裂隙灰岩拉剪破坏裂纹扩展规律与断裂机制

为了探究裂隙灰岩体发生拉剪破坏后的裂纹扩展规律与断裂机制,以裂隙灰岩为研究对象,开展拉剪断裂试验,并基于ABAQUS软件建立相对应模型。通过分析得到不同加载位置下裂隙尖端发生断裂破坏过程的应力云图变化,利用J积分与位移外推法计算得到Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。结果表明:随着加载步数的增加,加载点正下方、裂纹尖端处与底部临空区易形成应力集中区并相互贯通,数值模型与物理试验裂纹扩展路径基本一致,加载距离的增加使得裂纹起裂角与水平方向最远扩展距离变小。利用J积分法与位移外推法计算不同加载距离下应力强度因子K_(Ⅰ)、K_(Ⅱ)值,相对误差在5%以内,计算结果准确度较高。所建立的模型能够较好地反映试验真实断裂情况,其分析结果可为危岩崩塌预报防治提供重要的理论参考。

水-力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型

深部煤炭资源开采面临着高渗透压和高应力耦合作用的地质环境,水-力耦合作用下裂隙岩体力学行为及破裂特征研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律有重要意义。通过在灰岩标准圆柱体试件中部预制裂隙形成单裂隙灰岩试件,采用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2声发射监测仪,对单裂隙灰岩试件进行不同围压和裂隙水压下的常规三轴压缩试验和破裂过程的声发射监测,其中预制裂隙倾角设置分别为15°、45°和75°三种不同产状,围压分别设为10,15,20和25 MPa共4个系列,裂隙水压分别设置为0,2,4,6,8 MPa的5种工况。试验结果表明:与完整灰岩试件相比较,单裂隙灰岩试件的应力-应变曲线呈现出独特的双峰值性态:前高后低双峰型和前低后高双峰型,经历第1峰值点后,其承载结构的刚度明显下降;单裂隙灰岩的起裂、扩容和峰值强度随水压的增加存在明显的降低趋势,而随围压的增加显著提高。在相同围压和水压作用下,裂隙倾角α=75°的试件起裂、扩容和峰值强度最高,α=15°的试件次之,α=45°的试件最小;裂隙倾角和水压显著影响了单裂隙灰岩的岩石破裂过程中声发射信号变化规律。随着裂隙倾角的增大,裂隙起裂和稳定扩展阶段振铃计数变得越来越稀疏,相对于高水压下的声发射特性,在低水压作用下声发射信号更为强烈。基于试验结果建立了水-力耦合用下单裂隙灰岩的压剪断裂判据,明确了压剪参数与裂隙倾角之间的关系,并发现破裂模式与|K;/K;|存在相关性,即随着裂隙倾角增大,|K;/K;|也相应增加,压剪复合应力状态下岩石裂隙越趋向于剪切开裂。

水力耦合作用下含裂隙灰岩三轴试验研究

利用水力耦合试验系统,对取自郭家岩坝址区灰岩进行了变形破坏过程中的渗透特性以及声发射规律研究。结果表明:砂岩在渗透作用下的强度存在明显的围压效应,其基本呈线性关系;砂岩形变与声发射之间各阶段的变化呈对应关系,压密及弹性阶段声发射振铃计数较低,屈服阶段声发射振铃计数较高且在峰值前后达到最大值,峰后残余变形阶段声发射振铃计数略有回落;渗透率呈两阶段变化特征,在压密及弹性阶段前期逐渐略有减小,屈服阶段后逐渐增加,并在峰值前后达到最大值;基于试验成果建立起渗透率与损伤变量之间的函数关系,并通过两者关系揭示了砂岩渗透系数变化的根本原因在于试件内部损伤的累积。

化学注浆条件下裂隙灰岩渗流特性的试验

为研究化学注浆条件下裂隙灰岩渗流特性,在MTS815多功能岩石试验机上进行裂隙灰岩和裂隙灰岩注浆体的瞬态渗流试验.对比试验结果发现注入化学浆液的裂隙灰岩渗透率明显比未注浆裂隙灰岩渗透率低,即裂隙灰岩注浆体的渗流时间更长.另一方面化学浆液配比也对渗流时间有一定的影响,进一步分析化学配比对裂隙灰岩注浆体的渗流特性的影响,发现主要体现在草酸含量上,注入浆液中的草酸含量越低,裂隙灰岩注浆体的渗透性越差.最后对注浆后M1,M2,M3试件中草酸含量和渗透率试验数据进行拟合,发现草酸含量-渗透率之间呈现指数函数关系.

