综放采动顶板裂隙砂岩力学特性和破坏规律研究

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受地质构造和工程扰动影响,采煤工作面顶板岩体中存在不同规模的裂隙,裂隙在综放开采条件下扩展延伸并形成裂隙网络,使得裂隙岩体结构和力学性质发生改变,弱化了煤层顶板稳定性,给煤矿安全高效开采造成极大威胁。因此,研究综放采动力学行为下裂隙岩体力学特性和破坏规律,对巷道维护、瓦斯防治和煤炭安全开采意义重大。然而,综放采动应力下岩体的变形破坏是一个动态的、变化的过程,尤其研究含裂隙岩体的变形破坏更为复杂。论文在国家自然科学基金面上项目“坚硬顶板压裂与采动裂隙耦合演化规律及矿压控制机理(No.51974042)”的资助下,针对工作面顶板裂隙砂岩在综放采动力学行为下的力学特性和破坏规律,基于岩石力学和断裂力学,借助室内试验研究手段,开展常规三轴加载和加卸载两种应力路径下不同几何参数裂隙岩体力学特性和破坏规律研究。本文主要结论如下:(1)应力路径对单裂隙砂岩的侧向塑性变形影响显著。常规三轴应力作用下,含裂隙的砂岩试件的侧向塑性变形量比完整砂岩试件大,塑性特征更加明显;而加卸载应力作用下,含裂隙的砂岩试件的侧向塑性变形量比完整砂岩试件小,脆性特征更加明显。(2)裂隙几何参数对砂岩试件力学特征影响显著。在两种应力路径下,随着裂隙长度增加,试件峰值强度都呈单调递减趋势;随着裂隙角度增加,常规三轴试验下试件峰值强度呈单调递增趋势,而加卸载试验下试件峰值强度呈先减小后增大趋势,曲线呈现“V”型。在常规三轴应力路径下试件的弹性和变形模量随裂隙长度和角度的增加呈先增大后减小趋势;在加卸载应力路径下试件的弹性和变形模量随裂隙长度增大呈减小趋势,随裂隙角度增大呈先减小后增大趋势。同时,泊松比与侧压力系数和体积应变密切相关。(3)基于超声波P波波速得到了裂隙砂岩变形过程中的力学响应和裂纹演化规律。在常规三轴应力路径下,波速在应力跌落附近波动比较明显;试件裂纹演化规律为裂纹压密阶段、裂纹发展阶段、裂纹稳定阶段和破坏后失稳阶段,且在峰值强度附近,裂纹的总宽度基本保持不变,但持续时间较短。在加卸载应力路径下,围压的卸载影响着试件的压实度,致使波速增长率迅速减小;在屈服应力附近,试件压实度达到临界值,波速达到最大值;波速在砂岩试件峰值强度附近波动明显反映了初始裂隙尖端应力集中更加明显,微裂纹出现交叉且相互联合的现象加剧,裂纹演化规律为裂纹压密阶段、裂纹稳定阶段和裂纹发展阶段三个阶段。(4)两种应力路径下的单裂隙砂岩试件的破坏模式不同。常规三轴压缩作用下,不同长度单裂隙砂岩试件的破坏形式基本为拉-剪复合型破坏,不同角度单裂隙砂岩试件破坏形式包含纯剪切破坏、拉伸破坏、拉-剪复合破坏和X型共轭剪切破坏。在加卸载试验过程中,随着裂隙长度增加,破坏形式表现为拉-剪复合型破坏—“X”型非共面剪切破坏—“X”型共面剪切破坏,拉伸裂纹会被次生共面裂纹所替代;裂隙角度是裂隙起裂的诱因,不同角度裂隙砂岩试件破坏形式包含拉-剪复合型破坏、单剪切破坏、“X”型非共面剪切破坏。
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