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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

不同应力加载速率下深埋泥岩力学特性与扩容特征试验研究

2023-09-19


创新点
1)试验发现西南地区广泛分布的煤系地层(二叠系龙潭组)泥岩主要含有长石、石英、绿泥石等矿物,以长石为主,岩石内部各矿物成份分布不均匀,长石呈条带状分布,间填充其它矿物,各种矿物的分布表现出了强烈的非均质性,该性质是岩石表现出各向异性的主要原因。
2二叠系龙潭组泥岩试样在不同的加载速率下,轴向应力-应变曲线均属典型的塑--塑性曲线,各试样均有明显的微裂隙压密过程,加载速率越小,压密过程越明显,即曲线越平缓。进入弹性阶段后,加载速率越大,曲线斜率越大,即岩石弹性模量越大。
3)采用单因素方差分析方法对每个分析项目各组数据进行差异显著性检验,结果为试验加载速率和泥岩单轴抗压强度、弹性模量、最大轴向应变、最大径向应变、扩容起始强度与最大强度比值有关联关系,和最大体积应变、扩容起始体积应变与最大体积应变比值无关联关系。加载速率越大,试样在未充分变形的情况下发生破坏的可能性越大,扩容起始强度越小,试样扩容起始强度与试样强度比值也越小,越容易进入体积扩容阶段。

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不同应力加载速率下深埋泥岩力学特性与扩容特征试验研究

作者:李 可1, 2, 3 ,余伟健1, 3 ,廖 泽,郭涵潇,潘 豹KHAMPHOUVANH Viengvilay,杨 杰1
单位:1. 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院;2. 贵州理工学院 矿业工程学院;3. 湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
西南地区是我国南方的重要赋煤区和煤炭资源产地,从下古生界到新生界都有聚煤地层,以晚二叠世龙潭期—长兴期的煤最为重要,占总资源量的85%以上。通过现场调研和钻取岩心观察发现,深部龙潭组地层岩性以泥岩为主,不同层位的泥岩主要成分差异也较大,主要有炭质泥岩、钙质泥岩、铁质泥岩等。陈宗基和康文法认为,地下工程开挖致使围岩部分应力解除即卸荷发生,岩石在偏应力作用下体积产生非线性增长的力学过程即为扩容。根据康红普分析,巷道围岩扩容引起的底臌量约占巷道总底臌量的1/3。因此,需要对深部泥岩的力学行为特性和扩容特征进行研究。
岩石的力学扩容产生与否,既取决于岩石介质物理性质,也取决于应力状态,主要是偏应力的作用。近年来,针对岩石扩容现象,陈宗基和康文法[3]推导了与时间有关及无关的扩容本构方程,并给出了相关扩容参数测试方法。康红普推导了瞬时扩容引起的底臌位移量计算式,并进行了实例计算验证。一些学者研究了脆岩、硬岩、弱胶结、盐岩等各种岩石扩容变形本构模型和扩容判据等。YUAN等提出了剪胀扩容指数的概念,定义为任何特定围压下的表观扩容角与单轴条件下扩容角之比。之后其他学者在YUAN的理论基础提出了适用于不同类型岩石和不同荷载条件的扩容角模型。ZHAO等建立了考虑围压和塑性剪切应变影响的扩容角模型。荣浩宇等试验后认为三轴压缩条件下,岩石变形表现为轴向压缩以及沿最小主应力方向扩容。TRIVEDI详细分析了平面应变和轴对称情况下的剪胀扩容对强度的影响。也有一些学者研究了单轴压缩试验中扩容弹性/黏塑性本构模型。
荷载加载速率对岩石试样的力学强度参数和变形参数测试结果有很大的影响。通常,岩石强度和平均弹性模量随着应力加载速率的增加而增加,也有一些学者提出不同的观点,认为对于不同强度等级的岩石,随着应力加载速率的增加,单轴抗压强度的增加并不具有普遍性。ALKAN认为扩容起始强度取决于应力加载速率和孔隙压力,随着应力加载速率的增加,扩容起始强度减小。尹小涛等认为随着应变率的提高,岩石的峰值强度提高,变形参数也提高。何松等试验后认为黏土岩峰值强度与加载速率近似线性相关。王云飞等分析了不同加载速率下砂岩试样的强度、应变能、微观损伤和宏观破裂特征的变化规律。
上述研究在理论研究和工程应用中发挥了重要的指导作用。然而,不同位置的泥岩性质有很大差别,目前对埋深较大的泥岩,特别是在我国西南地区广泛分布的二叠系龙潭组泥岩的力学特性研究以及其扩容特征的研究较少,笔者对矿山现场钻取的埋深近1300 m的岩石试样做了系列试验,包括XRD衍射试验、SEM岩石断口形貌电镜扫描试验和不同加载速率下的单轴压缩试验等,以期揭示深埋泥岩力学特性与扩容特征。

