极弱胶结岩体再生结构的形成机制与力学特性试验研究

极弱胶结岩体中黏土矿物成分含量较高,胶结程度较差,胶结物为泥质胶结,对水敏感,可塑性强;基于土体固结与杠杆加载原理,自主研制了极弱胶结岩体再生结构形成试验装置,确定了再生结构岩样分级加载与固结稳定方法,形成了不同含水率极弱胶结岩体再生结构岩样,揭示了极弱胶结岩体再生结构的形成条件与形成过程。开展了不同含水率再生结构岩样的单轴与三轴压缩试验,揭示了再生结构岩样的变形及强度参数与应力状态、含水率变化的演化规律。分析了极弱胶结岩体再生结构岩样的全应力-应变曲线特性,揭示了其体积应变的演化规律;通过对极弱胶结岩体再生结构岩样单轴与三轴压缩试验破坏模式的分析,反映出极弱胶结岩体再生结构岩样的破坏模式受含水率影响较大。

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法(DEM)研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量(体积应变和剪应变)的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明:胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。

3种胶结岩土材料本构模型中破损规律的离散元验证

采用离散元法(DEM)对胶结岩土材料本构模型中的破损规律进行验证。首先,根据胶结颗粒间胶结特性,建立适用于胶结颗粒的微观理论;其次,基于该微观理论,给出3种经典胶结岩土材料本构模型破损参数的微观解释;最后,对数值试样进行等向压缩、等应力比压缩及双轴压缩试验的离散元数值模拟,并对比验证数值试样破损规律的模拟结果与本构模型的预测结果。结果表明:采用DEM对胶结岩土材料本构模型的破损规律进行验证是可行的。3种加载条件下,扰动状态模型假定的破损规律同模拟结果均较为一致;Nova模型在双轴压缩试验条件下的预测结果同模拟结果存在很大差异;而上负荷面剑桥模型假设的破损参数则不能很好描述上述加载条件下数值试样的破损规律。

华南沿海全新世海岸带碳酸盐胶结岩的分类及其研究意义

华南沿海的全新世海岸带碳酸盐胶结岩研究在成因、分类方面一直存有许多争议,并导致了对古海平面、构造升降、古气候等研究意义的诸多争议。本文通过成岩特征研究,将华南沿海的全新世海岸带碳酸盐胶结岩分为四类:海滩岩、砂丘岩、贝壳堤岩和硬壳灰岩,并对深圳西冲海滩岩、汕头广澳砂丘岩、韩江三角洲贝壳堤岩和海山岛硬壳灰岩等4个典型露头进行详细研究。在此基础上对这四类海岸带碳酸盐胶结岩的意义进行讨论,认为海滩岩在古海平面、海岸带演化和古气候方面具有重要研究意义,贝壳堤岩也具有古海平面(在某些条件下)和海岸线变迁的研究意义,而砂丘岩和硬壳灰岩在这些方面的研究意义较弱。

砂砾胶结岩爆破开采方法探讨

于大型号造孔设备广泛应用于水利水电建设工程中，钻爆能力可满足施工进度要求，加上硐室爆破振动效应大，边坡维护工程量大、大块率高等特点，硐室爆破越来越淡出水利水电施工建设中。对于软岩料场所来说，硐室爆破具有明显的优势。通过对四川冶勒水电站沥青混凝土心墙堆石坝、四川田湾河仁宗海堆石坝工程己进行的近200多万m3砂砾胶结岩洞室爆破的经验数据，在本文中进行了一些叙述、总结。

砂砾胶结岩洞室爆破探讨

根据某工程已进行的80多万立方米砂砾胶结岩洞室爆破的经验数据,分析、总结了在软岩中进行洞室爆破与在硬岩中进行洞室爆破的较大差异。

砂砾胶结岩洞室爆破探讨

文中根据工程已进行的40多万m3砂砾胶结岩洞室爆破的经验数据,对爆破方案选择、爆破试验及爆破参数的确定进行了分析论述。软岩洞室爆破与硬岩中进行洞室爆破相比,具有较大的差异。