AMD渗流对裂隙灰岩溶蚀作用及降渗机理研究

为研究闭坑煤矿酸性废水(AMD)对上覆碳酸盐岩渗透稳定性的影响,分别使用酸性矿山废水与自来水作为渗透液对单裂隙灰岩开展渗流—溶蚀、三维激光扫描、离子浓度检测、电镜扫描(SEM)等试验。试验结果表明:对于灰岩裂隙渗流—溶蚀,溶质浓度、渗透率、渗透压与围压、溶液酸碱度关系紧密;灰岩裂隙面溶蚀表现为“蜂窝状”孔洞,基质呈现“锯齿状”形态;随着渗流不断发生,裂隙宽度变小,粗糙度系数(JRC)降低;溶蚀沉淀物附着于裂隙面形成一层外壳,堵塞关键渗流通道,渗透率与Ca^(2+)浓度逐渐下降,渗透压与总铁浓度随之上升;渗流过程中的溶蚀、沉淀、降渗现象主要受介质矿物成分、微观结构、酸液溶解性及水动力条件控制。研究结果可为矿山环境治理和矿山岩体稳定提供一定的理论指导。

裂隙灰岩卸围压破坏力学特性试验研究

为研究裂隙岩体地下隧洞开挖时围岩的卸荷效应,以河口村水库坝肩含天然岩溶裂隙灰岩为研究对象,进行室内岩石三轴加载试验和恒定偏应力条件下的三轴卸围压试验,得到加载和卸围压条件下裂隙灰岩变形特性和卸围压条件下变形参数劣化规律。结果表明,在卸围压过程中,体应变>径向应变>轴向应变;等效弹性模量在卸围压条件下逐渐减小,等效泊松比逐渐增大;等效弹性模量和等效泊松比的变化速率随着卸围压的进行逐渐增大;卸围压破坏以径向变形为主,等效弹性模量明显小于加载时的弹性模量,而等效泊松比却恰恰相反。

惠民庄水库坝基裂隙灰岩水-力耦合作用下渗漏特性分析

针对惠民庄水库坝基裂隙灰岩开展水-力耦合作用下力学特性试验,对灰岩在干燥和饱水状态下的应力-应变曲线特征、弹性模量与渗透压关系、强度与渗透压关系、起裂值与渗透压关系以及渗透系数与渗透压关系进行了探讨分析,这对于分析判断岩体渗透性并确定其渗透参数具有指导意义。

基于表面反应和扩散迁移控制的灰岩单裂隙渗流—溶解模型及其数值模拟

针对碳酸盐类可溶岩地区水电站坝址流场、化学场及固相介质属性等随时间发生改变对工程安全运行造成不利影响等问题,研究了灰岩地区地下水运移过程中各物理场间的相互作用,分析了影响灰岩溶解速率的2个因素,即表面反应控制和扩散迁移控制。在此基础上,建立了单裂隙中的渗流—溶解耦合模型,并进行数值求解。模拟结果表明:在垂直裂隙延伸方向,其溶蚀锋面不为齐整平面,而是呈似"虫洞"状非均一变化,而沿裂隙延伸方向即自上游侧向下游方向溶蚀程度逐渐减轻;通过裂隙的流量呈现随时间逐渐增大的趋势,但变幅不大;根据流量求得的等效水力隙宽,其增幅和增长速率均小于实际平均隙宽;同时,化学场中Ca2+浓度的分布与裂隙开度变化具有相似性,不同时刻上游侧反应速率R均大于下游侧;就反应机制而言,初期均受表面反应控制,随反应进行,位于上游的补给区部位转为受扩散迁移控制,但在下游位置仍受表面反应控制。

利用探地雷达技术探测煤层露头区灰岩岩溶裂隙

利用探地雷达技术查明地表煤层露头区灰岩岩溶裂隙发育带及分布范围 ,指导灰岩浅截帷幕注浆堵漏工程中注浆布孔 ,雷达探测结果得到钻探证实 。

灰岩裂隙发育区瓦斯异常涌出原因分析

为解决瓦斯涌出量小的矿井瓦斯灾害事故频发的问题,通过对义棠煤业瓦斯治理现状进行分析,采用瓦斯地质理论对局部煤层瓦斯异常涌出的原因进行研究,认为地质构造作用使地层受到揉皱破碎,致使顶板灰岩裂隙发育,大量游离态瓦斯贮存在裂隙中;在采掘活动扰动灰岩裂隙发育区时,游离态瓦斯集中释放造成局部瓦斯异常涌出。据此分析了瓦斯生成条件、瓦斯存储条件、瓦斯盖层条件对瓦斯涌出量的影响,并提出采用施工前探钻孔、煤层及煤层与顶板结合部位施工抽采钻孔、采用均压通风、增加工作面风量、加强矿井机电设备管理等措施防止煤与瓦斯突出事故的发生。

河口村水库坝肩灰岩力学特性试验研究

从河口村水库坝肩取样制备完整的和含裂隙的灰岩试样,利用TAW-2000岩石三轴仪对制备的岩样进行不同围压下的岩石三轴压缩试验,得到了完整和裂隙灰岩在不同围压下的应力-应变曲线及其变形、强度和破裂特性规律。试验中,裂隙面与最大主应力夹角为0°～80°,围压为5～15 MPa。试验结果表明：完整灰岩的峰值强度和变形模量随围压的增大而增大,并且呈线性关系;裂隙灰岩在三轴压缩下有两种破坏形态,分别为穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移破坏;裂隙灰岩的强度和变形特性及破坏特征受裂隙面倾角θ的影响很大,当θ〉60°时,沿裂隙面滑移破坏,当θ≤60°时,穿裂隙面破坏;其中穿裂隙面破坏的灰岩与完整灰岩均为岩体材料的破坏,并且与完整灰岩的破坏形态和强度变形特征相似。

