单轴压缩条件下弱胶结砂岩的力学及声发射特性研究

摘要

我国西部富煤区域的煤层顶、底板多以弱胶结岩层为主，煤炭资源高强度开发过程中产生了一系列严重的地质灾害与环境损伤问题，而目前对弱胶结岩石性质的研究尚不能满足高强度开采下地质灾害防治和环境保护的需要。认清弱胶结岩石的力学性质及变形破坏机理，对于遏制地质灾害发生、降低环境损伤具有一定的理论指导意义。
　　本文选取弱胶结砂岩这类典型的弱胶结岩石为研究对象，采用试验研究、理论分析及数值模拟相结合的方法对其在单轴压缩下的力学及声发射特性进行分析。论文的主要研究工作及主要结论如下：
　　(1)在确定砂岩矿物成分及胶结结构的基础上，对钙泥质细砂岩、泥质中砂岩两种弱胶结砂岩进行单轴压缩试验，对比分析其变形及破坏特征。钙泥质细砂岩单轴抗压强度及弹性模量较高，破坏前无明显塑性变形，有冲击倾向性，以劈裂破坏为主;泥质中砂岩的单轴抗压强度及弹性模量较小，破坏前有较明显的塑性变形，无冲击倾向性，以单斜面剪切破坏为主。
　　(2)应用双应变胡克模型较好地描述了弱胶结砂岩单轴压缩下的力学响应，弱胶结砂岩明显的压密阶段可归结为岩石内部原生孔隙、微裂隙等“软体”在低应力水平下的非线性变形。
　　(3)通过对比研究两种弱胶结砂岩破裂过程的声发射规律及损伤演化过程发现，两种弱胶结砂岩破坏前均出现声发射突变现象，声发射突变点可作为判定其破坏的前兆;与钙泥质细砂岩相比，泥质中砂岩的损伤主要发生在裂纹稳定扩展阶段，其声发射在岩石破坏前体现渐进积累的过程，解释了泥质中砂岩破坏前较明显的塑性变形。
　　(4)建立以平行粘结模拟弱胶结砂岩胶结性状的PFC2D数值模型，研究弱胶结砂岩的破裂过程及胶结强度对其力学及声发射特性的影响，数值模拟结果表明:单轴应力状态下胶结强度较高的试样表现出较高的抗压强度，且脆性特性更加明显，声发射更加集中出现在峰值强度后;随着胶结强度的降低，试样峰值强度下降，在加载前期及末期声发射事件均保持较高的强度。模拟结果与室内试验结果基本吻合，且弥补了室内试验的不足。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．2．1 弱胶结砂岩研究现状

1．2．2 声发射研究现状

1．2．3 岩石破裂过程数值方法研究现状

1．3 研究思路及研究内容

1．3．1 研究思路

1．3．2 研究内容

第2章 试验过程简介

2．1 引言

2．2 试样制备及砂岩薄片鉴定

2．2．1 取样及试样制备

2．2．2 砂岩薄片鉴定

2．3 试验设备

2．4 试验方案

2．5 本章小结

第3章 单轴压缩条件下弱胶结砂岩的力学特性

3．1 引言

3．2 弱胶结砂岩的变形及破坏特征

3．2．1 变形特性

3．2．2 破坏形式

3．2．3 断裂面特征

3．3 弱胶结砂岩本构关系初探

3．3．1 岩石本构关系研究现状

3．3．2 双应变胡克模型

3．3．3 试验结果及分析

3．4 本章小结

第4章 单轴压缩条件下弱胶结砂岩的声发射特性

4．1 引言

4．2 声发射技术概述

4．2．1 声发射原理

4．2．2 声发射参数

4．3 弱胶结砂岩破裂过程的声发射规律

4．3．1 钙泥质细砂岩破裂过程的声发射规律

4．3．2 泥质中砂岩破裂过程的声发射规律

4．3．3 基于声发射特性的损伤分析

4．3．4 声发射规律对比分析

4．4 声发射事件时空演化规律分析

4．5 本章小结

第5章 弱胶结砂岩力学及声发射特性的颗粒流模拟

5．1 引言

5．2 颗粒流程序基本原理和特点

5．2．1 PFC理论背景

5．2．2 PFC模型宏细观性质的联系

5．2．3 PFC求解步骤

5．3 弱胶结砂岩颗粒流模拟的参数标定及结果分析

5．3．1 PFC模型的建立

5．3．2 模型参数的标定

5．3．3 颗粒流模拟结果及分析

5．4 胶结强度对弱胶结砂岩力学及声发射特性的影响

5．4．1 胶结强度对力学特性的影响

5．4．2 胶结强度对声发射特性的影响

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介