新近系弱胶结岩水理特性室内试验研究

为揭示引黄入洛(阳)工程隧洞围岩新近系弱胶结砂岩和黏土岩的工程特性,通过对两种弱胶结岩样分别进行耐崩解性试验和膨胀性试验,深入分析其水理特性。试验结果表明:耐崩解性试验的残留试样状态为表面泥化,筛出部分状态为遇水溶解,耐崩解性指数随崩解试验循环次数的增加而逐渐降低,两种岩样都属于中等耐久性;两种岩样的自由膨胀率远小于1%,侧向约束膨胀率远小于1%,膨胀压力远小于300 kPa,两种岩样都不具有膨胀性,试验过程中,弱胶结砂岩表现为加水后顶部破坏或上表面泥化,而弱胶结黏土岩则表现为上表面泥化或无明显变化。试验表明两种岩样为中等耐崩解性、无膨胀性,不是造成围岩施工极易破坏的主要原因。

伊犁四矿弱胶结软岩巷道围岩控制技术研究及应用

以新疆伊犁四矿21113工作面为工程背景,通过理论分析、数值模拟以及现场实测等手段,围绕浅埋弱胶结软岩巷道破坏特征及控制技术展开了一系列研究,研究结果表明:伊犁四矿弱胶结软岩巷道围岩变形特点为自稳时间短、应力释放明显,泥岩遇水易软化、出现无征兆冒顶,岩体自重大、顶板出现下沉,支护结构受力不耦合、支护单元破坏等。根据围岩变形特点提出了对巷道围岩及时支护、喷浆封闭、拱形断面、加长支护的联合支护技术,经过现场工业性试验以及观测数据证明,该联合支护方案,能够很好地控制巷道变形,21113上顺槽巷道从开始回采到结束未出现瞬发变形、顶板切落、锚杆(索)断裂及钢带撕裂等情况,巷道变形及维护满足工作面顺槽的使用要求。可为伊犁矿区弱胶结软岩巷道支护设计和施工提供指导作用。

卸围压下弱胶结软岩分数阶蠕变损伤本构模型

为研究地下硐室开挖卸荷诱发的软岩蠕变损伤特征,以西部矿区弱胶结软岩为研究对象,利用GDS HPTAS开展了分级卸围压蠕变试验,研究了不同含水条件下弱胶结软岩卸围压下蠕变特征和蠕变速率特征。基于稳态蠕变速率倒数的方法,确定了弱胶结软岩长期强度和含水率的数学指数函数关系。基于蠕变速率曲线特征提出了一种确定衰减蠕变与等速蠕变分界点t_1和等速蠕变与加速蠕变分界点t_2的新方法。引入Riemann-Liouville分数阶积分算子和负时间指数损伤演化变量,定义了非线性损伤Abel黏壶,建立了一个包括弹性元件、黏弹性损伤元件、黏性元件和非线性黏塑性损伤元件的六元件分数阶蠕变损伤本构模型。基于试验结果,采用Trust-Region算法进行了模型参数识别和敏感性分析。结果表明,所建立的模型具有物理意义明确、与试验值吻合度较高等特点,可较为准确地反映开挖卸荷条件下弱胶结软岩蠕变损伤特性,对保障地下工程长期稳定性具有重要的意义。

巨厚弱胶结覆岩深部开采大能量事件与地表沉陷关系研究

陕蒙矿区是我国重要的煤矿开采基地,区域侏罗系煤层覆岩中普遍存在巨厚弱胶结覆岩,虽然覆岩岩性总体呈中硬偏软弱,但实测地表下沉相对较小,且伴随频繁的大能量事件发生,给工作面安全高效开采带来了较大安全隐患。为研究巨厚弱胶结覆岩深部开采大能量事件与地表沉陷的关系,对石拉乌素煤矿1203工作面与1208工作面进行了地表沉陷实测与矿震资料分析,获得了该地区地表移动变形规律和矿震数据,通过对比分析研究发现:巨厚弱胶结覆岩地表移动变形下沉分布集中,最大下沉处均位于工作面中部偏向已采工作面侧,整体地表下沉盆地形态及下沉增加过程与中东部相似,但在未达到充分采动时,西部巨厚弱胶结矿区地表下沉值相比中东部明显偏小;巨厚弱胶结矿区煤层回采过程中均存在微震事件的活跃期,该阶段微震事件的能量和次数较高,同时伴随着105 J≤E的大能量事件发生,105 J≤E的矿震事件虽然频次较低,但在能量释放上占据重要地位;弱胶结矿区地表沉陷与能量事件之间存在着关联性,随着工作面的推进,最大下沉值突变往往伴随着大能量事件的发生。

