水岩作用下不同煤体厚度组合体力学特性及损伤规律研究

为研究水岩作用下煤岩组合体力学行为及其界面不均匀破坏特征,揭示井下隔水煤岩柱变形及富水环境下煤岩层变形规律.对不同高度比例的岩-煤-岩组合体开展干燥和饱水条件下单轴压缩试验,分析组合体应力-应变、强度及弹性模量劣化规律,探究水岩作用下煤-岩交接面处应力分布关系,明确组合体变形破坏特征及过程.研究结果表明:水岩作用下煤体高度对组合体力学特征具有较大影响,在干燥与饱水状态下,组合体单轴抗压强度与弹性模量均随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体挤裂破坏.但组合体强度损失劣化度随着岩体层间煤体高度增加,先增大后减小,当煤∶岩高度比为1∶2时,组合体强度对水的敏感度最大并出现极大值,这主要与煤岩交界面高度位置有关.弹性模量呈现降速缓释趋势,主要与组合体组成岩石性质有关.水岩作用下煤体部分为组合体整体失稳破坏的触发点位,延续影响煤体两端岩体,由于交界面产生侧向平面约束力,使煤体轴向抵抗变形能力得到强化,但随着煤体高度的增加,煤体中部所受约束影响迅速衰减.组合体变形破坏渐进性过程分为四个阶段:裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段.

水岩作用下岩石-混凝土界面强度劣化特征研究

岩石-混凝土工程体广泛存在于岩土工程领域,对岩土工程结构稳定性具有重要影响。以水岩作用下岩石-混凝土工程体界面强度劣化特征为研究对象,通过不同干湿循环次数条件下岩石-混凝土工程体剪切强度试验,分析水岩作用下岩石-混凝土工程体劣化机理。结果表明,根据不同水岩作用下岩石-混凝土工程体界面剪切试验结果,水岩作用对岩石-混凝土工程体界面剪切强度具有损伤作用,岩石-混凝土工程体界面剪切强度随着干湿循环次数的增加而逐渐减小;岩石-混凝土工程体界面粗糙度系数越大,岩石-混凝土工程体剪切强度也越大;岩石-混凝土工程体剪切强度与冻融循环次数演化关系符合指数函数变化特征,并据此建立水岩作用下岩石-混凝土工程体界面强度劣化模型。

煤矿地下水库水岩作用时间规律模拟试验研究

矿井水在煤矿地下水库的停留时间会影响出水中离子浓度水平,而煤矿地下水库运行期间的水岩作用时间规律尚不明晰。为揭示煤矿地下水库不同运行阶段水岩作用的发生类型及强度,结合现场采样测试分析,设计细砂岩–矿井水(S-K)和泥岩–矿井水(N-K)2组水岩相互作用静态模拟试验,从试验前后岩石成分变化及水中主要离子变化2个方面解析水岩作用类型,并结合Q型聚类分析探讨水岩相互作用的时间规律。岩石矿物成分变化表明,水岩作用过程中发生了钠长石、正长石等矿物的溶解以及高岭石、石英等矿物的沉淀;离子比值分析与统计学分析表明,水岩作用过程中还发生了阳离子交换反应以及硅酸盐、蒸发岩等矿物的溶解和碳酸钙矿物的沉淀;Q型聚类分析表明,静态模拟试验水样样本按时间序列可划分为3类,分别代表水岩作用前期(0~0.5 d),中期(1~10 d或1~8 d)以及后期(12~47 d或10~47 d)。结合离子来源解析综合判定:在本试验中,水岩作用前期以阳离子交换反应为主,离子变化主要表现为Na^(+)浓度激增,而Ca^(2+)浓度锐减;中期以阳离子交换反应与矿物溶解-沉淀为主,离子变化主要表现为Na^(+)、K^(+)、Cl^(−)浓度增高,Ca^(2+)、HCO_(3)^(−)、Mg^(2+)浓度降低,S-K组中SO_(4)^(2−)浓度增高,而N-K组中SO_(4)^(2−)浓度降低;后期水岩作用微弱,处于动态平衡状态,各离子浓度没有明显变化;岩石性质对离子变化有一定影响。研究结果为煤矿地下水库不同运行时期的矿井水水质净化机理提供理论参考。

