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真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

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中国安全科学学报 2023年第6期33卷 105-113页

作者：刘玉冰王恩元张东明李铭辉中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 深圳大学深地科学与绿色能源研究院广东深圳518060

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究... 详细信息

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明:真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。

关键词：真三轴应力破断煤体力学响应渗流特性动力灾害

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

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煤炭学报 2019年第2期44卷 454-462页

作者：尹光志马波刘超李铭辉鲁俊尹思禹重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统"开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。... 详细信息

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统"开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明:随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。

关键词：真三轴应力加卸荷速率力学特性能量特征

真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

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煤炭学报 2018年第10期43卷 2709-2717页

作者：尹光志鲁俊李星刘超李铭辉马波重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现... 详细信息

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。

关键词：真三轴应力预制钻孔变形强度裂纹塑性区

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真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

岩石力学与工程学报 2017年第2期36卷 261-269页

作者：尹光志李星鲁俊宋真龙重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制... 详细信息

为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等σ3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。

关键词：岩石力学真三轴应力层状复合岩石中主应力系数破坏准则

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真三轴应力下塑性混凝土性能及破坏准则

水利学报 2014年第3期45卷 360-367页

作者：高丹盈宋帅奇杨林郑州大学新型建材与结构研究中心河南郑州450002 河南城建学院交通运输工程学院河南平顶山467036

基于5组配合比共45组塑性混凝土立方体试件的真三轴试验，研究了塑性混凝土的力学变形性能和破坏准则。结果表明，塑性混凝土第一主应力一应变关系曲线可分初始反弯段、直线段、曲线段和直线平台段，其中初始段有明显的弹性特征，直线... 详细信息

基于5组配合比共45组塑性混凝土立方体试件的真三轴试验，研究了塑性混凝土的力学变形性能和破坏准则。结果表明，塑性混凝土第一主应力一应变关系曲线可分初始反弯段、直线段、曲线段和直线平台段，其中初始段有明显的弹性特征，直线段之后塑性变形较大。当第二、第三主应力较小时，真三轴应力下塑性混凝土试件破坏形态与单轴受压相似，当第二、第三主应力较大时，试件破坏呈现八字形斜裂缝。第一主应力随第二、第三主应力的增加而增大，且对第三主应力的变化较为敏感；对于同组配合比的塑性混凝土，固定第二主应力、变化第三主应力时的黏聚力和内摩擦角与第二和第三主应力同时成比例增加时的黏聚力和内摩擦角相比，分别是2倍和0．5倍左右；塑性混凝土三轴抗压强度是单轴抗压强度的3—5倍。在此基础上，运用强度理论分析了本文及文献的试验数据，建立了真三轴应力下塑性混凝土的二参数、三参数和四参数破坏准则，并与普通混凝土进行了比较。

关键词：塑性混凝土真三轴应力破坏准则数学模型

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真三轴应力下岩体预刻槽定向致裂试验研究

真三轴应力下岩体预刻槽定向致裂试验研究

作者：王一帆太原理工大学

学位级别：硕士

冲击地压目前仍然是我国采矿生产中最大的灾害之一,厚实坚硬的顶板岩层是造成这一现象的主要原因。如何降低顶板岩层的强度,避免顶板大面积悬空是当前需要研究的主要问题。定向致裂可以将坚硬完整的顶板岩层分块,削弱顶板岩层大面积悬... 详细信息

