煤破坏过程中蠕变——渗流耦合试验研究.pdf
分类号0 3 4 4 .6 U D C5 51 .1 密级公开 硕士学位论文 煤破坏过程中蠕变一渗流耦合试验研究 T H EE X P E R I M E N TS T U D YO NT H EC R E E P .S E E P A G E C O U P L I N GI NP R O C E SS0 FC O A LF A I L U R E 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 贾渊 \ 何峰副教授 工学硕士 工程力学 矿山灾害力学 辽宁工程技术大学 渺 .Ⅳj4qK 州义 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王捏堇本太堂有关保留、 使用学位论文的规定,同意辽宝王猩撞本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名导师签名 山/』年/月如日二汐脾/月加日 万方数据 致谢 感谢国家自然科学基金项目流变.渗流耦合作用下岩体结构损伤规律研究 1 12 0 2 0 9 1 资助。 感谢何峰副教授在我攻读硕士学位期间对我的悉心指导,让我对自己所学习的 领域有了一个全新的认识,并且在生活上对我的嘘寒问暖让我的研究生生涯过的很 愉快;感谢邰英楼副教授对我硕士学位论文写作期间提供的指导与帮助,没有他的 帮助,我不可能顺利的完成学位论文的创作;感谢一起学习过的同学们,是你们让 我学会了什么叫团结友爱,共同进步;感谢董子贤老师对我在试验上的指导和帮助, 让我能够顺利的完成我的毕业设计,感谢你们 我深深地感谢上硕士期间在基础课学习和论文的完成过程中,力学与工程学院 及研究生学院各位老师给予我的指导和帮助。他们的讲授和指导,不但使我增长了 知识,而且使我学到了分析问题、解决问题的能力和技巧。 我还要深深地感谢支持和鼓励我的家人,是他们默默地付出,使我能够无牵挂 地学习,我只有更加努力地学习和工作,才能回报他们的关爱。 最后,向所有关心、帮助和支持过我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢 万方数据 摘要 流变特性是软岩的一项重要的力学性质,尤其在煤矿开采过程中,地表灾害显 现具有滞后性,具有时间效应,表现为蠕变特性;而开采导致煤层覆岩产生裂隙, 当雨天地表积蓄水之后,雨水便会渗透进煤层中,导致煤的力学性质发生改变,导 致地表塌陷、巨洞或滑坡事故。故进行煤峰前峰后的蠕变一渗流耦合规律试验研究 有着很重要的工程意义。 论文应用试验研究和理论分析的方法,对煤峰前峰后的蠕变一渗流规律进行了 研究,其内容为 1 、自主研发三轴蠕变一渗流试验系统,包括加载系统,稳压系统、监测系统、 密封系统;其中加载系统采用手动水泵进行人工加压;稳压系统采用稳压罐来保证 试验过程中压力的稳定;监测系统采用千分表和电阻应变仪两种方式对试件的变形 进行观测,采用密闭式量筒对渗流量进行测量;密封系统采用直径8 0 m m 的热缩管 和密封圈对试件进行密封; 2 、试验采用分级加载法,在峰前的试验当中,首先测量煤体的初始渗流量和 逐级加载压力时的瞬时变形,之后测量煤在当前应力级别下12 小时内的蠕变量和 渗流量,最后拟合出试件的变形量、渗流量与时间的关系曲线图,分析出试件峰前 的裂纹扩展情况及蠕变一渗流特性规律,得出在轴压和围压固定时,随着孔隙水压 的增大,渗流量也不断的增大,并且随着孔隙水压的增大,试件的蠕变量也增大的 规律;并对试验结果采用高斯拟合公式得出峰前蠕变一渗流耦合方程; 3 、在峰后的试验当中,将试件逐级加载至破坏,为了更好的观察峰后的围压、 轴压的变化,在破坏之后将轴压加载至2 0 M P a ,进行2 4 小时的试验,记录试验过程 当中渗流量、轴向变形、轴压、围压的变化并拟合曲线,分析出试件峰后的裂纹扩 展情况、应力松弛规律以及蠕变一渗流特性规律,得出试件破坏后随着轴压逐渐松 弛,轴向蠕变速率逐渐减缓,渗流量逐渐降低,围压增大并逐渐趋于平缓的规律; 并对试验结果采用高斯拟合公式得出峰后蠕变一渗流耦合方程。 