并从诸多指标中选出裂隙张开条数与相应段裂隙总条数比值、波速比、钻孔吕荣值作为划分卸荷带的代表性指标,以平硐获取的裂隙及波速比资料从横向上判断卸荷带的界线,以钻孔吕荣值从纵向上判别卸荷带深度,从而得到斜坡岩体卸荷带的空间展布情况。利用3个代表性指标对西南某工地左岸岩质斜坡卸荷带进行划分,划分结果与有经验的地质师划分的结果基本相同,表明该方法是可行的。