干热岩长期开采过程中水岩作用的研究进展

干热岩资源是一种储量巨大的可再生清洁能源,我国的干热岩资源储量丰富,高效稳定开采干热岩是我国实现“双碳”战略目标的途径之一。干热岩开发主要是通过增强型地热系统完成。在干热岩开发时,岩石长期处于高温高压的水环境中,会出现岩石中不同矿物溶解/沉积的现象,造成裂缝堵塞或者管道结垢等问题。同时,在水与干热岩进行接触换热的过程中,水岩作用还会对岩石的力学性质产生影响,诱导岩石微孔隙生成、裂隙扩展,使岩石劣化损伤程度加剧,力学性能下降。本文分析了干热岩开发过程中高温高压条件下水岩作用引起的问题,阐述了水岩作用的机理,总结了当前水岩作用的实验方法以及数值模拟方法,最后对未来干热岩开发中水岩作用的研究方向进行了探讨,为今后干热岩长周期高效安全开发提供一些理论参考。

水岩作用对充填节理岩石劣化的影响

为对比不同水岩作用对充填节理岩石损伤劣化的影响,对干湿循环和持续浸泡两种水岩作用下充填节理岩石进行波速测定、静态单轴压缩试验和动态单轴冲击试验。首先分析了两种水岩作用对充填节理岩石波速值、静态和动态抗压强度以及能量耗散特性劣化效应的影响,然后对比了干湿循环作用后不同状态(干燥和含水状态)下充填节理岩石力学参数劣化效应的差异性。结果表明:水岩作用次数小于10次时,干湿循环作用下岩样的波速值显著小于持续浸泡作用下岩样的波速值,但随着水岩作用次数的增加,两者波速值的差距不断缩小;充填节理岩石的静态抗压强度、动态抗压强度和能量耗散率随着水岩作用次数的增加而不断降低,在20次干湿循环和持续浸泡作用下,充填节理岩石的静态抗压强度分别降低了27.16%和18.94%,动态抗压强度分别降低了23.33%和21.76%,能量耗散率分别降低了74.29%和59.71%,可见干湿循环作用对充填节理岩石的损伤劣化相比于持续浸泡作用更大。此外,干湿循环作用下干燥状态岩样静态抗压强度比含水状态岩样强度高,而干燥状态岩样动态抗压强度却比含水状态岩样强度低。

水岩作用下煤岩组合体力学特性与损伤特征

水岩相互作用是地下采矿工程活动中的常见问题。为研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性、损伤特征及劣化机制,对不同浸水时间下的细砂岩−煤(FM)、粗砂岩−煤(GM)、细砂岩−煤−粗砂岩(FMG)3种组合体开展了轴向压缩试验。结果表明:①组合体含水率随浸水时间增加而增大,浸水20 d以后达到饱水状态;5~15 d为组合体的吸水区,15~20 d为组合体近饱和区,20~25 d为组合体的饱和区。②水岩作用下3种组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数具有明显的劣化效应,其参数值均随浸水时间增加而减小;浸水5~15 d阶段为峰前能量陡降区,浸水15~25 d阶段为峰前能量缓降区;浸水时间5~15 d,组合体冲击能量指数劣化明显,15 d之后,劣化效应较弱;浸水5~10 d组合体为弱冲击倾向性,浸水15~25 d组合体无冲击倾向性。③随着浸水时间增加,组合体的声发射累积数显著下降。利用损伤理论构建了基于浸水时间的组合体损伤模型,该模型揭示了损伤变量与浸水时间的关系,反映了随着浸水时间增加,组合体的损伤程度增大的规律。④推导了类孔隙比计算公式,组合体的类孔隙比为:FM组合体<FMG组合体<GM组合体;分析了组合体类孔隙比与抗压强度的关系,组合体类孔隙比越大,其抗压强度越小;⑤针对水岩作用下煤岩组合体的劣化效应,从物理、化学、力学3方面,分析了水岩作用下煤岩组合体的劣化机理。⑥对鹤岗矿区某煤矿采矿区积水影响下的煤岩柱破坏特征和变形规律进行分析,水岩作用下煤岩体强度和稳定性具有明显的劣化效应,并且这种劣化效应在浸水初期更为明显,随着浸水时间增加,劣化效应逐渐减弱,这与试验结论相一致。

