神东矿区煤系地层含结构面砂岩的力学特征研究

摘要

岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体，具有明显的结构特征。大量的工程实践表明，这种结构特征会对岩石和岩体的力学性质产生很大的影响，因此，本文以神东矿区煤系地层含结构面砂岩的力学特征为研究主线，首先对采集的1000多米岩芯进行统计，并运用X射线衍射、扫描电镜及三维激光扫描仪对结构面的宏细观结构进行了分析；然后运用CMT5000拉伸试验机、RDS-200直剪仪、RMT-150C力学试验机及DS5-8b声发射监测仪对含结构面砂岩的力学及声发射特征进行了研究，最后基于基本损伤理论模型，引入了声发射参数、结构面参数和孔隙率参数建立了一个新的损伤理论模型，得到如下主要研究成果： （1）通过对采集的1000 多米岩芯进行统计发现，神东矿区结构面主要可以分为两种类型，但I类可以分为3个亚类，分别为I1、I2、I3。I1类，以植物叶炭化形成的结构面；I2类，以植物树干炭化形成的结构面；I3类，以小颗粒状煤形成的结构面；II类，以白云母为主形成的结构面。运用 X射线衍射仪、扫描电镜及三维激光扫描仪对其宏细观特征进行了定量化的描述，发现其成分特征、微观结构面及三维形貌特征有明显的差异。 （2）天然结构面对砂岩的抗拉强度、峰值应变、抗剪强度、弹性模量及直接拉伸和直接剪切过程中的声发射峰值计数及累计计数有显著的影响；但是对其单轴抗压强度及单轴压缩下的声发射峰值计数及累计计数基本没有影响。 （3）夹层厚度对砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量、声发射峰值计数、累计计数及波形参数有明显的影响；夹层厚度对砂岩的粘聚力和内摩擦角基本没有影响；两种类型砂岩破坏时的机理存在一定的差异性，提出了两种结构面砂岩破坏时的强度弱化机理。 （4）结构面倾角对砂岩的力学及声发射参数都有显著的影响。单轴抗压强度、弹性模量、三轴抗压强度、峰值应变、声发射峰值计数以及累计计数与结构面倾角呈现出二次函数关系；结构面倾角为 0o、15o、75o和 90o时，砂岩不沿结构面发生破坏，结构面倾角为 30o、45o和 60o时，砂岩沿着结构面发生滑移破坏。经过试验数据与单弱面理论分析结果对比分析发现，单弱面理论不能完全适应于结构面存在一定厚度的情况，经过修正可以用分段函数表示。 （5）应力路径对含结构面砂岩破坏过程中的力学及声发射特征有一定的影响。常规三轴压缩下，初始压密期声发射出现的频率随着围压的逐渐增大而增大；三轴卸围压下，破坏时的围压、破坏时的应变差、最大主应力差、声发射峰值计数以及累计计数与初始围压大小呈现出了正相关关系；卸载速率与破坏时的围压、声发射峰值计数呈正相关关系，然而应变差、最大主应力差以及累计计数与卸载速率是负相关关系。 （6）基于Lemaitrc损伤模型，然后引入了声发射累计计数、孔隙率、结构面倾角等参数，建立了一个新的损伤理论模型，并运用试验数据对该模型进行了验证。

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