关键词煤破坏;蠕变;渗流;耦合试验;峰前峰后 万方数据 A b s t r a c t R h e o l o g i c a lp r o p e r t i e si sa ni m p o r t a n tm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs o f tr o c k ,e s p e c i a l l yi nt h e c o a lm i n i n gp r o c e s s ,s u r f a c ed i s a s t e r s ’Sa p p e a r e n c eh a v eh y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i c s ,h a v et i m e e f f e c t s ,p e r f o r m i n ga sc r e e pp r o p e r t i e s ;b u ta f t e rt h em i n i n gl e a d i n gt ot h eg e n e r a t i o no fs e e m o v e r b u r d e n ’Sf i s s u r e ,w h e nt h er a i nw a t e rs a v eo ns u r f a c e ,r a i nw i l lp e n e t r a t ei n t ot h es e a m ,a n d l e a d i n gt h ec h a n g eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o a l r o c k ,c a u s i n gs u r f a c es u b s i d e n c e ,g i a n t h o l e so rl a n d s l i d ea c c i d e n t ,S Oc o n d u c t i n gat e s to fc o a l r o c k ’Ss e e p a g eC o u p l e dC r e e pb e f o r e a n da f t e rt h ep e a kh a sav e r yi m p o r t a n te n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e . P a p e ra p p l i c a t et h em e t h o d so fs t u d ya n dt h e o r e t i c a l ,m a k i n gas t u d yo ft h el a wo f c o a l r o c k ’Ss e e p a g eC o u p l e dC r e e pb e f o r ea n da f t e rt h ep e a k ,t h ec o n t e s t sa r e 1 ,F o u n d i n gt r i a x i a lc r e e p - s e e p a g et e s ts y s t e mb ym y s e l f , i n c l u d e l o a d i n gs y s t e m ,t h e r e g u l a t o rs y s t e m ,m o n i t o r i n gs y s t e m ,s e a l i n gs y s t e m ;l o a d i n gs y s t e mu s e sm a n u a lp u m pt o p r e s s u r i z ea r t i f i c i a l l y ;r e g u l a t o rs y s t e mu s e sas u r g et a n kt oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h ep r e s s u r e d u r i n gt h et e s t ;m o n i t o r i n gs y s t e mu s e st w ow a y sw h i c ha r ead i a lg a u g ea n dr e s i s t a n c es t r a i n g a u g e st oo b s e r v et h ed e f o r m a t i o no ft h es p e c i m e n s ,a n du s e sc l o s e dc y l i n d e rt om e a s u r et h e s e e p a g e ;s e a l i n gs y s t e mu s e sah e a t s h r i n k - t u b i n gw i t h8 0 m md i a m e t e ra n ds e a l st os e a lt h e s p e c i m e n s ; 2 ,E x p e r i m e n t su s i n gt h eg r a d i n gl o a dm e t h o d ,i