陕西永寿县基岩裂隙含水层控水因素分析及富水性分区

为系统探讨陕西永寿县基岩裂隙含水层的富水规律,综合传统水文地质调查方法和统计学理论,基于96眼钻孔资料,分析了陕西永寿县基岩裂隙含水层的控水因素,并进行了富水性分区。研究发现:基岩裂隙含水层厚度空间差异性明显,砂岩裂隙含水层较灰岩裂隙含水层厚度空间差异性大;基岩裂隙含水层富水性主要受控于岩性、地质构造、基岩地形、补给排泄条件4种因素,贮水类型主要为风化裂隙水、构造裂隙水及成岩裂隙水;富水区为渭北东北隆起地带老龙山断裂以南奥陶系灰岩岩溶水富水区、仪井地堑羊毛湾水库附近奥陶系灰岩岩溶水富水区、常宁镇北顺什村附近黄土台塬塬心地带富水区,稳定出水量均在1 000 m^(3)/d以上。研究成果可为后备水源地建设提供科学决策依据,也可为同类地区富水性研究提供借鉴。

灰岩单裂隙非饱和渗流–应力耦合特性试验研究

为研究不同应力条件下岩体裂隙非饱和渗流特性及其影响因素,基于自主研发的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对4组灰岩裂隙试样开展变饱和度和不同围压条件下的渗透试验。试验结果表明:(1)随着围压的增加,裂隙进气值增大,非饱和渗透系数–毛细压力关系曲线下降斜率及幅度均减小,在相同毛细压力下,高围压对应的裂隙非饱和渗透系数要高于低围压的情况;(2)通过对比毛细压力、围压这2个因素对非饱和渗透系数的影响发现,随着毛细压力的增加,围压对非饱和渗透系数的影响降低;同样,随着围压的增加,毛细压力对非饱和渗透系数的影响降低;(3)随着粗糙度的增大,裂隙饱和渗透系数降低,残余饱和度有小幅增长;(4)基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的关系式进行拟合,从拟合曲面与试验实测数据的对比来看,拟合关系式可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化。本文对变应力条件下裂隙非饱和渗流过程及规律的研究成果可为降雨入渗条件下的工程岩体稳定分析提供依据。

井下群孔放水试验渗透系数解析计算

根据万福煤矿-820 m水平井底车场三灰探水发现,三灰实际水害严重程度大幅高于井田勘探成果的预计。为进一步查清三灰的渗透特性,在井底车场布置钻孔,开展简易放水试验。采用群孔放水渗透系数解析计算模型,计算获得了三灰的渗透系数,发现以不同孔作为中心孔计算获得的渗透系数存在较大差异。分析认为,造成上述差异的主要原因是灰岩裂隙发育的不均匀性及灰岩渗透性主要受贯通性较好的宽大裂隙控制。

广东凡口铅锌矿地面塌陷成因及分布规律

以岩溶塌陷的产生机理为理论基础,从水文地质、工程地质角度出发,分别从地下水位变化、岩溶发育程度、地层结构、降雨等多方面分析了凡口铅锌矿在生产建设中地面塌陷成因及分布规律。研究表明:该塌陷区灰岩裂隙发育和第四系松散覆盖层的砂、砾石黏土互层结构为区内塌陷形成的基本地质条件,地下水活动是地表塌陷的主要诱发因素。在上述分析的基础上,对矿区主要建(构)筑物的布置方式进行了讨论,供类似矿山参考。

直流电测深在澄合矿区的技术特点及效果

对澄合矿区石家坡煤矿5煤底板采用直流电测深技术进行探测,物探成果与钻探工程表明:直流电测深技术能够较准确地探测含水地质体,是一种理想且方便的探测方法,可以在受灰岩水威胁的矿区推广应用。

长平矿井充水条件分析及水害防治

针对山西晋城长平煤业有限责任公司开采的山西组下部3#煤层受顶板多层砂岩裂隙水、底板灰岩岩溶裂隙承压水威胁的实际情况,运用地质学、地理学、水文地质学理论和定性、定量相结合的方法,对矿井主要充水水源、充水通道和充水强度等充水条件进行了系统分析,并提出了相应的防治技术措施。生产实践表明,该防治水措施技术可行,安全可靠,效果显著。

有突水威胁采区区段开采顺序的认识

对区段开采顺序及其影响因素进行了分析 。

义棠煤业局部瓦斯涌出异常原因分析

为了查找义棠煤业局部区域瓦斯涌出异常的原因,在分析煤层瓦斯参数和瓦斯涌出量的基础上,针对煤层开采时影响瓦斯涌出的各种因素,分析了义棠煤业局部区域瓦斯异常涌出的原因,结果表明:异常涌出的瓦斯来源于9#煤层上覆的K_2、K_3、K_4灰岩裂隙,煤层开采时灰岩裂隙瓦斯最大涌出量达3.36 m^3/min,提出采取增加风量、进行围岩注浆等措施,避免瓦斯异常涌出,确保矿井安全生产。