单双目近景摄影测量联合监测弱胶结覆岩叠合式相似材料模型研究

相似材料模型是研究矿山开采岩层运动的重要手段,随着采深的增大,多采区采动联合影响的区域变形响应问题逐渐成为关注的焦点。为了克服常规相似材料模型研究深部开采问题的结果失真,以及常规监测技术在观测相似材料模型整体动态变形及任意点动态变形的不足,本文提出叠合式相似材料模拟的新思路,并采用单双目近景摄影测量联合监测新技术研究弱胶结覆岩运动规律。实验结果表明,叠合式相似材料模拟充分考虑了相似原理及覆岩中的关键层结构,研究结果更加可靠,基于等距虚拟面的数字摄影技术监测精度达到0.12 mm,能够满足大几何相似比物理模型的监测精度。通过研究深部矿区覆岩破坏规律发现,宽深比为0.85是白垩系砂岩的临界破坏点,采空区面长大于临界尺寸时将导致显著的冲击地压甚至矿震。单双目近景摄影测量联合监测新方法为研究深部开采区域性岩层移动响应过程提供了技术支持。

机械掘进技术在弱胶结软岩巷道中的应用实践

弱胶结软岩强度低、胶结差、易风化、遇水易泥化,采用传统钻爆法掘进时技术难度大、安全风险高、效率低、成本高。基于此,提出以悬臂式掘进机机械掘进代替传统钻爆法掘进的技术方案,并开展悬臂式掘进机机械掘工业试验。工业试验时间长达309 d、累计掘进进尺1 297.21 m、总工程量27 729.49 m^(3),悬臂式掘进机纯截割能力19.15 m^(3)/h,平均每日进尺4.2 m,平均每班进尺3.41 m。结果证明,采用悬臂式掘进机机械掘进技术可以有效解决弱胶结软岩岩体内钻爆法掘进过程中遇到的生产难题,机械掘进效率可以达到钻爆法掘进效率的1.4倍以上,并在大幅度提高掘进效率的基础上降低了掘进成本。研究成果可为弱胶结软岩巷道掘进提供技术参考。

伊犁矿区弱胶结覆岩导水裂缝带发育高度探测

以伊犁四矿23223工作面为研究对象,分别采用地面瞬变电磁法的导高探测、井下钻孔并行电法的导水裂缝带高度探测,以及数值模拟等方法对煤层开采上覆岩层导水裂缝带发育高度及规律进行了现场探查与研究。结果表明:弱胶结覆岩条件下,工作面垮采比为3.0,裂采比为5.3。研究结果能进一步为弱胶结覆岩下采动安全开采提供科学借鉴。

再生顶板中弱胶结岩梁破坏机理的数值模拟

为研究复采时再生顶板结构中弱胶结岩梁的破坏机理,以复采再生顶板结构模型为基础,采用离散元数值软件3DEC构建了弱胶结岩梁的数值模型,模拟分析了再生顶板弱胶结压实带内岩梁的失稳过程。结果表明:弱胶结岩梁失稳前一般先形成块体三铰拱结构,随着块体三铰拱铰点处塑性变形的增大,三铰拱稳定性逐渐降低,岩块胶结面出现开裂、滑移,从而导致整层岩梁的失稳垮落;组成岩梁的岩块跨距越小,顶板稳定性越低;岩梁悬露的岩块数量大于2且为偶数时,节理面只在3个铰点处发生开裂,两边界铰点呈"V"字形,而中间铰点呈"倒V"形。