摘要
 ABSTRACT
岩石工程的损伤破坏过程和其扩容现象密不可分,扩容是岩石在偏应力超过屈服极限后表 现出的体积增大的现象。为了进一步研究深埋泥岩扩容现象,笔者对矿山现场钻取的埋深近1300 m的岩石试样做了系列试验,包括 XRD 衍射试验、SEM 电镜扫描试验和不同加载速率下 (0.10.5、 2.0 和 5.0 kN/s) 的单轴压缩变形试验等。结果表明:泥岩成分以长石为主,岩石内部各矿物成分分 布不均匀,长石呈条带状分布,其间填充其他矿物,填充物以绿泥石为主。
在不同的加载速率下, 各试样轴向应力应变曲线属典型的塑塑性曲线,有明显的压密过程,加载速率越小,压密过程越明显,即曲线越平缓。进入弹性阶段后,加载速率越大,曲线斜率越大,即平均弹性模量越 大。采用单因素方差分析方法对各组数据进行了差异显著性检验,结果显示试验加载速率 (Vload和泥岩岩石单轴抗压强度 (σc)、平均弹性模量 (E)、最大轴向应变 (εa,max)、最大径向应变 (εd,max)、 扩容起始应力 (f*)、扩容起始应力与单轴抗压强度比值 (f*/σc有关联关系,和试样最大体积应变 (εV,max)、扩容起始体积应变与最大体积应变比值 (εV,d/εV,max无关联关系。加载速率越大,测试得到 的泥岩岩石单轴抗压强度、平均弹性模量越大,加载速率由0.1 kN/s 增大50倍至5.0kN/s时,测得单轴抗压强度均值由 26.8 MPa增大至36.5MPa,平均弹性模量均值由3.5GPa增大至5.9 GPa。 加载速率越大,最大轴向应变和最大径向应变均越小,轴向和径向应变率均越大,即加载速率越大,泥岩岩石在未充分变形的情况下发生破坏的可能性越大。加载速率越大,试样扩容起始应力、 试样扩容起始应力与单轴抗压强度比值越小,即试样加载荷载速率越大,越容易进入体积扩容阶段。认为泥岩强度参数、变形与扩容参数有显著的应力加载速率依赖性。


部分图片


 1    现场钻取的岩石试样


 2    实验室加工完成的试样


 3    泥岩试样 射线衍射


 4    泥岩试样电镜扫描


 5    PCAS 读取的岩石表面孔隙数据分布


 6    单轴压缩试验系统


 7    单轴压缩试验后试样形态


 8    不同加载速率下轴向与径向应力应变曲线


 9    单轴抗压强度、平均弹性模量与加载速率关系曲线


 10    最大轴向应变、最大径向应变与加载速率关系曲线


 11    不同加载速率下体积应变曲线

 12    体积扩容特征与加载速率关系曲线






第一作者简介



李可,男,19865月生,河南周口人,副教授,毕业于湖南科技大学矿业工程专业,获工学博士学位。学术兼职方面,目前为贵州省科学技术厅科技专家和《Bull Eng Geol Environ》、《Geofluids》、《KSCE J Civ Eng》、《J Cent South Univ》等SCI期刊审稿人。社会服务方面,目前为贵州省应急管理厅应急管理专家、贵州省能源局矿山安全监管行业专家、国家矿山安全监察局贵州局矿山安全生产专家。


研究方向

主要研究方向为矿山压力与岩层控制、矿山岩石力学等,专注于软岩扩容效应研究


主要成果

以第一作者和通讯作者身份在国内外刊物上发表论文20余篇,其中SCIEI收录12篇,授权专利11项。





通讯作者简介



余伟健,男,江西都昌人,19782月生,博士(后),教授,博士生导师,湖南科技大学资源环境与安全工程学院院长,煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室主任,湖南省121创新人才工程第二层次人选,湖南省青年骨干教师,湖南科技大学学科带头人(湘江学者),湘潭市优秀专家,“挑战杯”湖南省大学生课外学术科技作品竞赛优秀指导老师,中国煤炭工业协会科技创新人才。担任《采矿与安全工程学报》、《有色金属科学与工程》、《湖南科技大学学报(自然科学版)》、《矿业工程研究》等杂志编委,《煤炭学报》杂志青年编委,《矿业安全与环保》杂志青年专家学术委员会副主任委员,《煤炭科学技术》杂志青年专家学术委员会委员,《矿业研究与开发》杂志理事,湖南省岩石力学与工程学会常务理事,中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会常务理事,“国际矿业青年科学家论坛”学术委员会副主席等职务。


研究方向

主要从事深部岩石力学与围岩控制、地下工程与岩土隧道、地下开采与矿山边坡等方面的理论与技术研究


主要成果

成果已在国内外重要刊物上发表论文160余篇,其中以第一作者被EISCI收录80余篇,F5000领跑论文1篇;出版专著2部,编写教材2部,获湖南省科技进步一等奖、二等奖和中国煤炭工业协会科技进步一等奖、二等奖等省部级以上奖励10余项。已授权发明专利17项。先后主持4项国家自然科学基金项目,以及省部级和企业合作等科学研究项目20余项。



来源:

李可,余伟健,廖泽,等不同应力加载速率下深埋泥岩力学特性与扩容特征试验研究[J]. 煤炭学报202348(9):3360−3371.


责编:王   凡
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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