nt h et e s tb e f o r ep e a k ,f i r s tm e a s u r i n gt h e i n i t i a ls e e p a g ef l o wa n dt h ei n s t a n t a n e o u sd e f o r m a t i o nw h e np r e s s u r ep r o g r e s s i v e l yl o a d e do f c o a l r o c k ,t h e nm e a s u r i n gc o a l r o c k ’Sc r e e pa n ds e e p a g ef l o wi n12h o u r si nc u r r e n tp r e s s u r e l e v e l ,a tl a s tf i t t i n gt h er e l a t i o nc u r v eo ft h ec r e e p ,s e e p a g ef l o wa n dt i m e ,a n a l y s i s i n go u tt h e c r a c kp r o p a g a t i o nb e f o r et h ep e a ka n dt h el a w so fc r e e pa n ds e e p a g ep r o p e r t i e s ,o b t a i nl a w st h a t w h e na x i a lc o m p r e s s i o na n dc o n f i n i n gp r e s s u r ef i x e d ,w i t ht h ei n c r e a s eo fp o r ew a t e rp r e s s u r e , s e e p a g ef l o wc o n s t a n t l yi n c r e a s e s ,a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fp o r ew a t e rp r e s s u r e ,c r e e po f s p e c i m e n si n c r e a s et o o ;a n d ‘u s i n gg a u s s i a nf i t t i n gf o r m u l at oo b t a i nc r e e p - s e e p a g ec o u p l i n g f u n c t i o n sb e f o r et h ep e a kb a s e do nt h et e s tr e s u l t s . 3 ,I nt h et e s t sa f t e rt h ep e a k ,l o a d i n gt h es p e c i m e n st od e s t r u c t i o ni ng r a d u a l ,a n dl o a d i n g t h ea x i a lp r e s s u r et o2 0 M P aa f t e rt h es p e c i m e n sd e s t r o y e dt oo b s e r v et h ec h a n g e so fa x i a l p r e s s u r ea n dc o n f i n i n gp r e s s u r eb e t t e r ,t e s t i n gf o r2 4h o u r sa n dr e c o r d i n gt h ec h a n g e so fa x i a l p r e s s u r e ,c o n f i n i n gp r e s s u r e ,s e e p a g ef l o w ,c r e e p ;o b t a i n i n gt h el a w st h a ta f t e rt h ed e s t r u c t i o no f t h es p e c i m e n ,w i t ht h eg r a d u a lr e l a x a t i o no fa x i a lp r e s s u r e ,a x i a lc r e e pr a t es l o w s ,S e e p a g ef l o w 1 1 万方数据 d e c r e a s e s ,c o n f i n i n gp r e s s u r ei n c r e a s e sa n dg r a d u a l l yf l a t t