弱胶结软岩立井围岩破坏机理与工程应用

摘要

弱胶结软岩是我国西部矿山广泛分布的一类特殊软岩，由于其强度低，胶结差，遇水后易软化、崩解、岩质迅速劣化，致使立井掘砌、支护施工困难，井筒变形、井壁破裂等工程事故时有发生，弱胶结软岩立井围岩破坏机理及防治是西部煤矿立井建设亟待解决的问题。本文以弱胶结软岩和立井为研究对象，利用试验、理论分析和数值模拟等方法，对弱胶结软岩的力学特性、水解机制、应力-渗流耦合规律、围岩压力等方面展开研究，主要研究成果如下：
　　（1）软岩宏细观力学性质和水解机理研究。在西部弱胶结软岩矿区采集粗砂岩、细砂岩、泥岩典型岩样，通过室内压缩试验，分析了软岩在单轴和三轴压缩下的应力-应变曲线和破坏特征；使用X-探针对不同浸水时间泥岩的细观结构和组成成分进行分析，得出粘土矿物吸水引起颗粒边缘由不规则锯齿状趋向浑圆、孔洞变大是泥岩内部结构疏松，强度降低的主要原因；建立与弹性模量相关的损伤变量，通过试验数据得出损伤演化方程，将参数代入到数值计算模型，得出泥岩层的损伤使立井围岩的软弱岩层力学性质进一步劣化，水平方向地压加大。
　　（2）贯通裂隙岩体应力-渗流耦合试验。采用螺旋CT和三维激光扫描仪测量岩石裂隙宽度和岩石节理面粗糙度，GEOMAGIC软件提取节理面的三维坐标，通过计算获取的试件节理面的突起高度方差均值和起伏角均值；在TAW-2000M岩石三轴伺服试验仪上进行了法向应力-渗流耦合试验，分析了法向应力、水压对裂隙岩体渗透性的影响，根据渗透系数表达式中的参数与节理面突起高度方差均值、起伏角均值的关系，推导出包含节理面粗糙度、法向应力和水压的渗透系数计算公式。
　　（3）组合岩体应力-渗流耦合理论分析。基于三维应力下的裂隙-岩块位移模型，推导出了裂隙两侧为不同岩块的裂隙岩体渗透系数理论计算公式，对试验过程中受力状态进行简化，得到试验验证的理论计算式，通过理论分析及试验获取裂隙法向刚度系数和岩体变形模量，采用数控机床切割、组合三种裂隙岩体进行试验，对所推导渗透系数公式的正确性及适用性进行了初步验证。
　　（4）裂隙岩体剪切-渗流耦合试验及分析。将TAW-2000M岩石三轴伺服试验仪的试件装载设备进行改造，轴向荷载转化为剪切荷载，实现了岩石三轴仪上的剪切-渗流耦合试验，制备具有相同起伏角的粗砂岩、细砂岩、粗细砂岩组合岩体试件，根据试验结果，分析了剪切应力、法向变形、渗透系数随剪切位移的变化规律，对Barton抗剪强度准则进行了修正，并运用到的立井倾斜岩层围岩应力的数值计算中，结果显示围岩软弱夹层应力集中与岩层倾角有关，与下层硬岩接触区域为井筒易发生破损区段
　　（5）立井内井壁水压确定和井壁结构优化。对立井围岩注浆前后的渗流场进行分析，井壁及地层渗流采用轴对称径向稳态水渗流计算模型，得到注浆前后井壁承受的水压力系数和水压的计算公式，将求解的水压施加于井筒，按轴向线性分布厚壁圆筒空间轴对称问题的解析解求解井筒的应力分布和位移，根据工程算例进行了井壁结构设计的优化。

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1 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 水-软岩相互作用

1.2.2 岩体节理面粗糙度、隙宽量测和渗流机理

1.2.3 裂隙岩体应力-渗流耦合

1.2.4 立井围岩压力计算

1.2.5 立井井筒应力计算

1.2.6 井壁结构优化

1.2.7 现有研究中存在的问题

1.3 本课题的研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线和研究内容流程图

2 弱胶结软岩力学性质和水解机理分析

2.1 引言

2.2 工程地质概况

2.3 弱胶结软岩三轴压缩试验及破坏特征

2.3.1 试验目的

2.3.2 试验仪器

2.3.3 现场取样

2.3.4 试件制备及试验工况

2.3.5 试验步骤

2.3.6 弱胶结软岩力学特性及破坏形态分析

2.4 软岩水解机理及立井围岩损伤演化

2.4.1 软岩水解试验

2.4.2 水解试验结果分析

2.4.3 软岩水解及对围岩稳定性影响

2.5 本章小结

3. 裂隙岩体法向应力-渗流耦合试验与机理分析

3.1 引言

3.2 试件制备及节理面量测

3.2.1 试件制备

3.2.2 节理面粗糙度和隙宽的测量

3.3 法向应力-渗流耦合试验

3.3.1 试验仪器与试验原理

3.3.2 裂隙面上的法向应力

3.3.3 试验工况及试验步骤

3.3.4 实现裂隙单向流的试验方法

3.4 法向应力-渗流耦合机理分析

3.4.1 法向应力和渗透压差对渗透系数的影响

3.4.2 考虑节理面几何参数的渗透系数计算公式推导

3.5 本章小结

4. 组合岩体应力-渗流耦合理论分析

4.1 引言

4.2 组合岩体应力-渗流耦合计算模型

4.2.1 裂隙岩体的本构关系

4.2.2渗透系数计算模型分析

4.2.3 渗透系数公式试验验证受力简化分析

4.2.4 组合岩体法向刚度的确定

4.3 组合岩体渗流试验

4.3.1 试件制备

4.3.2 试验结果及分析

4.3.3 岩块和裂隙面物理参数的确定

4.3.4 复合岩体渗透系数理论计算公式验证

4.4 本章小结

5 裂隙岩体剪切-渗流耦合试验及分析

5.1 引言

5.2 裂隙岩体剪切-渗流耦合试验

5.2.1试验装置工作原理

5.2.2试件装载设备的改造

5.2.3 试验工况和试验步骤

5.3 试验结果分析

5.3.1应力与位移

5.3.2法向变形与位移

5.3.3渗透系数与位移

5.3.4 渗流条件下抗剪强度分析

5.4 立井倾斜围岩应力的数值计算

5.4.1 数值模型的建立

5.4.2 数值模拟分析

5.5 本章小结

6 考虑渗流作用的内井壁水压分析及井壁结构优化

6.1 引言

6.2 内井壁水压分析

6.2.1渗流场作用下注浆前后井壁受力分析

6.2.2工程算例

6.2.3 数值计算

6.3 软岩立井凿井监测

6.3.1 监测方案和实施

6.3.2 工程应用及实测数据验证

6.4 内井壁应力分析及结构优化

6.4.1 计算模型

6.4.2 轴向线性分布厚壁圆筒空间轴对称问题理论

6.4.3 工程算例

6.5 本章小结

7. 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

致 谢