喀斯特地区泥水平衡顶管施工中穿越破碎岩石地层减小管道与地层间摩阻力技术研究

我国南部地区喀斯特地貌分部较为广泛,喀斯特地质岩溶裂隙发育,喀斯特地区的地质条件复杂,泥水平衡顶管施工中穿越破碎岩石地层时,管道与地层间的摩阻力对施工有很大影响。文中通过对沾益工业园区城西片区基础设施建设项目顶管施工中遇到的顶进阻力问题进行研究,在通常采用的膨润土浆液配合比基础上,调整加入泡沫材料的浆液配合比,并通过实验研究方法,探讨其性能指标与摩阻力之间的关系,为喀斯特地区泥水平衡顶管施工提供理论依据和实践指导。文中基于珠江源头沾益工业园区外排污水顶管工程,对地下岩溶、裂隙发育地区顶管施工如何减少管道摩阻力关键技术进行研究,保证顶管工程顺利顶进,同时提高生产效率,降低施工成本,创造经济与社会价值。

台阶爆破模型试验下破碎岩石抛掷速度规律分析

为了研究台阶爆破破碎岩石抛掷速度的主要影响因素与变化规律,采用量纲分析法确定破碎岩石抛掷速度的主要影响因素,并借助高速摄影系统与台阶爆破模型试验研究不同影响因素下破碎岩石抛掷速度的变化规律.结果表明:破碎岩石抛掷速度的主要影响因素为炸药单耗、最小抵抗线与炸药量的关系(W^(3)/Q)和不耦合系数,抛掷速度对炸药单耗最为敏感,W^(3)/Q与不耦合系数次之;高速摄影图像显示,当爆破作用时间为0.5 ms时,台阶自由面岩石出现位移,当爆破作用时间为2.0 ms时,在爆炸应力波作用下,台阶自由面出现裂缝,破碎岩石的运动形态可分为鼓包运动阶段与抛掷运动阶段,二者之间存在明显的过渡阶段;炸药单耗、W^(3)/Q、不耦合系数与抛掷速度间存在明显的非线性关系,抛掷速度随炸药单耗的增加呈指数函数递增,且存在临界炸药单耗使破碎岩石的抛掷速度出现激增,抛掷速度随W^(3)/Q、不耦合系数的增大呈幂函数递减.

破碎岩石内水力裂缝扩展数值模拟研究

爆炸-水力复合压裂是深层页岩油气开采的新型方法,即通过水力压裂的方法在爆炸后井筒周围形成的破碎岩石中使水力裂缝迅速在破碎岩石内竞争扩展,形成复杂缝网,对深层页岩油气的开采具有重大意义。在最大能量释放率理论基础上,首先推导了破碎岩石内裂缝扩展能量释放率计算式,然后结合内聚力单元和随机泰森多边形,建立了破碎岩石内水力扩展模型,分析了应力差、破碎单元数量、断裂韧性比、施工排量和井周初始裂缝数量对水力裂缝扩展的影响规律。结果表明:应力差从1 MPa增大至9 MPa时,裂缝总长度和平均裂缝延伸速率分别降低了37.79%和33.11%;断裂韧性比的增大会极大地提高破裂压力从而减小应力差的干扰,且断裂韧性比从0.1增大至0.5时,总缝长提高了38.46%,同时也导致平均裂缝延伸速率降低了32.10%;排量和井周初始裂缝条数均与裂缝总长度和平均裂缝延伸速率均呈正相关,但破碎单元数几乎不会改变裂缝延伸速率,并与裂缝总长度呈正相关。

