基于三维重构的弱胶结岩石裂纹扩展规律

作     者：凌斌 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范钢伟

授予年度：2020年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：弱胶结砂岩 微观结构 声发射特性 CT三维重构 裂纹扩展演化 

摘      要：弱胶结岩层广泛存在于我国的西部矿区,该岩层主要是一些成熟度较低的弱胶结砂岩,具有胶结度低、孔隙度大、扰动敏感等特点,对地下开挖工程中岩土工程的稳定性具有很大影响。本文以弱胶结砂岩为研究对象,采用电镜扫描、X衍射、单轴压缩实验、声发射实验、CT扫描实验和PFC数值模拟相结合的技术手段,研究了弱胶结砂岩的微观结构和矿物组分;分析了弱胶结砂岩单轴压缩过程中的声发射演化规律;探究了初始损伤对裂纹扩展直至试件最终破坏形态的影响规律;通过PFC数值模拟直观地分析了弱胶结砂岩加载过程中接触力及力链、位移、微裂纹数目变化,并探究不同孔隙率、不同胶结程度对弱胶结砂岩裂隙扩展过程的影响规律。本论文主要取得以下研究成果与进展:(1)采用电镜扫描、X衍射的手段对弱胶结岩石细观结构和矿物组分进行了分析。结果表明:弱胶结岩石胶结程度低、孔隙率高,且其力学参数低于常规砂岩。(2)进行单轴压缩和声发射联合实验,对弱胶结砂岩力学特性和声发射特性进行研究。声发射突变点的应力平均水平为0.86,损伤值突变点平均水平为0.7。由声发射定位技术可知,线弹性阶段和塑性变形阶段是弱胶结岩石微裂纹产生的重要阶段。(3)利用CT扫描技术对单轴压缩前后弱胶结砂岩孔隙、裂隙进行三维重构,从总体积、表面积、孔隙度、分形维数等角度对裂隙演化过程进行推演。研究结果表明:弱胶结砂岩加载后的孔隙率以及分形维数均有所增大;并且由CT切片可以看出试件的起裂位置一般发生在较大初始损伤和低密度区域,然后裂纹分别向两翼扩展,最终导致试件整体发生破坏。(4)开展了PFC数值试件加载实验,结果表明试件在峰后阶段快速变化,沿试件原有损伤区域迅速扩展贯通。弱胶结试件的力学参数与孔隙率成正相关,与胶结度成负相关。孔隙率和胶结度对裂隙的破裂类型无明显影响。本论文有图60幅、表18个、参考文献84篇。