e n s ,a n du s i n gg a u s s i a nf i t t i n gf o m a u l a t oo b t a i nc r e e p s e e p a g ec o u p l i n gf u n c t i o n sb e h i n dt h ep e a kb a s e do nt h et e s tr e s u l t s K e yW o r d s r o c k c o a l c r e e p ;s e e p a g e ;c o u p l i n ge x p e r i m e n t ;b e f o r eo r b e h i n dp e a k 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..I A b s t r a c t ......。......。.。....。..。。....。......。...。..。。。..。。。。...。..。.⋯。..。.。....。.....。。.。.......。..。............。.I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.1 1 .1工程背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 .2研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 .3研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 .4研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2煤蠕变.渗流耦合试验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.。8 2 .1煤蠕变.渗流耦合试验仪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 .2煤蠕变.渗流耦合试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 .3煤蠕变.渗流耦合试验仪的组装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..1 2 2 .4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.1 2 3煤峰前蠕变.渗流耦合试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 .1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 3 .2煤峰前蠕变.渗流耦合试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..13 3 .2 .1煤试件规格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 .2 .2加载方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.1 3 3 .2 .3试验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 .3煤峰前蠕变.渗流试验成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.1 6 3 .4煤峰前蠕变.渗流试验数据处理及成果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 .4 .1四组试验的蠕变曲线对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 .4 .2四组试验渗流量与时间关系对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.2 7 3 .4 .3四组试验瞬时应变.轴压关系对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..2 8 3 .5 煤峰前蠕变.渗流拟合方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 3 .6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.3 2 4煤峰后蠕变.