冲击地压目前仍然是我国采矿生产中最大的灾害之一,厚实坚硬的顶板岩层是造成这一现象的主要原因。如何降低顶板岩层的强度,避免顶板大面积悬空是当前需要研究的主要问题。定向致裂可以将坚硬完整的顶板岩层分块,削弱顶板岩层大面积悬空带来的危险,达到减弱甚至消除冲击地压的目的。基于此,本文使用真三轴致裂装置进行岩体预刻槽定向致裂试验,研究不同预刻槽角度、不同钻孔孔径及不同压裂介质作用下,岩体的裂隙扩展发育规律。论文主要得出以下结论:(1)使用岩石真三轴水力致裂装置进行100 mm立方体砂浆试件预刻槽致裂试验,在进行试验的过程中同步利用声发射装置统计振铃计数随时间变化数据,探究不同预刻槽角度对水力压裂裂缝扩展的影响,揭示注液压力变化及声发射动态变化特征,试验结果表明:(1)随着预制角度的增大试件的起裂压力逐步降低,两者之间拟合函数关系表达式为:y=-0.0384x+14.382;(2)在起裂压力达到峰值前,声发射振铃计数在低水平波动,基本不产生裂隙;注液压力达到峰值时,声发射振铃计数同步激增,试件出现明显裂隙;(3)在应力场的作用下,裂隙均从预制刻槽角度尖端处起裂,向最大水平应力方向逐渐偏离;(4)在达到相同偏转角时,随着预刻槽角度的增加,试件的裂隙弧长变化呈递减趋势,预刻槽角度0°、30°、60°的试件裂隙弧长分别为50.19 mm、27.27 mm、38.06 mm。(2)利用100 mm的立方体砂浆试件研究不同钻孔孔径对定向致裂裂隙发育规律的影响,试验结果表明:(1)钻孔孔径越大,试件的起裂压力及压力降低速率越大。孔径为6 mm、8 mm、10 mm的试件,刻槽角度与起裂压力之间的拟合关系式分别为:y=-0.0384x+14.382、y-0=.0447 x+16.215、y=-0.0595x+18.25;(2)试验过程中声发射振铃计数的突变时刻与试件产生裂隙的时间点基本相同;(3)在达到相同偏转角时,随着钻孔孔径的增加,试件的裂隙弧长逐渐缩短;钻孔孔径为6 mm、8 mm、10 mm的试件,平均裂隙弧长分别为53.94 mm、44.56 mm、28.5 mm。(3)沿用孔径为6 mm立方体砂浆的试件,研究了不同压裂介质对定向致裂裂隙发育规律的影响,试验结表明:(1)HO压裂试件的起裂压力大于CO致裂试件的起裂压力;HO和CO压裂试件的平均起裂压力分别为12.65 MPa和10.56 MPa;(2)对比两种压裂介质,CO致裂试件的声发射振铃计数数据多且波动范围大,CO致裂试件产生微观裂隙多;(3)在相同偏转角下,HO致裂试件比CO致裂试件的裂隙弧长数值大;两种压裂介质致裂试件的弧长差值分别为0.07 mm、13.06 mm、31.88 mm;(4)在同一刻槽角度下,HO致裂试件的裂隙开度均大于CO致裂试件的开度;随着预刻槽角度的增加,两种压裂介质致裂试件的开度差值分别为0.3 mm、0.68 mm、1.15 mm、1.18 mm;使用HO及CO压裂试件的裂缝平均开度分别为1.3 mm和0.51 mm。(4)使用数值模拟软件,基于扩展有限元模拟真三轴应力状态下,研究水力压裂的裂纹扩展规律。利用前文得到的岩石力学参数,进行单孔及双孔定向致裂数值模拟,分析裂隙在岩层中的扩展演化规律。模拟结果表明:双孔之间的裂隙同时起裂,并沿着最大水平应力方向偏转,之后连接在一起,形成贯通裂隙。双孔间的裂缝宽度均随着偏转距的增加,迅速增大平稳一段时间后再次减小。双孔偏转角均随着偏转距的增加,先增大后缓慢增加趋于稳定。

关键词：真三轴应力定向致裂气体压裂裂隙扩展扩展有限元

真三轴应力条件下砂岩采动力学及渗流特性的试验研究

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真三轴应力条件下砂岩采动力学及渗流特性的试验研究

作者：高恒重庆大学

学位级别：硕士

改革开放以来,随着资源开采等人类地下活动频率的剧增,地下工作的深度越来越深。与此同时,也带来了一系列以“三高一扰动”为代表的深部岩体工程问题。即岩体的应力环境呈现出高地应力,高孔隙压力,高地温等特点。另外,工程活动及构造作... 详细信息

