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泥质弱胶结岩体水-固耦合机制与结构重组力学特性研究

王帅  
【摘要】:中生代晚白垩世含煤地层分布泥质弱胶结岩体,由于岩层成岩时间晚,矿物颗粒胶结类型以泥质胶结为主,岩体结构性差,强度低。当岩体受到工程扰动后,巷道围岩产生大变形,围岩变形控制难度大,不利于煤炭资源的安全和高效开采。泥质弱胶结岩体力学性能不仅与本身结构有关,工程扰动引起的岩层水分迁移对岩体稳定性产生重要影响;同时,试验发现一定工程条件下,扰动区损伤泥质弱胶结岩体可实现结构重组,张开裂隙闭合后形成新的胶结结构,阻断了工程岩体扰动区水分迁移的通道,增强了工程围岩的承载能力。因此,研究泥质弱胶结岩体水力学性质和扰动区损伤岩体结构重组力学特性对泥质弱胶结地层巷道围岩变形控制具有重要意义。为揭示工程扰动条件下泥质弱胶结地层巷道围岩变形及控制机理,本文以华润电力(锡林郭勒)煤业有限公司西一矿3-3~#煤层底板泥质弱胶结岩体为研究对象,综合采用实验室试验、理论分析和数值分析等方法分别对原岩水力学性质和结构重组岩体力学性质进行研究。本文主要研究内容和获得的研究成果如下:(1)采用XRD、筛分法、比重瓶法和烘干法等得到泥质弱胶结岩体矿物组成、粒度分布、含水率和密度等基本物理参数,利用SEM、MIP和气体吸附仪等获得泥质弱胶结岩体细观孔隙结构和孔隙尺寸分布,通过对岩体基本物理性质的分析,揭示了泥质弱胶结岩体的弱胶结属性;通过对不同尺寸和含水率泥岩进行强度试验,揭示了泥质弱胶结岩体力学响应呈现尺寸效应和环境效应,承载能力随含水率增加而降低。(2)利用自主设计的集试验、监测和记录为一体的高精度风化试验系统和低场核磁共振测试设备对泥质弱胶结岩体分别进行高/低湿度环境条件下的风化试验,揭示了不同湿度环境作用下岩体内水分迁移规律,高湿度环境吸水,低湿度环境失水;利用自行设计的吸水试验装置进行不同初始含水率和侧向约束条件下泥质弱胶结岩体吸水试验,研究泥质弱胶结岩体吸水扩散规律;通过对不同湿度环境作用试样进行强度试验,揭示了环境湿度对泥质弱胶结岩体力学性质的影响规律。(3)对损伤泥质弱胶结岩体结构重组进行可行性分析,利用岩土体重组试验装置,模拟现场不同工程条件,得到不同类型结构重组试样;自主设计了重力冲击式扰动流变试验装置,对结构重组岩体分别开展静力和扰动流变试验,揭示了结构重组岩体静力和动力学性质;通过优化重组条件,施加一定强度的冲击,有利于增强扰动区结构重组岩体的抗变形能力。(4)利用细观测试手段揭示了结构重组岩体细观结构特征,并基于损伤泥质弱胶结岩体结构重组机理,建立损伤岩体愈合模型,揭示了重组泥质弱胶结岩体次生胶结结构细观承载机理;基于重组泥质弱胶结岩体颗粒粒度分布、孔隙率和颗粒接触特征等,建立重组泥质弱胶结岩体离散元模型,揭示了细观结构参数变化对重组泥质弱胶结岩体力学性质的影响规律;基于弹塑性理论、损伤理论和热力学理论,建立耦合重组条件的弹塑性损伤本构模型,揭示了结构重组泥质弱胶结岩体受力和变形规律。(5)以华润电力(锡林郭勒)煤业有限公司西一矿1302工作面巷道为研究背景,针对巷道大变形量特征,采用地质雷达、钻孔取芯等探测手段,结合弱胶结泥岩水力学性质和重组结构体力学性质,揭示泥质弱胶结地层巷道围岩变形机理,并提出围岩应力-环境联合控制对策。该论文有图154幅,表41个,参考文献205篇。


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