渗流耦合试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..3 3 4 .1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 万方数据 4 .2 煤峰后蠕变.渗流耦合试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 .3煤峰后蠕变.渗流成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.3 4 4 .4 煤峰后蠕变.渗流试验数据处理及成果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 .5 煤峰后蠕变.渗流拟合方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.4 2 4 .6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.4 6 5 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..4 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..5 0 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..5 6 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 .1工程背景及研究意义 岩石蠕变现象的产生,是由三个方面的因素构成温度、应力和时间。当蠕变 进入到了加速发展阶段即蠕变的第三阶段,发生蠕变破裂,其再与渗流耦合作用, 均会使煤体失去承载能力并损坏,甚至发生严重事故。岩石的常规静载强度指标一 屈服点及抗拉强度,无法表示岩石抵抗蠕变及蠕变破裂与渗流耦合的能力,通常用 蠕变极限及长期强度表示岩石抗蠕变能力。岩石蠕变为不稳定蠕变,与该临界破坏 概率相对应的应力值是岩石的长期强度,它约为岩石峰值强度的8 0 0 , 6 。 岩石材料的蠕变破裂与渗流耦合,大体上可分为穿晶型破裂和沿晶型破裂两 种。 1 在高应力及较低温度下蠕变时,最终发生穿晶型蠕变破裂与渗流耦合,破 裂前有大量塑性变形,破裂后断面呈延性形态,因而叫蠕变延性破裂。 2 在低应力及较高温度下蠕变时,最终发生沿晶型蠕变破裂与渗流耦合,破 裂前塑性变形很小,破裂后的伸长率甚低,缩颈很小或者没有,在晶体内常有大量 细小裂纹,这种破裂也叫蠕变脆性破裂。 影响煤体的变形与稳定的因素可以分为两类 1 内因即煤体自身的因素,如煤体的结构、材料、组成、风化程度、煤体内 软弱结构面的分布及力学特性等,这类因素制约着煤体产生变形和失稳的可能性。 2 外因即与煤体的贮存环境有关的因素,如地应力、地下水、地温、地震以 及建筑物所施加的外载荷等,这类因素决定了煤体变形和稳定的程度。 只有从内因和外因两方面进行协调研究才能对问题有较深入的了解。但由于煤 体的结构非常复杂,且力学特性又难以精确描述,所以煤体力学还有大量问题有待 解决,很多情况下,经验准则还起着控制作用,所以深入开展煤体蠕变一渗流力学 的研究,促进水工建筑物的设计水平的提高,及大型边坡长期稳定性研究是非常必 要和迫切的。 在水利、矿业、石油、铁路和国防等工程建设中,经常遇到岩体力学问题。岩 体由结构面和结构体组成。结构是指地质过程中所形成的各种界面,如裂隙、层理、 节理、断层等,其特点是 1 强度较低,极容易发生破坏; 2 容易变形,弹性模量很小; 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 形成岩体渗流水的通道。 由于这些特性,一般称其为软弱结构面。结构面把煤体分割成一块块的结构体, 结构体为具有一定几何形状的块体,常称为岩块。岩块比较密实,强度比较高,不 易破坏。岩块之间靠软弱结构面起连结作用,这种连结作用一般比较微弱。因此, 一般岩体的强度显著低于岩块的强度,岩体较岩块更容易变形,渗透性也较岩块高 得多。总之软弱结构面在岩体中起了控制作用。 由于工程岩体特别是软岩的流变性,在流变一渗流耦合情况下,岩体的变形也 将不同程度地呈现出随时间发展的粘性变形。同时岩体常常具有随机分布的空隙、 裂隙与裂纹,随着变形的发展,初始缺陷和裂缝也将不断演化,导致岩体力学特性 恶化。尽管近代的工程设计与建筑技术不断完善,但工程事故仍然屡见不解。岩体 引起的破坏主要有两种一是岩体不均匀变形,导致建筑物的应力重分布,超过承 载极限而发生破坏;二是由于煤体的失稳造成的破坏。