粒度对红砂岩力学性质的影响规律试验研究

摘要

煤系地层多以沉积岩为主，其力学性质与采煤工程中的许多进程相关：巷道的支护、顶底板的维护及保护煤岩柱的留设等。且对煤炭开采的安全性极其重要。以煤矿领域常见沉积岩——砂岩为例，研究粒度如何影响岩石的力学性质、破坏过程及破坏形式对工程建设等领域具有重要意义。
　　本文在国家自然科学基金（编号：51474134、编号：51774194）、山东省自然科学基金杰出青年基金项目资助（编号：JQ201612）资助下，针对粒度影响红砂岩力学性质的规律与机制，通过岩石力学试验、微细观试验和数值模拟试验展开了研究。
　　对两种不同粒度的红砂岩进行了单轴拉伸试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验，研究分析后发现：与粗粒度试件相比，较细粒度红砂岩试件的单轴抗拉强度、单轴抗压强度与三轴抗压强度相对较高，内部结构致密，失去承载能力时，岩石破碎程度高，内部颗粒之间的胶结程度高，试件的密实性较好。
　　对两种不同粒度的红砂岩进行了单轴压缩试验及单轴循环加卸载声发射信号特性试验，研究分析后发现：单轴压缩过程中，与较粗粒度红砂岩相比，较细粒度红砂岩的峰值强度、弹性模量、峰值应变增幅分别为23.47%、18.01%、-4.7%。循环加卸载过程中，与较粗粒度红砂岩相比，较细粒度红砂岩的峰值强度、弹性模量、峰值应变增幅分别为43.64%、16.40%、-1.81%。
　　对两种不同粒度的红砂岩进行了微细观结构方面的研究，采用光学数码显微镜、SEM电镜扫描设备和X射线衍射仪，研究分析了红砂岩的细观结构与矿物组分特征，发现颗粒的粒度是影响红砂岩内部空间结构及稳定性的主要原因。
　　对两种不同粒度的红砂岩进行了数值模拟方面的研究，利用颗粒流数值模拟软件PFC模拟多种不同粒度下的红砂岩力学响应规律及力学性质。研究发现，随粒度范围的逐级增大，模型试件破坏时的微裂纹数量、应变能指数由急剧下降转变为缓慢下降，最后趋于平缓，峰值强度总体呈现出逐渐降低趋势。细粒度模型试件具有较低的起裂应力，微裂纹萌生、发育的开始阶段较早。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

目 录

Content

1 绪论

1.1 课题的提出

1.1.1 课题的目的及意义

1.2 研究方法和研究现状

1.2.1 粒度对岩石力学性质的试验研究

1.2.2 粒度对岩石力学性质的数值模拟研究

1.2.3 岩石力学性质微细观作用机理研究

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 红砂岩常规压缩试验

2.1 试样制备

2.2 离散性分析

2.3 红砂岩单轴拉伸试验

2.3.1 试验仪器及设备

2.3.2 红砂岩单轴拉伸试验结果分析

2.4 红砂岩单轴压缩试验

2.4.1 单轴压缩试件强度特征

2.4.2 单轴压缩试件破坏特征

2.4.3 红砂岩全应力应变曲线

2.5 红砂岩三轴压缩试验

2.5.1 试验仪器及设备

2.5.2 加载速率设置

2.5.3 三轴压缩试件强度特征

2.5.4 三轴压缩试件破坏特征

2.5.5 红砂岩三轴压缩全应力应变曲线

2.6 本章小结

3 红砂岩单轴压缩及循环加卸载声发射信号特性试验

3.1 声发射及其试验系统

3.2 红砂岩常规单轴压缩声发射特性试验

3.2.1 红砂岩单轴压缩试验结果及分析

3.2.2 红砂岩单轴压缩声发射特性分析

3.3 红砂岩循环加卸载声发射特性试验

3.3.1 实验方案

3.3.2 红砂岩循环加卸载试验结果及分析

3.3.3 红砂岩循环加卸载声发射特性分析

3.4 本章小结

4 不同粒度红砂岩微细观结构变化规律试验

4.1 红砂岩微细观结构试验设备及使用

4.1.1 光学数码显微镜设备及使用

4.1.2 扫描电子显微镜设备及使用

4.1.3 X射线衍射设备及使用

4.2 红砂岩微细观结构试验结果及分析

4.2.1 光学数码显微镜观测结果及分析

4.2.2 扫描电子显微镜观测结果分析

4.2.3 X射线衍射观测结果分析

4.3 本章小结

5 不同粒度红砂岩数值模拟试验

5.1 PFC及其接触模型选择

5.2 参数选择

5.3 数值模拟方案

5.4 数值模拟结果分析

5.4.1 粒度对于强度影响分析

5.4.2 粒度对破坏形式影响分析

5.4.3 粒度与岩石压缩过程中的微裂纹关系

5.4.4粒度与岩石压缩过程中应变能关系

5.5 本章小结

6 粒度对红砂岩力学性质影响规律与机制

6.1 粒度与红砂岩宏观力学性质

6.2 粒度与红砂岩细观力学特征

6.3 红砂岩细观力学特征与宏观力学性质

6.4 本章小结

7 结论及展望

7.1 主要结论

7.2 论文创新点

7.3 论文不足及展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致谢