奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制PFC数值分析

超前区域注浆是煤层底板灰岩水害防治的有效手段,而注浆工程中的劈裂注浆过程是决定注浆效果的关键环节,但由于对受注灰岩地层裂隙起裂机制认识不清,致使劈裂注浆过程中注浆压力、浆液水灰比等参数缺少有效控制,难以保证注浆效果。针对上述问题,利用颗粒元(Particle Flow Code,PFC)数值模拟软件,考虑浆液水灰比、地应力水平、弱面和裂隙的倾角和宽度等因素,开展奥陶系灰岩顶部劈裂注浆数值模拟计算。结果表明:在弱面和裂隙条件下起裂压力均随浆液水灰比(1∶1、2∶1、3∶1)的增大而减小,随最大主应力与最小主应力差值(9、12、15 MPa)的减小而增大,随弱面或裂隙宽度(3、8、15 mm)及其与最大主应力夹角(30°、60°、90°)的增大而减小;起裂裂隙沿平行于最大主应力方向延展;起裂压力值随弱面与基质强度比(0.30、0.03)的减小而减小,当弱面强度较高时,起裂压力大于裂隙条件下的起裂压力,而且沿着基质起裂;当注浆孔置于弱面两端或裂隙中间时,起裂裂隙沿弱面或裂隙的两端起裂,当注浆孔置于弱面中间位置时,起裂裂隙沿中间位置的基质起裂。研究结果有助于底板水害超前区域改造劈裂注浆的有效控制,指导注浆参数的选取,为解放深部煤炭资源提供技术支撑。

高承压水上底板采动岩体裂隙演化规律研究

为深入研究深部高应力、高水压和强开采扰动复杂环境下的岩体破裂问题,按裂隙产生的位置和机理,将深部底板采动岩体裂隙分为剪切裂隙、层向裂隙和竖向张裂隙,利用力学知识分别演算获得了三种类型岩体裂隙的起裂准则。借助"钻孔双端封堵侧漏装置"对赵各庄煤矿1237工作面进行的底板破坏实测结果,研究了深部底板采动岩体的裂隙演化实测规律。结果表明:煤层采深越大,底板采动破坏深度越大;煤层开采过程中深部底板采动岩体的原生裂隙呈现先闭合后张开再闭合,新生裂隙起裂发育后逐渐闭合的演化规律;底板岩体破坏的初始位置和裂隙发育程度与岩层的岩性、受力等因素有关,验证了深部底板采动岩体裂隙起裂准则分析的准确性。

基于连续-非连续方法的裂隙破坏与相互作用研究

岩体内裂隙等非连续结构面对岩体的强度及变形等力学特性有着显著的影响,研究岩体裂隙起裂、扩展、相互作用和贯通机制,对工程岩体力学行为的表征和工程性能的评价十分重要。本文基于连续介质力学模型的离散元方法,通过考虑裂隙分布、模型加载条件及其与裂隙产状的关系,建立了一系列裂隙力学计算模型,研究了不同模型裂隙扩展演化特征和岩体破裂机制,分析了岩体裂隙扩展规律及其对岩体破坏路径和强度的影响,研究结果表明:(1)裂隙岩体模型加载条件下的破坏起裂点、最终贯通破坏特征及损伤分布受控于裂隙的产状及其与最大主压应力取向角度大小及围压大小。(2)裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙弱面在加载条件下其端部裂隙扩展、贯通破坏表现比较明显,反之,当裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致时,裂隙弱面被动影响裂隙模型内新生裂隙的萌生、扩展和贯通模式,自身未出现新的扩展破坏。(3)裂隙数目的增多和围压的增大会显著增加模型内部剪切裂缝的数量和模型破坏后的破碎程度,模型内部的损伤区域主要围绕破裂面呈滑移线型交叉分布,非破裂面区域损伤呈条带状X型分布。(4)裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙对岩体模型强度的弱化程度高于裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致的情况,而裂隙模型破坏后的残余强度则正好相反。

奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制试验研究

劈裂注浆是底板水害超前区域注浆治理的最后阶段,是决定工程效果的关键环节,但由于对裂隙起裂机制认识不清,导致对该阶段浆液水灰比、注浆压力等参数选择和控制缺乏理论依据。针对上述问题,基于真三轴压裂试验平台,考虑浆液水灰比、地应力水平、裂隙与最大主应力夹角等因素,开展了劈裂注浆物理相似材料模拟试验研究,其中相似材料配比通过标定试验获得。试验结果表明:试样起裂压力随着水灰比增大而降低;在相同地应力水平和浆液水灰比条件下,试样起裂压力随着裂隙与最大主应力夹角的增加而增大;在固定最大主应力和中间主应力、浆液水灰比和裂隙与最大主应力夹角的情况下,起裂压力和二次劈裂压力均随着最小主应力的降低而降低,但二次劈裂压力降低幅度要高于起裂压力降低幅度;在相同工况下,二次劈裂压力大于起裂压力,并且二者的差值随着最小主应力的降低而降低。研究结果有助于底板水害超前区域治理劈裂注浆阶段参数选取和控制。

静态压剪载荷下岩石力学特征研究

缓倾斜或倾斜矿体条件下,矿柱通常受压剪外载共同作用。本文使用一套新颖的岩石力学属性测试系统,结合声发射技术,得出花岗岩试样在静态压剪外载条件下力学属性的变化。花岗岩试样的微裂隙起裂应力和微裂隙损伤应力均随着试样倾角的增加呈线性下降趋势。微裂隙起裂应力与峰值强度的比值,在0°~10°倾角范围内基本不变,微裂隙损伤应力与峰值强度的比值当试样倾角增加至10°时逐渐降低。相较于单轴压缩状态,花岗岩试样的峰值强度在试样倾角为5°和10°时,分别下降了13.7%和29.8%,试样的破坏形式逐渐由轴向分离式断裂转变为剪切破坏。建议在矿柱强度经验公式中加入压剪外载下岩石强度这一新的参数,以考虑倾角对矿柱强度的影响。