后者所引起的后果要比前者 严重得多,常常会造成重大工程事故,在国内外工程建设实践中有很多这样的事例, 如2 0 世纪8 0 年以前,拱坝建设中曾经发生过影响拱坝安全运行的事故、造成损坏 或影响运行的事例约有4 5 起,而由于渗流所造成的事故共2 8 起,占6 2 %。由于基 础而发生问题的大坝在我国也有,如梅山连拱坝、板桥、石漫滩和沟后等大坝失事 都造成了严重灾害。在人工边坡或自然边坡中,也有很多破坏事例,如意大利瓦依 昂水库岸坡的塌落,法国的马尔巴塞坝 M a l p a s s e t 、美国的提堂坝 T e t o n 等。 据统计海州露天矿国家矿山公园,从19 5 3 .2 0 0 9 年之间共发生了9 0 余次滑坡, 平均每年发生1 .6 次滑坡,其中有3 6 次因软弱夹层导致滑坡;降雨,地表水入侵诱 发2 9 次;夹层具有明显的流变特性,又在水的影响下,导致露天矿边坡滑动。 随着煤炭资源深部开采的迅速发展,在地下工程中围岩的大变形问题也日益突 出。围岩的大变形不是瞬间发生的,而是长时间缓慢流变的结果,其中蠕变是流变 的主要形式;另一方面,破碎岩体的导水性强,且遇水后力学性质发生显著变化, 含水状态是影响破碎岩石蠕变性质的一个重要因素.随着时间的增加,围岩常常发 生失稳、塌方、冒顶、深埋洞室的岩爆事故都不胜枚举的,这些煤体的变形和失稳, 常常造成伤亡和重大经济损失,并导致重大工程事故的发生。 地下水在岩体中的存在强烈地影响着煤体的变形和稳定,尤其是对岩体的稳定 起着非常重要的作用。这是因为水不仅产生静水压力和渗流力,还对岩体的力学性 质产生影响,一般是使煤体的强度指标降低,根据统计,约9 0 %的自然边坡和人工 边坡的破坏与地下水有关,3 0 %~4 0 %的大坝失事与岩体中的渗流有关,煤炭工业中 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 0 %的竖井破坏与地下水的活动有关,所以研究煤体中的渗流是一项非常重要而迫 切的任务。近年来这个问题在我国也已经逐渐受到了重视。 岩石变形破坏后其孔隙结构发生变化,因而渗透特性也发生变化,其渗流压力 引起岩石孔隙结构的变形,因此应力对渗流的影响实质上是个耦合问题。 由于岩石种类繁多,组成岩石的颗粒成分大不相同,多孔介质和流体之间的关 系不同,以至于岩石应力发生改变时所引起的轴向应变、环向应变以及体积应变不 同,渗流过程中的孔隙压力差也不同,这些因素都会导致渗流特性发生变化,即使 是同种岩石也是如此,故岩石渗透率与所处的应变状态密切相关。 煤是一种特殊的软岩,具有很强的流变特性,煤本身组成和内部结构复杂。煤 体中的渗流实质上是裂隙渗流,由于渗流对煤体结构应力、变形和稳定产生影响, 而煤体结构的应力和变形反过来又影响裂隙的开度和渗透系数等,这就形成了煤体 渗流与煤体结构相互作用的耦合问题。 因此,含水状态下煤体结构的长期稳定性,特别是蠕变一渗流耦合作用下岩石 变形、破裂、渗流规律研究显得尤为必要。总之 1 开展煤蠕变破坏过程中渗流规律的研究对岩石工程的长期稳定性具有重 要的理论价值和实际意义。 2 有必要从岩石流变问题的基本概念、煤体的流变规律直至岩石工程的流变 问题进行全面系统的研究,这具有重大的现实意义。 3 对采矿引起岩层变形、破裂、沉降引起的地表水系调整规律和降水漏斗, 露天矿开采形成的高边坡的失稳破坏。所以确定岩层变形、破裂过程中渗流规律具 有重要的工程意义。 所以,岩石蠕变破裂与渗流耦合作用规律研究具有科学价值和重要的工程意 义。 1 .2 研究现状 岩石流变的试验研究是建立岩石流变理论的基础,从上世纪3 0 年代G r i g g s 开 始,岩石流变试验一直受到国内外研究者的广泛关注。5 。。日本学者工t o 与S a s a j i m a 从1 9 5 7 年开始对花岗岩试件进行了历时3 0 年的弯曲蠕变试验,研究结果表明花岗 岩之类的硬岩同样会出现粘滞性流动哺1 。H a u D t 于19 9 1 年研究了岩盐的应力松弛特 性,指出在整个应力松弛过程中岩石内部的细观结构仍保持不变,应力松弛则在另 一侧面反映了岩盐内部组织受力后的粘性效应“ 3 。M a r a n in i 与B r ig n o li 对P i e t r a L e c c e s e 灰岩进行了单轴压缩和三轴压剪蠕变试验,认为灰岩蠕变的变形机制主要 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 为低围压下的裂隙扩展与高应力下的孔隙塌陷,蠕变对灰岩本构行为的主要影响为 其屈服应力降低随1 。F u jii 与K i y a m a 对I n a d a 花岗岩和K a m is u n a g a w a 砂岩进行了 三轴蠕变试验,得到了轴向应变、环向应变和体积应变三种蠕变曲线,指出环向应 变可以作为蠕变试验和常应变速率试验中用以判断岩石损伤的一项重要指标旧3 。 