与煤炭开采持续承压水压力和采动应力成为力量的来源。受到他们的联合行动,地板不透水层发生弯曲变形。弯曲的地板不透水层,裂缝形成,发展,和渗透,从渗流和水流变化动荡和冲进工作面,这可能会导致突水灾害。

一个简化的模型如图 1,建立了基于以下假设: (1)

假设地面不透水层在实际工程作为一个圆形薄板相对于地层;薄圆盘的自重岩石样本将被忽略。

如图 1 (c),外围夹紧相当于一个力偶, 米 ,一种力量, F / 2 π 一个 。 一个 是薄圆盘的半径的岩石样本, F 圆周负载应用材料试验机,和一个扣环是用来行动的环形上表面薄盘岩石样本。

为了模拟起伏和破损的地板不透水层,实现耦合的弯曲变形和水流在地板上不透水层,一个测试系统,可以进行耦合bending-seepage测试是设计和制造 3, 24]。它由一个轴向加载子系统,孔隙压力加载和控制子系统,渗透仪子系统、数据采集与分析子系统。测试系统的整体设计如图 2。

作为测试系统的核心,渗透仪子系统包含一个底板,一个圆柱体,透水活塞,锥形硬度计压头,扣环,海豹,等等,如图 3。薄盘岩石样品固定扣环和圆锥压头之间。至关重要,严格密封的外边界样本之间的空隙和气缸壁采用高水材料,并确保液体只岩石样本中流动但不是从周围的空隙渗透之前和期间加载过程。

测试采用稳态渗透方法。提供了稳定的孔隙水压力驱动油压的孔隙压力加载和控制子系统。水流通过压力传感器、流量传感器、进气板底部,进入圆锥压头,均匀分布的下表面薄盘岩石样本模拟承压水压力的作用不透水层的地板上。活塞的轴向载荷应用到渗透仪,然后装到上表面的薄盘岩石样本通过扣环圆周负载。集中力的双向行为下的锥形硬度计压头和圆周负载的扣环,岩石样品进行了弯曲变形,这是用来模拟地面起伏弯曲变形的地板不透水层由于开挖扰动。

图 4显示了此基础( F 量 u )曲线的灰色砂岩,红色砂岩与两种不同的厚度。他们有相似的变化特征,可分为四个阶段 O 一个 量 一个 B 量 B C 量 C D E ,如图 5。

的部分 O 一个 段是短而陡。本节包含自适应调整和弹性变形的薄圆盘结构均匀的水压力和弯曲荷载。显然,薄圆盘样品低弹性变形。

的 一个 B 段是一条直线与一个非常小的斜率;变形显著增加,而承载力增加非常小的在此阶段。产生大的塑性变形,结构和微裂隙的圆盘发芽和发展;底鼓的发生 一个 B 节( 16, 25, 26]。

的 B C 部分有很大的斜坡。随着变形的增加,负荷大幅增加,薄盘结构的承载能力加强。在这个阶段,薄圆盘内的裂纹扩展变化定性,微裂隙不断发展壮大,形成宏观裂纹,内部结构的薄圆盘逐渐受损。虽然薄圆盘结构仍在整体状态,内部裂缝迅速渗透。薄盘结构的承载力达到峰值点 C ,这是列在表中 2。提出了厚盘岩石样本有一个更大的峰值负载,红色砂岩的峰值相同厚度大于的灰色砂岩,和灰色砂岩的位移小于红色砂岩。

峰值后, C D E 是postfracture阶段。裂缝相交在这一阶段,分裂扩大孔隙水压力的作用下,美国宏观裂缝表面形成,和岩石滑块沿断裂表面,这可能会导致突水( 27, 28]。样品的承载力降低慢慢随着变形的增加 C D 然后在迅速下降 D E ,薄圆盘结构崩溃,直到其承载能力完全丧失。一般来说,如果地板的变形和胀行为没有及时处理项目中的峰值之前,它可以弥补 C D 部分。因为地板上仍然有其承载力,还为时不晚来控制地面变形和胀行为通过灌浆。掌握裂纹萌生和传播的特点,可以更好地指导灌浆。

图 6显示了加载时( F 量 t )曲线和permeability-time ( k 量 t )曲线的灰色砂岩,红色砂岩与两种不同的厚度。

完整的薄圆盘的渗透性岩石样品大约是10^-17年米²在实验的开始,这是符合标准的完整的岩石样本的测试结果( 29日- - - - - - 37]。它增加迅速发生弯曲破坏几秒钟后,从渗流同时湍流水流变化,然后,可能发生突水。在这个过程中,渗透率演化从10^-17年米²10^-11年米²,增加6个数量级。其进化规则显然是不同于标准的岩石样本( 32],渗透率通常增加3到4个数量级后postpeak力量。显然,薄盘结构的渗透率变化很大程度上与更强的突变,因为薄盘的应力分布和裂缝演化是不同于标准的岩石样本。

