温湿环境下深井软岩强度软化试验研究

摘要

本课题来源于黑龙江省教育厅科学技术研究项目“深部软岩水理物化特性和强度软化机理研究”（12511480）、黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项目“温湿环境下深井软岩强度软化试验研究”（YJSCX2013-004HKJ）、中国矿业大学（北京）中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“深井黏土类软岩水理特性研究”（2010QL07）。　　煤矿深部开采后，巷道围岩长期处于高地温、高潮湿环境，其在温湿环境下的水理作用特性及强度软化规律亟待研究。本文针对深井软岩在温湿环境下的水理作用特性及强度软化规律做了如下研究：　　1.温湿环境下深井软岩水理作用特性研究。　　实地取得黑龙江鹤岗中砂岩、七台河中砂岩、云南富源细砂岩、山东莱芜红砂岩岩体，试验室内钻芯取样、切割、磨制成型，并对四种岩石的物理性质进行测定。将鹤岗中砂岩、七台河中砂岩、云南细砂岩短岩样分为有初始含水率和干燥岩样两组，均置于30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95％）下进行吸水测试，研究温湿环境下有无初始含水率深井软岩吸水特性；将云南细砂岩和山东红砂岩置于30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95%）下进行长达90d的吸水测试，研究深井软岩在长期温湿环境下的水理作用特性。结合SEM（扫描电镜）、XRD（X-射线衍射）、压汞试验等测试手段，对深井软岩岩样微观形貌特征、矿物组成成分及其相对含量、孔隙微观结构特征进行测定，研究温湿环境下深井软岩吸水影响因素。　　2.温湿环境下深井软岩强度软化规律研究。　　对在30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95%）下吸水的云南细砂岩和山东红砂岩，在其吸水时间为30d、60d、90d时，以及干燥和饱水状态的岩样均进行单轴压缩强度试验。对在30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95%）下吸水达到气液平衡状态的云南细砂岩岩样，以及干燥和饱水状态的岩样进行劈裂抗拉强度试验；同时对云南细砂岩干燥岩样，进行劈裂方向与层理面夹角为0°、30°、90°的劈裂抗拉强度试验。对在30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95%）下吸水达到气液平衡状态的山东红砂岩，以及干燥和饱水状态的岩样进行变角（45°、55°、65°）剪切强度试验。　　本文的创新点在于揭示温湿环境下深井软岩的水理特性及强度软化规律。　　通过以上内容的研究，获得如下成果：　　1.深井软岩不管是否具有初始含水率，在温湿环境下吸水，一定时间后均达到气液平衡状态，吸水温度越高，软岩吸水速率越快，最终吸水量越大，达到气液平衡状态所需时间越短。温湿环境下有初始含水率的软岩岩样吸水过程函数为Qt=Q0+ a(1-e-bt)，吸水特征曲线大多呈直线型；干燥岩样吸水过程函数为Qt= a(1-e-bt)，吸水特征曲线大多呈上凸型。结合SEM、XRD、压汞试验，分析得出影响软岩吸水的主要因素为吸水温度、软岩中黏土矿物含量、黏土矿物种类及产状特征、以及软岩微观孔隙结构特征。　　2.软岩岩样在温湿环境下单轴压缩强度随时间增长的衰减函数（公式省略）；软岩岩样在温湿环境下单轴压缩强度随因吸水温度增加而含水率增加的衰减函数（公式省略）。　　3.软岩随吸水温度增加而含水率增大时，其劈裂抗拉强度呈负指数衰减趋于饱水劈裂抗拉强度，其衰减函数为：Rtw=Rtas+(Rtc－Rtas)×e-bw；软岩劈裂抗拉强度当劈裂方向与层理面垂直时最大，劈裂方向与层理面平行时最小。　　4.随着岩样吸水率的增加，砂岩凝聚力呈负指数衰减趋势趋于岩样饱水时凝聚力，含水率对砂岩凝聚力的影响远远大于对内摩擦角的影响；本文山东红砂岩在温湿环境下进行变角剪切强度试验，得出其抗剪强度衰减函数（公式省略）。

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1 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究目标

1.5 研究方案

2 深井软岩物化特性与孔隙结构特征

2.1 岩样的选取及制作

2.2 岩样基本物理参数

2.3 深井软岩矿物成分特征

2.4 深井软岩微观形貌特征

2.5 深井软岩孔隙结构特征

2.6 本章小结

3 温湿环境下深井软岩水理作用特征

3.1 引言

3.2 有无初始含水率软岩水理作用特征

3.3 深井软岩在长期温湿环境下水理作用特征

3.4 温湿环境下深井软岩吸水特性影响因素分析

3.5 本章小结

4 温湿环境下深井软岩强度软化特征

4.1 引言

4.2 温湿环境下深井软岩单轴压缩强度软化特征

4.3 温湿环境下深井软岩劈裂抗拉强度软化特征

4.4 温湿环境下深井软岩变角剪切强度软化特征

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 本文主要创新性成果

5.3 展望

参考文献

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