破碎岩石颗粒形态特征量化描述体系

形态特征的量化描述是破碎岩石颗粒三维形态重构及其力学行为研究的基础。针对岩石颗粒二维形态特征的表征开展研究,随机选取不同粒径的破碎岩石颗粒,采用数字图像处理技术和Image-Pro Plus图像测量方法,提取岩石颗粒的基础几何数据。确定以圆形度、球形度、矩形度和粒径为指标的形态特征描述体系。对测量结果进行散点拟合与多元参数拟合,通过相关性分析确定形状参数影响效果的显著性,筛选淘汰不显著因素与相关性低的参数,构建岩石颗粒CSR(circularity,sphericity,rectangularity)形态特征描述体系。结果显示,以圆形度代表颗粒二维形态特征的规则程度,粒径的相关性较低,球形度与矩形度均存在相关性,经回归分析后发现球形度的影响程度最为显著。对比分析结果显示,CSR指标体系在表征颗粒宏观二维形态上具有较高的准确度。

钻齿破碎岩石过程红外特征研究

由于岩石内部破碎、开裂变形难以直接观测,室内试验很难有效地研究钻齿破岩过程,因此通过红外热像无损检测技术观测钻齿压入岩石时岩石破碎过程。根据岩石破碎红外特征定量确定了不同损伤区域半径的大小;并结合空腔膨胀模型(CEM)理论对不同岩石损伤区域的温升差异进行了解释,认为不同损伤区的温升差异是由不同热耦合机制导致的;岩石的损伤半径、温升大小表明,钻齿对岩石造成的损伤程度与钻齿几何形状有关;球形钻齿在岩石表面造成的损伤范围更大,锥形钻齿在岩石损伤区造成的温升更高;通过岩石破碎体积验证了红外特征划分岩石损伤半径这一方法的可靠性。研究成果为研究钻齿在破碎岩石过程中岩石的破碎和损伤机理提供了帮助。

饱和破碎岩石压实变形特性的试验研究

破碎岩石的变形性质是影响采空区覆岩垮落与地表沉陷的重要因素。利用一种专门的破碎岩石压实试验装置,在MTS815.02岩石力学试验系统上完成了饱和破碎岩石压实过程中的变形特性测定,得到了煤、页岩和砂岩3种岩样压实过程中的应力–应变关系,分析了粒径和强度对破碎岩石应力–应变特性的影响。研究结果表明:破碎岩石在压实过程中应力与应变之间近似呈指数关系;在相同的应力状态下,岩块强度越高试样应变越小;大粒径试样在加载初期应变增长率小于小粒径试样的应变增长率,随着应力的增加,大粒径试样的应变增长率大于小粒径岩样的应变增长率;饱和破碎岩石在相同的应力状态下的应变明显比在自然含水状态下大。

煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究

为研究煤层顶板破碎岩石压实特征,对义马新安煤层顶板砂岩、砂质泥岩和泥岩,利用自制装置在RMT-150B电液伺服岩石力学试验系统上进行压实试验,得到3种碎石压实试验的应力-应变关系,分析岩石强度、块径、压实应力对碎石压实特性的影响。结果表明:碎石压实变形过程可分为快速压实、缓慢压实和稳定压固3个阶段;碎胀系数随块径增大而增加,可以采用对数关系描述;碎石经历压实后残余碎胀系数与岩石强度、块径的关系不大,差异性有所减小,碎胀系数减幅与块径相关,块径越大减幅越大;压实度为压实应力的函数,块径越大压实度变化越明显;压实能耗随岩石强度增高而増大,砂岩、砂质泥岩与泥岩平均能耗比约为3.5∶2.2∶1.0,同种岩石块径大于5 mm后压实能耗与块径关系不大。