如图 6渗透率总是落后于峰值负载峰值,表明它仍然有时间和机会采取措施防止突水灾害,这是一致的 C D 部分在图 5。表 3列表峰值负载的发生时间和峰值渗透性,以及滞后时间。

示例GS05经历了最长的时间;这是因为样品的外边界之间的密封材料和气缸壁压实了很长一段时间。密封材料的压缩只延长测试时间,但不会影响样品的变形测量。因为实验操作的差异,四个样品的峰值负载和渗透率发生时间单独不能相比。只能分析滞后时间;这表明灰色砂岩的滞后时间长于红色砂岩。这是因为薄圆盘的脆性行为postfracture阶段是不同的,这与裂纹扩展。滞后时间越长,时间越长,可用于突水预防和控制,更有效的突水风险可以降低。

图 7显示了弯曲破坏模式的四个薄圆盘岩石样本。5毫米厚度圆盘岩石样本隔板形成裂缝弯曲破坏后,如图 7(一)和 7 (c)。10毫米厚度圆盘样品,帽沿锥形面块削减了大约45°倾角,如图 7 (b)和 7 (d),隔板裂缝也出现在盖块。

显然,当薄盘岩石样本bending-seepage耦合条件下,他们的失败行为属于结构失效的问题。不仅是相关的材料性能,而且结构属性和外力的特征。为了深入分析弯曲破坏行为,薄盘的应力分布和裂缝演化应该进一步研究岩石结构。

基于简化模型图 1 (c)周向载荷, F 孔隙压力, 问 在测试期间,可以测量及时;集中力量, P 力偶, 米 可以计算的 (2) P = F − 问 π 一个 2 , 米 = 一个 2 F 2 π − 问 一个 。

在极坐标系,如图 1、薄圆盘的横向加载岩石样本是对称的 z 设在,竖直板的脸。偏转, w 的弹性薄圆盘也是对称的 z 设在,它是一个函数 r 但不改变 θ 。薄盘岩石样本axial-symmetrically弯曲时,微分方程的偏转 (3) d 2 d r 2 + 1 r d d r d 2 w d r 2 + 1 r d w d r = 问 D , 在哪里 D = E δ 3 / 12 1 − υ 2 薄圆盘的抗弯刚度和吗 E 和 υ 分别是弹性模量和泊松比。

半逆方法用于解决微分方程( 3);通解的偏转薄盘岩石样品 (4) w = 问 64年 D r 4 + 一个 1 r 2 + 一个 2 r 2 ln r 一个 + 一个 3 ln r 一个 + 一个 4 , 在哪里 一个 1 , 一个 2 , 一个 3 , 一个 4 系数,确定边界条件。

根据力学模型的边界条件,表示为偏转 (5) w = 问 64年 D 一个 2 − r 2 2 + P 8 π D 1 2 一个 2 − r 2 + r 2 ln r 一个 。

应用方程( 5),薄圆盘内的挠度分布沿半径方向岩石样品在不同加载时间可能获得。

当挠度分布沿半径方向 P = 0 如图 8(一个)。这表明当薄盘岩石样本只有孔隙压力的作用下,样品GS05的最大变形量,GS10, RS05,和RS10是0.0191,0.00374,0.0264,和0.0046毫米。可以推断,薄层不透水层,变形越大造成的承压水压力。

图 8 (b)显示了挠度分布峰值负载时的外表, P = P 马克斯 GS05样本的最大变形量,GS10 RS05,和RS10是0.0218,0.0132,0.0797,和0.0203毫米。开采扰动诱发进一步弯曲变形的地板上。的共同作用下采动压力和承压水压力,地板的挠度不透水层是1.2到4倍,仅在承压水压力。

值得注意的是,这些弹性极限承载位移变形量。从表中的值位移是不同的 2,这不仅包括薄圆盘的变形岩石样品密封材料的变形和断裂后样品的位移。

的最大变形量都发生在薄圆盘中心的岩石样本时 P = 0 和 P = P 马克斯 ;因此,圆盘的中心是危险的位置,光盘可能打破。

砂岩是一个典型的脆性材料在室温下;它的弹性变形是弱。薄圆盘的弯曲破坏岩石样本主要力量的结果,而不是刚度。因此,除了分析盘变形,应力分布应该强调。

如图 9所示,通过分析微量元素的薄盘岩石样本,计算元素的内力方程如下: (6) 米 r = − D d 2 w d r 2 + υ r d w d r = − P 4 π 1 + ln r 一个 + υ ln r 一个 + 问 16 1 + υ 一个 2 − r 2 − 2 r 2 , 米 θ = − D 1 r d w d r + υ d 2 w d r 2 = − P 4 π υ + ln r 一个 + υ ln r 一个 + 问 16 υ 一个 2 − 3 r 2 + 一个 2 − r 2 , 米 r θ = 0 , F 年代 r = − D d 3 w d r 3 + 1 r d 2 w d r 2 = − P 4 π r 2 + ln r 一个 + 问 16 r 一个 2 − 9 r 2 , F 年代 θ = 0 。

