不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚,据流变假说,含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入“强度极限邻域”,此时受外部冲击扰动更易破坏。为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的“强度极限邻域”,以找到进入该状态的影响规律,并建立相应的微观判别标准,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置,开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验,通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比,得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T_(2)谱曲线。试验结果表明:①不同加载条件下的煤岩流变过程中,存在一个应力阈值,可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现;当施加力小于此阈值时,冲击扰动后,煤岩的孔隙度减小,煤样随之被压缩紧密,T_(2)谱曲线中代表大孔径的谱峰降低,谱峰曲线左移;当施加力大于此阈值时,冲击扰动后,煤岩大孔径孔隙增多,T_(2)谱曲线出现右移,所有谱峰高度增大,说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入“强度极限邻域”关键。②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质,在抗压能力、损伤程度、长期强度、“强度极限邻域”中有所表现,其中,围压越大,煤岩越晚进入“强度极限邻域”,瓦斯压力越大,煤岩则越早进入该邻域。③煤岩的孔径分布、T_(2)谱曲线能直观反映了煤岩“强度极限邻域”内、外微观变化特征。④通过煤岩孔隙率所确定的进入“强度极限邻域”时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入“强度极限邻域”的时机,作为进入“强度极限邻域”范围时的判别标准,其中围压越大,此时进入“强度极限邻域”范围时的应力阈值越大;瓦斯压力越大,进入“强度极限邻域”时的应力阈值越小。

基于CT扫描岩石蠕变扰动特性单轴压缩试验研究

工程深部开采活动中,岩石周围应力环境较为复杂,且对扰动作用极为敏感。在已经提出的岩石“蠕变扰动效应”以及“强度极限邻域”概念的前提下,利用CT技术手段对岩石“强度极限邻域”内、外进行微观扫描探测,观察岩石内部损伤变化过程,同时运用单位像素坐标点建立孔隙之间距离,并结合工程实例得出以下结论:①分析横、纵应力-应变曲线可知,岩石在纵向与横向同时存在一个长期强度,且岩石进入横向长期强度优先纵向,但是通过CT扫描岩石内部孔隙结构变化可知,岩石纵向长期强度阈值相比横向更准确;②通过分析岩石轴向CT扫描图,在轴压45MPa时,岩石内部只出现新的较少孔隙结构,且内部孔隙并未出现相连贯通现象;而在轴压50MPa时,未扰动时就可清楚看出岩石内部新的孔隙结构出现贯通现象,随着扰动的施加,岩石内部出现明显的裂痕条纹,说明岩石“强度极限邻域”为45~50MPa,可知以纵向长期强度判断“强度极限邻域”更具有说服力;③对CT扫描后的岩石试件进行伪彩色处理,利用岩石像素特征点之间的距离建立孔隙之间的距离,通过分析轴压40MPa与45MPa下岩石扰动前后的像素特征点之间距离可知,其只是略微的增加或减少;而在轴压50MPa下,岩石扰动前后像素特征点坐标值出现突增,像素特征点间的距离增加了214.27,说明岩石“强度极限邻域”为45~50MPa,且岩石在此轴压时对扰动极为敏感;④结合工程实例分析,判断其岩石“强度极限邻域”,通过应变曲线变化范围为工程实例及时提供有效预警,同时也为地下工程的岩石扰动提供理论依据。

岩石强度极限邻域内流变扰动损伤规律研究

为了研究岩石强度极限邻域内的损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,运用核磁共振试验设备和自主研发的RRTS-Ⅳ型岩石流变扰动效应试验系统,开展岩石强度极限邻域内流变扰动效应损伤试验。结果表明:随着扰动次数增加,处于强度极限邻域内的岩石对扰动响应敏感,且扰动次数越多,岩石应变越大,瞬时弹性模量越小,破坏速度越快;通过识别不同扰动次数作用下岩石流变数据参数,得出岩石流变扰动效应损伤本构模型,该模型试验结果与拟合曲线吻合度较高,说明此模型是合理的;运用核磁共振试验设备对强度极限邻域内的岩石进行损伤探测,通过分析岩石T2谱曲线与峰谱曲线面积可知,T2谱曲线出现偏移,出现第三峰值且峰谱总面积增大。研究结果丰富了岩石流变扰动效应理论体系。

岩石流变扰动特性单轴压缩试验研究

深井软岩条件下扰动荷载会引起围岩流变变形,在已提出的岩石流变扰动效应、强度极限邻域等概念的前提下,为得到岩石流变扰动效应本构关系,首先对岩石流变扰动效应实验仪的冲击扰动加载装置进行设计改进,能够准确测量出单次扰动冲击力及扰动作用时间,接着利用红砂岩进行单轴条件下的岩石流变扰动效应实验,研究岩石在恒定轴向荷载下,处于强度极限邻域内和强度极限邻域外的流变扰动效应规律,根据实验结果,绘制了不同流变阶段的累计扰动变形量-累积扰动能量曲线,结合岩石流变扰动的影响因素,在流变扰动曲线的基础上建立了岩石流变扰动本构方程。