海相页岩储层水岩作用及其对开发效果的影响研究进展

水平钻井、水力压裂过程中伴随工作液滞留,水岩作用改变海相页岩储层特征与页岩气井开发效果,明确水岩作用机理及其对页岩气赋存和运移的影响,是指导页岩气生产开发的基础。现有研究表明,矿物组成、孔隙结构、流体性质和彼此之间的相互作用是影响页岩吸水的主要因素,水分子侵占孔隙表面的甲烷吸附位,引发气水置换作用,提高孔隙流体压力并降低储层含气性。水岩作用导致矿物膨胀、脱落,储层力学特征和物性参数改变,产生大量次生孔缝,这些次生改造为流体运移提供了更多的渗流通道,改善了储层的渗流能力,但是孔隙水和矿物颗粒堵塞部分孔缝,导致储层气相渗透率降低。针对现有研究认识与不足,建议对以下方面开展进一步研究:1)精细划分并定量分析页岩孔隙中的水;2)明确气水竞争吸附机理及其对页岩含气性的影响;3)分析水岩作用对页岩孔缝特征与矿物组分的影响;4)探究水岩作用对储层含水特征及开发效果的影响规律。

水岩作用下砂岩的崩解机理及加固方法的研究进展

水-岩相互作用是导致砂岩崩解的主要因素之一。砂岩作为一种天然多孔隙沉积岩,是工程建设中经常遇到的一类特殊岩土体。之前的研究主要关注砂岩在自然状态或水岩作用下宏观力学性能的变化,而对水岩作用下砂岩的劣化机理的研究较少,尚未找到经济有效的处理砂岩的方法。本文首先从砂岩的基本性质出发,综述了相关研究在力学性能、微观形态和能量耗散等方面对砂岩劣化机理的探索,进一步提出了抑制砂岩崩解的主要措施,为砂岩在工程建设中的应用提供了理论基础,并有助于针对各种砂岩崩解引起的工程问题提出更完整的处理策略。

水岩作用下库岸边坡岩体动力特性劣化机理研究

水库地震会对岸坡的稳定性造成不可逆的、渐进性的破坏,以三峡水库岸边典型砂岩为试验对象,进行水岩试验和循环加卸载试验研究试样的物理力学性质,同时结合CT扫描观测试样的微观孔隙结构,综合分析岩石在水—岩共同作用下动力特性的劣化机理。研究结果表明:①岩样密度与水—岩作用周期呈反相关关系,孔隙度与水—岩作用周期呈正相关关系,且岩样密度和孔隙度变化速度在水—岩作用初期较大,在水—岩作用后期变化速度较小;②在水—岩循环作用过程中,岩样密度及孔隙度变化幅度在循环加卸载和水—岩作用综合影响下最大,变化幅度中等的是循环加卸载作用下的岩样,变化幅度最小的是考虑地震初始破坏的水岩相互作用;③从微观上看,水—岩相互作用对岩石结构破坏影响较明显。

水岩作用下防水煤柱合理宽度研究

以某矿防水煤柱留设为工程背景,分析防水煤柱保持稳定的基本条件,利用煤柱防水侧塑性区宽度的计算公式,确定防水煤柱合理的理论宽度,根据防治水要求,探讨考虑水压作用的防水煤柱宽度,通过综合分析,确定煤柱宽度为30m,现场应用结果表明,煤柱可以有效承载顶板压力,锚杆(索)受力稳定,煤柱侧巷道围岩变形小,保障了工作面的安全开采。