在国内,随着近2 0 年来许多大型岩石工程的兴建,极大地促进了国内科技工 作者对岩石流变特性的研究,开展了大量的岩石流变力学试验。陈宗基于19 9 1 年 首次对宜昌砂岩进行了8 4 0 0 小时的扭转蠕变试验,研究了岩石的封闭应力和蠕变 扩容现象n0 | 。杨建辉于1 9 9 5 年描述了砂岩单轴受压蠕变试验中纵横向变形随时间 增长的发展规律,并结合松弛试验中岩石横向变形发展的规律指出,岩石内部裂纹 的发展是横向变形独立发展的原因n 。李永盛于1 9 9 5 年采用I n s t r o n 伺服控制刚 性试验机对大理岩、红砂岩、粉砂岩、泥岩4 种不同强度的岩石材料进行了单轴压 缩条件下的蠕变和松弛试验,观察并分析了岩石的蠕变与松弛规律以及其它时效变 形特点,在此基础上探讨了岩石的流变机制及其对工程变形和稳定的影响。他认为, 在一定水平的常应力作用下,岩石材料一般都出现蠕变速率减小、稳定和增大三个 变化阶段,但各阶段出现与否及其延续的时间则与所观测岩石的性质和施加的应力 水平有关。试验观测到岩石的松弛曲线具有连续型和阶梯型两种典型的变化规律, 造成这种现象的原因主要在于材料本身所具有的力学性质,如初始损伤和介质不均 匀性等n2 | 。夏熙伦于19 9 6 年结合三峡船闸高边坡开挖,对取自船闸区的闪云斜长 花岗岩开展了岩石蠕变特性试验研究。试验结果经分析表明,三峡船闸区花岗岩虽 属坚硬岩石,但其强度仍存在一定的时间效应,且随岩石风化程度增强而更加明显 口3 | 。徐平于19 9 6 年分析了三峡船闸区花岗岩的蠕变试验,认为花岗岩的时间效应 存在一个门槛值,在低应力水平下其蠕变变形相对较小。但当应力超过门槛值后, 变形随时间增加的趋势则急剧增大n4 ’1 5 1 。郭志于1 9 9 6 年通过分析软岩蠕变速度与作 用荷载之间的关系,提出确定临界等速蠕变应力的方法和蠕变强度取值原则u 6 ’1 。。 孙钧于1 9 9 7 年对三峡花岗岩进行了劈裂拉伸蠕变试验,表明蠕变拉伸强度与加荷 速率有关n8 l 。金丰年于1 9 9 8 年对安山岩进行了单轴拉伸和压缩蠕变试验,结果显 示单轴拉伸与压缩蠕变寿命均随蠕变应力的提高而缩短,二者随应力的变化具有十 分相似的规律n9 | 。张学忠于1 9 9 9 年对东山头边坡辉长岩进行了单轴压缩蠕变试验 研究,拟合出蠕变经验公式并提出了蠕变理论模型,确定了岩石的蠕变参数和长期 强度心0 | 。 进入2 1 世纪后,岩石流变试验研究更趋活跃。王金星于2 0 0 0 年通过对花岗岩 进行单轴拉伸与压缩蠕变试验,研究了各向异性对岩石蠕变变形及其速率的影响, 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 且探讨了蠕变应力及变形与蠕变寿命之间的关系心川。李建林于2 0 0 0 年根据三峡工 程永久船闸区微新花岗岩受拉及拉剪蠕变的试验,研究了岩石受拉和拉剪蠕变特 性,给出了岩石受拉、剪的破坏强度曲线,研究了岩石流变等效抗拉强度和等效蠕 变变形模量瞳2 | 。赵法锁于2 0 0 1 年对边坡石膏角砾岩的蠕变特性进行了单轴和三轴 压缩试验研究,提出应注意水和结构对岩石蠕变特性的影响,同时还对破坏后的岩 样进行了电子显微镜扫描分析,从微细观分析了石膏角砾岩的蠕变破坏机理∽3 ’2 4 1 。 杨春和于2 0 0 2 年通过对以往盐岩的蠕变及松弛试验成果的研究,基于损伤力学的 观点提出一个能反映盐岩蠕变全过程的蠕变本构方程,并将其应用到石油钻井工程 中去心5 ’矧。朱定华于2 0 0 2 年通过对南京红层软岩的蠕变试验,发现红层软岩存在有 比较明显的蠕变特性,试验得到的长期强度约是其单轴抗压强度的6 3 % 7 0 %比7 | 。任 建喜于2 0 0 2 年首次采用自行研制的C T 扫描仪配合三轴加载设备,对单轴压缩岩石 蠕变损伤扩展特性进行了C T 实时分析试验,得到了岩石蠕变损伤演化全过程的细 观机理,研究了蠕变损伤演化过程中裂纹宽度、长度的演化规律,并定义了C T 数 减小速率的概念来分析岩石蠕变损伤第三阶段的门槛值心8 | 。陈渠于2 0 0 3 年在不同 围压与不同应力比下,对三种沉积软岩系统地进行了长期三轴蠕变压缩试验研究, 分析了多种软岩在不同条件下的强度和变形特性,探讨了各种软岩的变形、变形速 率、时间依存性等影响因素,从而为预测软弱岩体的长期力学稳定性提供了重要依 据瞳引。赵永辉于2 0 0 3 年针对润扬长江大桥北锚基础岩石的蠕变特性,采用岩石双 轴徐变试验机进行了单轴压缩蠕变试验,并进行了参数拟合分析,获得了岩石粘滞 系数等蠕变参数∞0 | 。