改革开放以来,随着资源开采等人类地下活动频率的剧增,地下工作的深度越来越深。与此同时,也带来了一系列以“三高一扰动”为代表的深部岩体工程问题。即岩体的应力环境呈现出高地应力,高孔隙压力,高地温等特点。另外,工程活动及构造作用将会显著改变岩体围岩环境,应力状态呈现出明显的各向异性（σ1＞σ2＞σ3）,岩体贮存环境呈现出流固耦合状态乃至多场耦合状态。本文基于自主研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,对砂岩真三轴力学性质、采动力学性质、采动致灾机理、渗流特性进行研究,重点研究了砂岩在不同开采深度应力条件下的强度、变形、声发射以及破坏特性;不同卸载速度对砂岩强度、变形、破坏特性的影响;以及真三轴应力气固耦合条件下砂岩渗透率、变形、应力敏感性行为特征。其主要研究结果如下:①对不同采深应力条件下砂岩的采动力学特性进行了试验研究,结果显示:随着采深的增加,砂岩在位移型扰动和应力型扰动作用下破坏时峰值应力均逐渐增大,同一采深应力条件下应力型扰动作用下砂岩的强度要比位移型扰动要高的多。位移型荷载作用下,试件的峰前扩容随着采深的增大而减弱,破坏模式由张拉破坏逐渐向剪切破坏转变,裂纹形态从复杂多样的张剪伴生裂纹向单一剪切裂纹转变;在应力型扰动作用下,试件呈现出加速扩容的态势。②不同采深砂岩真三轴力学试验表明:砂岩在采动应力作用下,不同采深条件下声发射行为均呈现明显的阶段性,即在孔隙压密和弹性阶段基本不产生声发射,在屈服阶段或破坏瞬间产生大量声发射。随着采深的增大,开始加载到产生大量声发射所需时间发生了滞后,且σ2、σ3越大产生大量声发射所需的最大主应力σ1也越大。③采动动力灾害是弹性能释放过程,沿工作面（卸荷）方向应力减小速度先增大后减小,岩体表现为沿着卸荷面的加速扩容。并随着采深的增大,从张拉破坏向剪切破坏转化、层裂破坏模式逐渐减弱、裂纹数量减小、岩体破坏的块度增大、完整性更好。④在不同卸载速度的真三轴力学试验中,最大水平主应力卸载速度越大,砂岩试件垂直方向的峰值应力越小、X方向主应变越小、Y方向主应变越大,并且扩容现象发生越早,扩容量增大。岩样破坏模式由剪切破坏为主向张剪破坏转变,在靠近卸荷面处张拉裂纹表现突出。最小水平主应力卸载速度越大,砂岩试件垂直方向的峰值应力越小,最大水平主应变逐渐增大,最小水平主应变逐渐减小,体积应变逐渐减小,扩容量越大。裂纹由Z主平面逐渐向X主平面转移,破坏模式由张剪破坏向拉伸破坏转变。⑤在真三轴渗流试验中,中间主应力及中间主应力系数b对砂岩的渗透率、变形有着显著的影响。中间主应力系数的越大,随着最大主应力的增大最大主应变增长速率减缓,中间主应变由负转正且变形量逐渐递增,最小主应变的变形量也逐渐增大,归一化渗透率的减小速率增大。⑥通过对试验数据与众多经典渗透率模型对比、拟合、分析,结果表明真三轴应力条件下,砂岩渗透率的演化规律相比较于孔隙度模型而言,S＆D模型和TTP模型有着更好的拟合度,且S＆D模型没有考虑砂岩的各向异性,故TTP模型对砂岩渗透率的演化描述更加准确。⑦基于TTP模型拟合结果,分析了Cf值的变化规律,结果显示随着最大主应力的增大砂岩的应力敏感性降低,但其下降速率变慢;同时,中间主应力和中间主应力系数的增大均会导致应力敏感性不同程度的下降。

关键词：真三轴应力采动力学性质 CT三维重构采动动力灾害砂岩渗透率

真三轴应力条件下钻孔围岩塑性区及增透半径研究

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岩土力学 2019年第A01期40卷 1-10页

作者：尹光志鲁俊张东明李铭辉邓博知刘超重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030

深部岩体处于三维应力场中受开挖扰动影响钻孔、巷道围岩处于明显的真三轴应力状态。钻孔抽采技术是煤矿广泛用于瓦斯治理的重要措施,钻孔周围塑性区是瓦斯流动的优质通道,研究钻孔围岩塑性区特性对于抽采钻孔的优化布置至关重要。为研... 详细信息

深部岩体处于三维应力场中受开挖扰动影响钻孔、巷道围岩处于明显的真三轴应力状态。钻孔抽采技术是煤矿广泛用于瓦斯治理的重要措施,钻孔周围塑性区是瓦斯流动的优质通道,研究钻孔围岩塑性区特性对于抽采钻孔的优化布置至关重要。为研究钻孔围岩的塑性区特性,基于广义平面应变理论分析围岩应力分布,比较几种常用强度准则(MC、Mises、D-P、MLC、SMP)的适用性和精确性,对比试验结果表明,MLC准则能较好地表征岩石的真三轴强度特性。基于MLC准则推导了围岩塑性区半径公式,分析偏应力、中间主应力、岩石内摩擦角、岩石黏聚力和钻孔半径对增透半径的影响,结果表明,增透半径随着偏应力的增大而增大,随中间主应力的增加先减小后增大,随岩石内摩擦角、岩石黏聚力的增加而逐渐减小,随钻孔半径的增加而线性增大。研究结果可为实际工程中巷道支护、煤层瓦斯抽采等技术的参数设计等提供重要参考。

关键词：真三轴应力强度准则钻孔塑性区增透半径

真三轴应力作用下煤样三维渗透率与地应力耦合关系研究

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中国煤炭 2015年第11期41卷 31-36页

作者：裴柏林张遂安郝杰杨立源李丹琼中国石油大学(北京)石油工程学院北京市昌平区102249

煤层气渗透率的高低直接决定了煤层气井单井产量。为了研究真实地应力状态下煤样渗透率与地应力的关系,利用实验室自主研制的国内首台真三轴三维渗流物模装置,对沁水盆地南部晋城寺河矿区煤样进行三轴应力独立阶梯递增和递减加载下的渗... 详细信息

煤层气渗透率的高低直接决定了煤层气井单井产量。为了研究真实地应力状态下煤样渗透率与地应力的关系,利用实验室自主研制的国内首台真三轴三维渗流物模装置,对沁水盆地南部晋城寺河矿区煤样进行三轴应力独立阶梯递增和递减加载下的渗流实验,发现垂直应力对煤样渗透率的影响程度最大,得出在增压和减压过程中三维渗透率与地应力的耦合关系式,符合经典的岩石流固耦合模型中的幂律模型。

关键词：真三轴应力渗透率地应力耦合关系