水岩作用下砂岩劣化损伤统计本构模型

水库蓄水运行后,库水位反复升降变化对库岸边坡岩土体来说是一种疲劳作用,水岩作用下边坡岩体力学性质的劣化将影响整个边坡的稳定。基于此,在前期浸泡-风干循环水岩作用试验数据分析基础上,根据水岩作用过程中砂岩三轴压缩试验应力-应变曲线的特点,借助连续损伤力学和统计理论,将浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应耦合到损伤统计本构模型中,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了水岩作用下砂岩的统计损伤本构方程。对比分析表明,所建立的分段统计损伤本构模型计算与试验曲线符合较好,说明所建立的统计损伤本构方程可以较好地反映砂岩在浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应,在水岩作用过程中,本构模型第2段的Weibull分布参数m和F_0均逐渐减小,反映了水岩作用下砂岩脆性逐渐减弱,宏观强度逐渐降低的力学特性。研究成果对大量存在的库岸边坡长期变形稳定分析具有较好的参考价值,同时,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。

四川盆地红层水岩作用岩石弱化时效性研究

通过对四川地区16个水库采样点现场调查及所采集的岩石样品进行室内微观分析及软化系数测定,红层岩石具有经历长时间浸泡后软化系数随年代逐渐变小的规律,这种强度的降低是水库库水变幅带的"化学风化作用"及"浸泡软化作用"共同叠加的结果。试验结果表明,红层经过30～50a水库浸泡后,泥岩的软化系数较目前设计部门给出的降低10%～20%,粉砂质泥岩浸泡后软化系数降低15%左右,低于泥岩降低幅度。

红层水岩作用特征及库岸失稳过程分析

为了研究三峡库区红层岩土体水岩作用特征,分析库岸失稳的过程,通过统计获得三峡库区红层滑坡的分布规律,并通过X射线衍射对矿物进行分析,结合崩解试验观察和滑带土微观结构扫描,分析红层岩石遇水崩解、软化(泥化)和膨胀的水岩作用特性。以三峡库区典型库岸为例,分析红层水岩作用引起库岸失稳的过程。研究结果表明:富含亲水膨胀性矿物是红层岩土体具有特殊水岩作用特征的关键,红层岩石崩解首先沿缺陷发生,在干湿循环过程中不仅存在失水收缩的拉破坏,还存在吸水膨胀微裂隙尖端压应力集中引起的压剪破坏;红层滑带土在遇水膨胀前、后其矿物自身无明显变化,但矿物间连接结构被破坏,孔隙数量和孔径均有所增加,致使滑带土强度极低;巴东城区北侧库岸太矶头—旧县坪段巴东组第2段(T2b2)崩滑堆积体是互层状红层岩体差异崩解所致;红层膨胀性滑带土的抗剪强度极低,以及后缘水压力的推动作用使万州区近水平地层古滑坡群形成,古滑坡前缘堆积体具有多期活动的特点。

水岩作用下岩石亚临界裂纹的扩展规律

采用双扭试件,利用常位移松弛法,分别进行自然状态以及水岩作用下大理岩和混合岩的亚临界裂纹扩展实验,获得2种环境下岩石裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系,并计算得到亚临界裂纹扩展参数A和n。通过对比,研究水对岩石亚临界裂纹扩展规律的影响。研究结果表明:对于大理岩,其A为自然状态下的8.07×1016倍,n由自然状态下的48.33下降到8.28;对于混合岩,其A为自然状态下的5.45×109倍,n则由自然状态下的60.20下降到21.86,说明对应于同一应力强度因子水平,水作用下的岩石亚临界裂纹扩展速度要快;水的存在使得岩石的断裂韧度KIC明显降低,对于大理岩,自然状态下的KIC为3.0316MN/m3/2,水岩作用后KIC为2.2070MN/m3/2,下降27.19%;对于混合岩,2种状态下的KIC分别为2.0877和1.9398MN/m3/2,下降7.08%。该实验结果可为复杂矿岩的稳定性分析提供可靠依据。