强度极限邻域内岩石单轴蠕变扰动试验研究

为了研究强度极限领域内岩石蠕变对外界扰动的响应规律,选取红砂岩为研究对象,基于RRTS-Ⅲ岩石流变扰动效应试验系统,进行了岩石单轴压缩蠕变扰动试验。试验探究了强度极限邻域内和强度极限邻域外的不同蠕变阶段,外界扰动对岩石蠕变规律的影响。试验结果表明强度极限邻域外岩石蠕变对外界扰动响应不明显,扰动产生的蠕变扰动变形量小且具有可恢复性;随着扰动能量的累积,蠕变变形量减速增长至趋于稳定。强度极限邻域内岩石蠕变对外界扰动响应明显,扰动产生的蠕变扰动变形量剧烈增加且不可恢复,随着扰动能量的累积,蠕变变形量加速增长至试件破坏。

岩石三轴流变扰动效应损伤演化特征试验研究

为了从微观损伤角度建立不同围压下岩石是否进入“强度极限邻域”的判别标准,对红砂岩进行常规三轴流变扰动逐级加载试验,通过核磁共振手段对流变扰动前后岩石进行分析对比,得到不同围压下T_(2)谱曲线、孔隙率、孔径分布。试验结果表明:①不同围压下的岩石存在一个流变应力阈值,当岩石应力状态小于该阈值时,施加扰动载荷T_(2)谱曲线第1,2谱峰高度均无明显的变化;当岩石应力状态大于该阈值时,T_(2)谱曲线第1,2谱峰出现突增现象,且产生新的谱峰曲线,同时T_(2)谱曲线发生向右偏移现象,说明该应力阈值是判别岩石是否进入“强度极限邻域”内、外的界限;②不同围压下岩石存在一个“强度极限邻域”界限范围,当纵向应力小于该应力时,T_(2)谱曲线谱峰总面积在扰动前后变化不明显,当纵向应力大于该应力时,T_(2)谱曲线谱峰总面积明显增大,且出现第3个T_(2)谱曲线谱峰面积,说明处于“强度极限邻域”外的岩石损伤较小,不易产生流变扰动破坏,反之会加大岩石内部损伤,最终致使岩石发生扰动失稳破坏;③岩石在围压0.5 MPa时比围压1.5,3.0 MPa下先进入“强度极限邻域”范围,围压的存在提高了岩石长期强度,随着围压的增大损伤逐渐减小;④核磁共振成像图谱清楚地反映出“强度极限邻域”内、外岩石孔隙结构变化特征。

蠕变扰动效应下红砂岩强度极限邻域试验研究

为得到更合适的强度极限邻域及其划分依据,以红砂岩为研究对象,应用自主研发的RRTSIV型岩石蠕变扰动效应试验系统及动态测试分析系统,通过岩石蠕变及其扰动效应下单轴压缩试验,结合理论分析,开展红砂岩强度极限邻域及其划分依据相关研究。依据试验结果,首先从分级加载蠕变曲线和应力应变等时曲线2个方面分析了横向蠕变和轴向蠕变所确定长期强度的差异性;然后从瞬时扰动变形量和残余扰动变形量转化规律2个方面对岩石横向蠕变和轴向蠕变所确定的强度极限邻域进行了对比研究;最后通过综合分析得到合适的强度极限邻域及其划分依据。研究结果表明:相对于瞬时扰动变形量,以残余扰动变形量转化规律确定强度极限邻域更合适;相对于轴向蠕变残余扰动变形量转化规律,以横向蠕变残余扰动变形量转化规律确定强度极限邻域更合适,由此得出红砂岩的强度极限邻域阈值约为32.5 MPa;长期强度确定的强度极限邻域阈值与残余扰动变形量转化规律确定的强度极限邻域阈值相差约2.5 MPa,但作为简单的初步分析判定,以长期强度界定强度极限邻域仍有较高的参考价值。

小净距隧道围岩整体稳定性的下限分析

小净距隧道围岩的整体稳定性分析,目前分析研究比较少。运用边坡稳定性分析适用的强度折减原理进行评价小净距隧道围岩整体稳定性,以围岩塑性区贯通、位移突变或位移超过规范值与计算不收敛3种方法综合作为围岩失稳破坏的判据。通过计算分析可知在不同的折减系数下塑性区贯通基本与位移突变同步,且早于位移超过规范值及计算不收敛。塑性区贯通为围岩破坏失稳的必要非充分条件,故采用塑性区贯通作为强度折减法判据所得为围岩整体稳定性系数的下限解。利用塑性区贯通作为判据,得到戴峪岭2号小净距隧道围岩整体稳定系数下限值约为2.7,表明该隧道具有足够安全储能。