使用方程( 6),内力沿半径方向的分布可以得到解决和绘制,如图 10。

见图 10 ()反向弯曲的角度 米 r 约0.01米的距离圆盘的中心。当 r < 0.01 m,盘的上表面是在较低的表面张力和压缩,当 r > 0.01 米,这是恰恰相反。所有的样品除了GS05的最大价值 米 r 中心,它是最危险截面。特别是,最大的价值 米 r 发生在GS05样品的边缘。中心中的值略低于在边缘;中心和边缘截面是危险的部分。

从图可以看出 10 (b)这一 米 θ 分布曲线的分布曲线相似 米 r ,但反向弯曲点是不同的,这是远离中心约0.022米。当 r < 0.022 米,上盘岩石样品的表面张力和较低的表面的压应力,当 r > 0.022 米,压缩上表面和下表面是紧的。的最大价值 米 θ 发生在中心,所以中央截面是最危险的。

从图可以看出 10 (c),当 r ≈ 0.004 米,剪切力 F 年代 r 在阀瓣从正到负的变化。的最大价值 F 年代 r 发生在圆盘的中心,所以它是最危险截面;危险截面的剪切力的方向是向下的。

从方程( 5)和( 6),压力在每一个截面的薄盘岩石样本可以计算如下: (7) σ r = − E z 1 − υ 2 d 2 w d r 2 + υ r d w d r = 12 米 r δ 3 z = − 3 δ 3 P π 1 + ln r 一个 + υ ln r 一个 − 问 4 1 + υ 一个 2 − r 2 − 2 r 2 z , σ θ = − E z 1 − υ 2 1 r d w d r + υ d 2 w d r 2 = 12 米 θ δ 3 z = − 3 δ 3 P π υ + ln r 一个 + υ ln r 一个 − 问 4 υ 一个 2 − 3 r 2 + 一个 2 − r 2 z , τ r θ = τ θ r = 0 , τ r z = 6 F 年代 r δ 3 δ 2 4 − z 2 = − 3 δ 3 P 2 π r 2 + ln r 一个 − 问 8 r 一个 2 − 9 r 2 δ 2 4 − z 2 , τ θ z = τ z θ = 0 。

使用方程( 7),在中央危险截面应力分布沿盘厚度的方向(即。, z 设在方向)如图 (11日)。GS05为样例,边缘截面是危险的;其应力分布沿盘厚度的方向图所示 11 (b)。

见图 11,两个 σ r 和 σ θ 沿着厚度方向线性分布,形成了弯矩吗 米 r 和 米 θ ,分别。最大的值 σ r 和 σ θ 发生在上部和下部的危险截面。 τ r z 抛物线的分布沿厚度方向,构成剪切力 F 年代 r 。最大值 τ r z 发生在危险截面的中和点。

总结,危险点的位置和压力在薄薄的圆盘岩石样本可以计算如表所示 4。

如表中所示 4为样本GS05, σ r 马克斯 上下点的边缘截面非常大,和薄盘岩石样本可能受损的边缘。样品GS05、GS10 RS05, RS10 σ r 马克斯 和 σ θ 马克斯 发生在中央截面上下点,和 τ r z 马克斯 发生在中央截面的中和点。 σ θ 马克斯 大于 σ r 马克斯 上下点的中央截面和薄盘岩石样本可能主要由受损 σ θ 马克斯 从中心。

它还表明,样本RS05最大 σ r 马克斯 , σ θ 马克斯 , τ r z 马克斯 ,其次是RS10 GS10, GS05。薄盘红色砂岩具有更高的压力比灰色。压力越大,裂缝发展越快薄盘,和突水通道的时间越短。这与实验现象一致,红色砂岩的滞后时间较短的灰色砂岩在表 3。

危险点的应力状态在薄薄的圆盘岩石样本可以被描述为图所示 12。

图 13和表 5显示薄圆盘上危险点的具体位置和相应的应力状态。

基于位置的描述和危险点的应力状态薄圆盘,这些危险点在双轴拉伸/压缩应力状态,单轴拉伸/压缩应力状态和纯剪切应力状态。薄盘岩石样品的结构破坏主要是由于应力达到或超过其强度极限,因此,应该建立强度条件,揭示了失效机理。

砂岩是一种脆性材料,这样我们使用针对摩尔-库仑强度理论的最大拉应力理论和分析弯曲破坏行为。

采矿活动期间,地面不透水层是弯曲的;及时的挠度和应力变化。时是安全的挠度和应力远小于许用值。裂缝发起和传播与压力的增加,和承压水压力将不断扩大裂缝。当发生弯曲破坏时,最大拉应力超过许用值;穿透裂纹传播。

尽管弯曲破坏的发生是非常危险的,突水灾害并不立即发生,因为突水滞后。有一个短的时间内采取措施灌浆的裂缝和防止突水事故。根据裂纹萌生和扩展(图 14),灌浆应在中心或边缘的层不透水层沿裂纹扩展趋势。