弱胶结软岩巷道锚网索耦合支护技术研究

为解决弱胶结软岩巷道支护困难的问题,以伊犁一矿弱胶结软岩巷道为研究对象,结合煤岩物理力学性质及原岩应力测试结果,在分析巷道围岩变形破坏原因的基础上,通过优化支护参数提出了锚网索耦合支护方案。在利用数值模拟验证新支护方案可靠性的基础上,通过现场观测分析总结了采用新支护方案后巷道围岩变形有巷道开挖影响、变形限制、稳定变形3个阶段。结果表明:顶底板移近量平均为50 mm,两帮移近量平均为23 mm,变形稳定时间缩短为15 d;锚网索耦合支护能有效控制巷道围岩变形,改善围岩应力状态,充分利用深部围岩的自承载力。

含水条件下弱胶结软岩蠕变特性及分数阶蠕变模型研究

含水条件下弱胶结软岩表现出显著的蠕变特性,严重威胁矿山开采和边坡安全。利用GDS HPTAS三轴仪开展弱胶结软岩分级加载蠕变试验,研究不同含水条件下弱胶结软岩蠕变变形特征、蠕变速率特征及蠕变破坏模式。采用稳态蠕变率-应力曲线拐点法确定了弱胶结软岩长期强度并分析了长期强度随含水率的变化规律。引入分数阶微积分理论,用Abel黏壶替代Kelvin模型中的黏壶元件,塑性元件替代弹性元件,建立了可以描述加速蠕变的四元件分数阶弱胶结软岩蠕变模型。采用Trust-Region法对蠕变试验结果进行反演分析得到模型参数并分析了模型参数与含水率和加载应力的关系,探讨了含水率和加载应力条件对弱胶结软岩蠕变特征的影响规律。模型计算结果与试验值吻合度较高,说明四元件分数阶蠕变模型可以较为准确地反映含水条件下弱胶结软岩全过程蠕变曲线特征。

基于强度分层计算的弱胶结软岩冻结壁变形分析

弱胶结软岩具有低强度、低冻胀性和高流变性的特点。以平均温度代替冻结温度场径向温度梯度分布以及以冻结壁平均强度参数代替力学参数径向层状分布的传统计算方法不能准确反映弱胶结软岩冻结壁的变形特性。基于幂律蠕变本构模型推导分层计算模型的有限差分形式,并给出分层计算模型在FLAC3D中的实现途径。通过实例计算表明,分层计算结果与实测数据更吻合。根据不同工况下的模拟结果,分析弱胶结软岩冻结凿井井帮最大径向位移点为(0.36～0.42)h,空帮径向变形对掘砌段高较敏感,随着段高的增加,围岩变形显著增加,且沿纵向冻结围岩深部发展。通过容许空帮时间分析,在段高大于4.5 m时,正常冻结凿井作业循环时间内,不能保证工作面施工安全。

弱胶结软岩煤巷锚杆索-围岩变形协同控制方法研究

针对西部弱胶结软岩煤巷顶板支护易失效问题,在探究弱胶结泥岩物性组分及破坏力学特征基础上,分析弱胶结软岩巷道围岩破坏特征,揭示弱胶结软岩巷道顶板破坏失稳机理,提出弱胶结软岩高预紧力下锚杆-围岩变形协同机理,开发相应支护设计方法,并进行应用实践。结果表明:(1)弱胶结软岩黏土矿物含量高,微裂隙发育造成其强度小、黏聚力小、胶结性差、易碎胀,在低围压条件下就产生剪切滑移破坏,提高其等效黏聚力和围岩应力水平是提升其抗变形能力的最有效途径;(2)弱胶结泥岩特性、高水平应力及低锚杆(锚索)预紧力等因素综合作用下,弱胶结软岩顶板易发生整体性下沉,内部破裂严重,破裂范围最大达4.0 m,尤其是煤岩界面破裂剪胀使部分锚杆-锚索破断失效,加剧顶板破裂下沉;(3)锚杆支护作用体现在提高锚杆加固范围内岩层等效黏聚力,锚索支护则强调对其支护范围内岩层提供较强的支护应力,两者工作阻力越高支护效果越好;(4)高预紧力下锚杆与锚索联合支护时,锚杆、锚索变形与顶板变形下沉协同、相适应,且要最大程度发挥锚杆-锚索支护效能。现场应用表明,按照高预紧力锚杆-围岩形变协同支护后,弱胶结软岩巷道顶板控制效果好,达到设计预期,该方法为弱胶结软岩巷道支护提供参考。