李化敏于2 0 0 4 年在自行研制的U C T 一1 型蠕变试验装置上采用 单体分级加载方式对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验。根据试验结果将岩石蠕 变强度与瞬时强度进行了比较,得出蠕变强度与瞬时强度之比为0 .9 左右的结论。 经拟合试验曲线得出了蠕变瞄线经验公式,认为蠕变试验曲线接近对数规律,并建 立了大理岩蠕变理论模型,并求出了相应的蠕变参数口1 | 。徐卫亚于2 0 0 5 年采用岩 石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩蠕变试验,研究了绿片岩在不同围压 作用下的轴向应变及侧向应变随时间的变化规律。研究表明,围压对轴向蠕变变形 存在很大的影响,围压越大,相应的轴向蠕变变形量越小。与轴向应变相比,低应 力水平时侧向应变的蠕变变形不明显,但在破裂应力水平时,即使存在围压的限制 作用,岩石侧向蠕变变形仍很大。同时,蠕变速率的变化明显受到应力水平的影响, 在破裂应力水平时,岩石的轴向和侧向蠕变速率明显具有不同的特征,轴向应变速 率有初期蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变3 个阶段,而侧向蠕变速率仅有稳态蠕变及 加速蠕变阶段。在出现加速蠕变阶段的破裂应力水平时,岩样的轴向和侧向蠕变速 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 率均更为迅速,从而使得岩样破裂也更为短暂阳2 1 。赵延林于2 0 0 8 年采用分级增量 循环加载和单级加载相结合的方式,对金川矿区二辉橄榄岩进行了单级加卸载蠕变 试验,揭示了岩石蠕变全阶段的非线性流动规律∞引。 上述岩石蠕变试验研究了岩石在单轴或三轴应力作用下受压、拉、弯曲、扭转 等应力状态下应变随应力及时间的变化规律,但在绝大多数试验及试验结果的后续 研究中都没有考虑煤破碎后的蠕变一渗流情况,而考虑到实际的工程情况,考虑到 破碎后煤的蠕变一渗流耦合试验更符合实际情况,故论文在前人的基础上设计了破 碎煤的蠕变一渗流耦合试验,对相应的理论分析提供一定的试验依据。 1 .3研究内容 运用物理试验和理论分析的研究方法,对煤进行峰前峰后蠕变一渗流耦合研究, 以解决岩石工程的长期稳定性问题,研究内容如下 1 、自主研发三轴蠕变一渗流试验系统,包括加载系统,稳压系统、监测系 统、密封系统; 2 、试验采用分级加载法,在峰前的试验当中,首先测量煤体的初始渗流 量和逐级加载压力时的瞬时变形,之后测量煤在当前应力级别下12 小时内的蠕变 量和渗流量,最后拟合出试件的变形量、渗流量与时间和瞬时应变、初始渗流量与 轴压的关系曲线图,分析出试件峰前的裂纹扩展情况及蠕变一渗流特性规律,并根 据试验结果拟合出煤的蠕变一渗流方程; 3 、在峰后的试验当中,将试件逐级加载至破坏,为了更好的观察峰后的围 压、轴压的变化,在破坏之后将轴压加载至2 0 M P a ,进行2 4 小时的试验,记录试验 过程当中渗流量、轴向变形、轴压、围压的变化并拟合曲线,分析出试件峰后的裂 纹扩展情况、应力松弛规律以及蠕变一渗流特性规律,并拟合方程。 1 .4 研究思路 主要是运用物理试验的研究方法,研究岩石工程的长期稳定性,技术路线图见 图1 .1 。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 三轴蠕变.渗流试验 上 试样加工及试验设计 //\ 峰前蠕变.渗流试验峰后蠕变.渗流试验 \/ 分析试验数据并拟合曲线 J r 煤岩破碎过程中的蠕变.渗流耦合规律并拟合方程 1r 蠕变一渗流耦合规律 图1 .1技术路线 F i g .1 .1 R e s e a r c hd i a g r a m 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 煤蠕变一渗流耦合试验系统 岩石的蠕变是岩石一种十分重要的力学特性,随着我国经济和工业的发展,大 型岩石工程也面临着越来越多复杂的情况,所以对复杂条件下的岩石流变特性韵研 究也就日趋重要。同样,在煤的开采中也会遇到同样的问题,在长时间的静载荷作 用下,煤会逐渐变形并产生裂隙,使地下水渗出。在煤层开采中,煤体蠕变的问题 和与之俱来的地下水渗透问题一直是近年来十分关注的一个重要问题。经过长期的 蠕变,顶板下沉,使支撑煤柱在其压力之下逐渐变形而屈服,最终导致顶板由于失 去支撑而垮塌冒落,并且会导致地下水流入从而导致很多工程安全问题的发生。据 统计9 0 %的岩质边坡破坏与6 0 %的矿井事故都与地下水有关,由此可以看出,煤峰 前峰后的蠕变一渗流规律是煤矿安全开采的一项重要课题。 前人研究的目标主要放在煤未被破坏前的蠕变一渗流规律,而对煤峰后的蠕变一 渗流规律涉及甚少。论文在前