不同温度的水岩作用对岩石节理表面形貌特征的影响

选取2种不同岩石试样,利用微机超级恒温槽控制不同温度的水岩作用,并采用Talysurf CLI2000三维表面激光形貌仪扫描岩石表面并分析其形貌特征参数,通过水岩作用前后形貌分形参数和数理统计参数定量对比,探讨不同温度水岩作用对岩石节理表面形貌变化影响机制。试验结果表明：在20~60℃范围内,经过水岩作用后岩石表面形貌分形维数的相对变化ΔD随着温度升高而增大,在60~80℃范围则随着温度升高而减少;相对分形维数变化ΔD和水岩作用温度t二者之间的呈现抛物线函数特征;温度对形貌数理统计参数的影响规律表明：温度的升高可以促进水岩作用,并且存在一个温度敏感极值点tms（本研究为60~80℃之间）,此时温度对水岩作用影响程度达到最大。当温度低于敏感极值点时,温度的升高可以加速促进水岩作用,而高于敏感极值点时,水岩作用对温度的敏感性明显降低。

三峡库区宝塔滑坡泥化夹层泥化过程的水岩作用

宝塔滑坡群是三峡库区4个体积大于1亿m3的特大型滑坡之一,滑坡发育在侏罗系蓬莱镇组砂泥岩互层的地层中,其中泥化夹层比较发育,是致使滑坡发生的最重要的原因之一。基于地质分析,进行X射线衍射(XRD)试验、扫描电子显微镜和X射线能谱(SEM-EDX)试验、物理化学试验和地下水水质分析,对宝塔滑坡区泥化夹层及其原岩的组分和结构进行了对比分析,认为宝塔滑坡区泥化夹层形成的原因为:上硬下软的地层结构是物质基础;构造应力或重力是泥化夹层形成的必要条件;地下水的长期作用是泥岩泥化的主导因素。在此基础上,研究了宝塔滑坡泥岩泥化过程中的水岩相互作用。研究表明,地下水与泥岩的水化作用、离子交换作用、溶蚀作用相互促进,改变了泥岩的组构和性质,使泥岩泥化,转变为泥化夹层,从而解释了泥岩泥化的机理。

鲁西南地区红层软岩水岩作用特征与工程应用

鲁西南各断块盆地中广泛分布有侏罗、第三系的紫红色、杂色砂砾岩，岩石呈固结半固结状态，遇水后发生渗透、膨胀、崩解和软化等失稳现象，对煤矿建井及煤矿开采带来重大威胁。本文采用 Ｘ衍射仪、扫描电镜、压汞仪及液压伺服机等手段进行了红层软岩的物质组成、微孔结构及渗透性的试验研究，探讨了红层软岩的渗透机理及遇水失稳机理。

安徽月山矿田夕卡岩型矿床形成的水岩作用

文章分析了安徽月山矿田夕卡岩型矿床形成过程中水岩作用的类型和特征。估算和讨论了水岩作用过程中的质量_体积变化和动力学问题。结论认为 :水岩作用对流体成矿系统中夕卡岩和蚀变矿化作用的发生、发展 ,成矿流体的形成 ,成矿物质的富集 ,矿床定位等具有重要意义 ;水岩作用的水岩比值 (W/R)小于 0 .1;

水岩作用对雅鲁藏布大拐弯北段滑坡的影响

通过对川藏公路南线八一至然乌段实地考察及对考察结果、已有资料的分析 ,本文运用统计学原理探讨了雅鲁藏布大拐弯北段地区滑坡与水岩作用的关系 ,并结合该地区发育的滑坡灾害具体分析了该地区水岩作用与滑坡的关系。经分析认为 ,该地区水岩作用条件复杂且利于发育各种典型的水岩作用 ,但地域性特殊的水岩作用形式更发育 ,并对雅鲁藏布地区滑坡灾害形成。

红层泥岩水岩作用特征研究

红层是红色陆相沉积为主的碎屑沉积岩层,岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和页岩为主。该类岩层多为软岩与硬岩相间,呈互层状产出,层间结合力弱。受区域构造影响,岩层扭曲褶皱强烈,多中高倾角,结构面发育,有泥化现象。红层中的泥岩具有透水性弱、亲水性强,遇水易软化、塑变,抗风化能力弱,易崩解等特性。特别是遇水后岩体及结构面抗剪强度大幅度降低,并且具有遇水膨胀、失水收缩的工程特性。水岩作用对边坡的影响主要有,结构面遇水泥化导致楔形体失稳,泥岩塑性变形引起边坡蠕变,同时红层还具有很强的崩解性,边坡开挖后发生崩解等现象。