人工冻结侏罗系砂岩力学特性及本构模型参数试验研究

论文摘要

随着我国社会主义的不断进步,经济建设的不断加快,我们对于煤炭能源的需求也是不断增加的,且我国中东部地区的煤矿资源也趋于枯竭,所以国家提出了西部大开发战略和重新制定了新形势下的能源战略布局。不同于中东部矿区,我国西部地区的矿井建设多穿越厚度很大的白垩系、侏罗系深埋煤系富水地层,多采用冻结法施工,但该系岩层其成岩时间较晚、胶结性差、抗剪强度较低且容易风化、遇水容易软化崩解,为西部矿井建设带来很多难点。而国内外对于侏罗系、白垩系等弱胶结岩石物理力学性质的试验研究和相关理论的分析还是不够全面,因此进行人工冻结侏罗系砂岩力学特性和强度准则试验研究对西部矿井建设具有重要的参考价值。本文以陕西省榆林市巴拉素矿井建设为背景,以侏罗系直罗组岩石为研究对象,采用电控伺服液压岩石三轴仪、核磁共振仪和电镜扫描等装置,探究侏罗系中砂岩低温状态下的物理力学特性,并进一步探究了侏罗系砂岩的损伤本构模型。具体工作和成果如下:侏罗系中砂岩的主要矿物成分为方解石、长石、石英等大颗粒矿物,其次是伊利石、高岭石等黏土矿物,除此以外还有一些含量很少钙、铁化合物等。通过电镜扫描成像,我们可以看到岩石结构是由石英、方解石、长石等较大块的矿物颗粒相互拼搭构成主要骨架,然后再由伊利石、高岭石等黏土矿物胶结填充而形成整体。通过对侏罗系中砂岩进行不同温度下的单、三轴压缩试验,分析岩石压缩变形全过程的应力-应变曲线得到:在相同围压条件下,侏罗系砂岩的抗压强度随着冻结温度的下降而不断增大,但因为冻结温度的不断下降,其抗压强度的增幅不断减小,呈现二次曲线上升,关系式为:P)82（-0.1198T2（10）18.564。此外,随着温度的降低,岩石压密阶段的应变值也不断减小,但其弹性压缩阶段的弹性模量却不断变大;在相同温度条件下,随着围压的不断增大,其岩石的抗压强度也不断增大,且呈明显的线性关系,温度不同其线性参数也会不同。同样的,随着围压的增加,岩石压密阶段的应变值有所减小,弹性压缩阶段的弹性模量不断变大。采用核磁共振技术测定岩石的孔隙度,随着温度的降低岩石的孔隙度不断减小,但随着温度的下降其孔隙度的减小幅度也会不断下降,岩石的冻结孔隙度与温度也成二次线性关系关系式为:y）82(-0.0355T2-.08812T（10）.46187,与岩石抗压强度随温度的变化规律有明显的相似之处,对比发现随着冻结孔隙度的增加岩石抗压强度近似成指数增加。并基于库伦摩尔破坏准则得到岩石的力学参数,发现随着温度的降低,侏罗系中砂岩的内摩擦角不断地增大,但随着温度的进一步降低,这种增大会趋于平缓,而岩石凝聚力也是随着温度的降低而增大,但渐渐趋于平稳,甚至出现减小的情况。最后,推导了基于Weibull分布的岩石损伤软化模型,该模型能很好的反映侏罗系岩石在复杂应力状态下的压缩变形全过程,特别是岩石的峰后软化情况。并通过考虑压缩变形过程中应力-应变曲线存在极值的特征和结合岩石峰后的应变软化情况,采用数值分析的方法来求解模型参数F和m,结果分析得到:随着温度的降低,参数m值总体呈减小趋势,而F值总体呈增大趋势。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄益顺

导师: 程桦

关键词: 侏罗系中砂岩,冻结孔隙度,核磁共振,库伦摩尔准则,损伤软化模型

来源: 安徽建筑大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 安徽建筑大学

分类号: TU45

总页数: 88

文件大小: 6866K

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