承压破碎岩石非Darcy渗流的渗透特性试验研究

地下工程中的破碎岩石在渗流过程中其结构发生两方面变化,一方面由于水压的作用引起孔隙结构发生变化,另一方面固体材料之间的接触应力造成棱角破损。因此,承压破碎岩石的渗流不同于自然堆放状态下的堆石渗流,其渗透特性随着位移或载荷的变化而产生显著变化。基于MTS815.02型岩石力学试验系统及破碎岩石渗透仪,利用稳态渗透法及轴向位移控制法测定了粒径分别为5mm―10mm、10mm―15mm、15mm―20mm、20mm―25mm以及混合粒径的破碎砂岩、煤矸石及灰岩在承压过程中非Darcy流的渗透特性,给出了岩样在不同轴向位移水平下的孔压梯度与渗流速度关系曲线,得到了渗透特性随孔隙率的变化规律,揭示了Darcy流偏离因子可能为负的现象。研究表明:1)随着孔隙率的减少,渗透率呈现整体下降的趋势,而Darcy流偏离因子的绝对值呈现整体上升的趋势;2)破碎岩石的渗透性不仅和外载水平及当前孔隙度有关,还与碎石的粒径、颗粒的排列方式以及初始孔隙结构(如初始孔隙通道)等有关;3)三种破碎岩石渗透率的量级为10-16m2―10-12m2,Darcy流偏离因子的量级为1012kg/m4―1015kg/m4;4)当颗粒的破碎细化现象严重时,Darcy流偏离因子出现负值的可能性较大。

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。

破碎岩石非Darcy流的渗透特性试验研究

一种破碎岩石渗透特性试验专用装置与MTS试验系统结合,可以获得非Darcy流的渗透特性(渗透率和非Darcy流β因子)。介绍该装置的构造、破碎岩石非Darcy流的渗透特性试验方法和特点,得到破碎岩石压实过程中渗透特性与载荷、颗粒直径的回归关系及在某一特定载荷作用下,渗透特性ρβ与破碎岩石颗粒直径成线性关系的结果。这种试验技术对于采矿、土木、水利和交通工程具有重要的实际意义。

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径<15 mm的含量均有增加,粒径>20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。

破碎岩石渗透性的试验测定方法

传统的试验仪器和方法仅能测试岩石破坏前的渗透系数.文中介绍了一种自行设计并已获国家专利的破碎岩石压实渗透仪,依靠其与MTS815.02岩石力学伺服系统连接匹配,利用MTS的两套闭环系统施加轴压和孔压,可测试压力作用下岩石破碎后的渗透系数.对破碎砂岩进行高压下的渗透测试进一步说明该方法的可行性,利用该方法得出的测试结果,对破碎岩体中渗流问题研究及灾害防治具有参考价值.

破碎岩石气体渗透性的试验测定方法

为了测试采矿工程中松散破碎岩体的气体渗透特性,设计了与MTS815.02岩石力学伺服机配套的气体渗透仪和测试系统。依靠MTS伺服机改变压力和位移条件,渗透仪用以稳定破碎岩石并连接气体测试系统,接入气源、组成回路和测试气透特性等由测试系统完成。通过对几组破碎砂岩岩样氮气渗透性能的测试,结合考虑状态方程的渗透率换算公式,得出破碎砂岩气体渗透率随压力和粒径条件的变化规律。该测试方法和测试结果在研究采动破碎岩体瓦斯等气体流动规律方面具有重要意义。

多种矿物成分破碎岩石渗透试验

采用稳态渗透法对破碎砂岩、破碎泥岩和破碎煤矸石进行渗透试验,分析粒径、有效应力和孔隙度对破碎岩石渗透性参量（渗透率、非Darcy流β因子）的影响.试验岩样粒径为0-2.5 mm、2.5-5 mm、5-10mm、10-13 mm和0-13 mm,通过轴向位移分别为4 mm、8 mm、10 mm、12 mm和14 mm控制孔隙度.试验结果表明：渗透液压越大,有效应力越大,渗透越快,流量越大;破碎岩样的有效应力与渗流速度可用线性关系拟合,并给出了有效应力直接估计渗透率的公式;破碎岩样随孔隙度增加,其渗透率增加,非Darcy流β因子减少,孔隙度大于0.4左右时,渗透率增加幅度变大,而当孔隙度小于0.35左右时,非Darcy流β因子变化较大;相同粒径的不同岩样,随孔隙度的增加,不同岩性岩样的渗透率变化程度和变化趋势不同,且孔隙度对不同岩性岩样的渗透率影响程度不同.

破碎岩石物理力学性质的分形度量

本文论述了破碎岩石块度分布分形维数与其物理力学性质的关系，为破碎岩石物理力学性质研究开辟了一条新的途径。

初始侧压作用下破碎岩石压实特性试验研究

在实验室通过自制可变初始侧压作用下煤岩压实承载实验装置配合刚性试验机,对4组12个碎石试件进行了4种不同初始侧压作用下破碎岩石压缩承载试验,分析了初始侧压作用下碎石压缩的轴向应力-应变特征,确定了初始侧压与碎石的变形、压实关系,研究了变化侧压与不同初始侧压下碎石轴向应变发展规律。结果表明:初始侧压越大,碎石应力-应变曲线上挠趋势越明显,且曲线越趋光滑,表明碎石颗粒间空隙越小、棱角越趋圆钝及碎石承载载荷越大;随着初始侧压增加,碎石轴向应变与横向应变呈加速减小趋势,不同初始侧压下轴向应变比与横向应变比分别是1.74∶1.65∶1.39∶1与2.51∶2.23∶1.72∶1;碎石初始侧压越大,碎石压实系数越小,碎石初始侧压与压实系数关系可用二次多项式表征;随着轴向应变增加,变化侧压呈增加趋势,初始侧压越大,曲线斜率越小,轴向应变与变化侧压呈线性正相关;初始侧压越大,碎石变化侧压越小,且初始侧压与变化侧压仍可采用二次多项式表征,合理初始侧压有利于碎石承载稳定。

循环供水式破碎岩石渗透试验系统

为克服现有破碎岩石渗透试验系统中间断供水、颗粒无法精确收集、自动化程度低等困难,设计了循环供水式破碎岩石渗透试验系统,主要由轴向加载及控制系统、渗透仪、渗透压力控制系统和数据采集系统4部分组成,其最大轴向荷载200 kN、最大渗透压力10 MPa,破碎岩石试样直径100 mm、高度150~200 mm。系统具有以下特点:设计交替供水装置,能够实现循环供水,用以研究渗透性强且孔隙结构调整周期长的破碎岩石;通过质量流量计与电子秤的配合,实现流失质量的实时收集;设置多套伺服控制系统并开发相应的控制程序,实现渗透试验过程的自动化控制。最后,通过破碎砂岩在压实过程中的渗透试验进行系统性能验证,试验结果表明该系统能够很好地满足试验需求。

破碎岩石滑坡中的孔隙水压力波动

在三个破碎岩石滑坡中测量了孔隙水压力。随着降雨而迅速增涨的孔隙水压力与滑坡位移的增大是同时发生的。由于存在着一些不透水层和渗漏带,滑坡中的地下水不能产生静水压力。

典型软弱破碎岩石边坡预应力锚索框架失效原因分析

通过对云南省元绿(元阳至绿春)二级公路LK7+800—LK8+030右侧路堑边坡预应力锚索框架失效的现场调查,从工程地质、变形迹象、现场监测数据等多方面对锚索框架的失效原因进行分析,然后提出软弱破碎岩石边坡中预应力锚索框架的适用性,并提出合理的处治对策,可为预应力锚索框架设计提供借鉴。

粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究

地下开采诱发顶板冒落的破碎岩石力学性质直接影响上覆岩层的移动规律。针对破碎岩石力学性质的研究,往往采用理论分析结合室内试验的方法,而室内试验的结果往往与真实现象之间往往存在尺寸效应,并不能直接应用到生产指导中去。本文采用模型试验的方法,对冒落带破碎岩石进行缩尺,利用自主设计的破碎岩石压实仪进行破碎岩石力学特性试验,得到4种不同粒径下碎石压实试验的应力-应变关系,分析岩石块径、压实应力对碎石压实力学特性的影响。研究结果表明:极限轴向应变随粒径的增大而增大,并且增长速率逐渐减小;岩样粒径越大应变增长率越大,所有岩样变形初期的应变增长率大于后期应变增长率;初始切线/割线模量随粒径的增大而减小,降低速率也逐渐减小,随着轴向应力的增大,割线/切线模量受粒径变化影响越大;轴向加载应力相同时,粒径越大的岩样压实度变化越明显,随着应力的增大,压实度呈对数增长。