GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/6165366 6165366 研究文章 研究声发射和损伤演化的石灰石在不同应力路径和围岩压力 https://orcid.org/0000 - 0002 - 2208 - 0289 赵 Jianjun 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 7061 - 5786 王ydF4y2Ba 荀 1 霁 局域网 1 朱 进士 2 戴 欣然 1 王 小君 1 梁ydF4y2Ba Haojie 1 地质灾害防治国家重点实验室和Geoenvironment保护(成都理工大学) 610059年成都 中国 cdut.cn 2 三峡岩土工程顾问有限公司 有限公司 430074年武汉 中国 2021年 19 10 2021年 2021年 19 8 2021年 18 9 2021年 19 10 2021年 2021年 版权©2021 Jianjun赵等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

埋藏深度是一个重要因素影响采空区围岩的变形和破坏。基于三轴压缩卸载测试和声发射(AE)三种不同初始围压下的石灰岩(5 MPa, 10 MPa, 20 MPa)和三种不同的应力路径,我们分析了变形和破坏特征和能量释放过程的原始岩石,采空区覆岩、凝块井壁岩石与不同埋深处(1000米)内。结果表明,随着埋深的增加,剪切断裂的失效模式主要是传播和采空区井壁岩石从脆性塑性;然而,采空区上覆岩层岩石脆性破坏。与浅埋深度相比,能量释放引发了围压降低深埋深处更集中和强烈的。的背景下深埋深处,采空区的峰值强度和残余强度井壁岩石是最低的,和损伤变量是最大的。我们提出的第一个“急性期”AE可以挥舞的前兆信息采空区井壁岩石破裂和水力压裂裂纹扩展。这个研究的发现是有益的深部开采灾害预防和控制山区,以及压裂评估。

 成都理工大学 SKLGP2017Z016 国家重点实验室的地质灾害防灾Geoenvironment保护 中国国家自然科学基金 41521002 41877273 四川省科技计划项目 2021年yj0053 1。介绍

煤炭资源的消耗和利用,深部开采逐渐趋于规范化,煤矿开采深度接近1000每年都增加( 1, 2]。深部地应力的影响下和采矿扰动,采空区围岩显示非线性力学特性( 3),这进一步导致大规模的地质灾害。在中国贵州山区,开采后采空区围岩的应力再分配进一步引起采场覆岩变形和煤柱失败甚至整个边坡不稳定( 4- - - - - - 6]。我们调查了一些矿山的采矿形式和边坡结构条件在贵州山区(表 1),它具有以下共同特征:(a)煤层埋深大跨度(160 ~ 1100);(b)小倾角煤层(8 ~ 12°);(c)中厚煤层(1.59 ~ 3.6米);(d)石灰石、砂岩、粉砂岩和其他坚硬的岩石中存在屋顶;和(e)采用长壁开采方法。其中,煤层埋深确定采空区围岩的初始地应力条件,影响采空区覆岩的变形和采空区井壁岩石( 7]。然而,变形和破坏特征和不稳定的预测采空区围岩受埋深是学者研究的很少。

矿业形式和边坡结构条件的矿山在贵州山区。

足总我 Lvtang我 我的15 青山矿 Zuojiaying我 大庆我 我主任张国宝
位置 六盘水市 毕节市 毕节市 Duyun城市 毕节市 毕节市 杏仁县
煤层深度(米) 300 ~ 1020 220 ~ 1000 200 ~ 1000 160 ~ 900 280 ~ 1100 400 ~ 1050 600 ~ 1000
煤层暴跌(°) 10 10 8 10 12 12 8
平均煤层厚度(m) 2.8 1.99 2.65 3所示。6 1.7 2.35 1.59
直接顶板岩性 泥岩 粉砂岩 石灰石 砂岩 石灰石 泥质粉砂岩 石灰石、泥灰土
间接顶板岩性 泥质粉砂岩 细粒砂岩,石灰岩 石灰石 炭质页岩 石灰石 石灰石 石灰石
煤炭开采方法 长壁开采法

在浅层地下开采,采空区围岩的失败限制在一个小区域通常经过一段时间的加速变形。然而,在深部开采,采空区围岩的破坏往往是大规模[ 8]。一个重要的前提是理解采空区的变形和破坏特性井壁岩石和覆岩采动影响下的应力再分配。许多学者研究了实验室的机械测试不同的岩石在不同应力路径( 9- - - - - - 11]。此外,使用AE带来更多的岩石变形和破坏前兆信息,甚至可以作为一种可靠的方法来鉴别在水力压裂裂缝延伸( 12, 13]。能量释放过程法律基于AE特征参数研究了很多( 14),和一系列的损伤本构关系提出( 15]。在特定的地质背景、岩石的变形和破坏特性在不同的应力路径和封闭压力已被证明能够反映采空区围岩的变形性质( 16]。因此,有必要研究采空区围岩的变形和破坏特征的基础上,应力-应变关系和能量释放法。

本研究的背景是在贵州山区的深部开采业务增长。基于三轴压缩卸载实验和AE测试中,我们研究了采空区的变形和破坏特性井壁岩石和覆岩在不同埋深处。这个研究的发现将有助于强度的特点和故障预测采空区围岩在不同埋深处,也提供一些灵感的评价深度水力压裂。

 2。实验材料、系统和程序 2.1。测试标本和装置

在这项研究中,上覆岩层和井壁岩石的采空区,飞仙关厚的石灰岩形成三叠纪越低,这是暴露Nayong大庆煤矿的开采坡县,贵州,被选为实验对象。根据岩石测试标准的国际岩石力学学会(ISRM) [ 17),圆柱样品直径50毫米,长度100毫米的准备。为了避免实验结果的离散化,所有样品准备来自同一岩体岩石切削方向垂直于层,和样品不含层主要关节( 18]。

MTS815 Flex测试GT三轴岩石力学测试系统用于测试(图 1),它可以提供正常负载容量4600 kN,最大允许围压140 MPa。线性可变差动变压器(线性)被用来获取岩石的全应力-应变曲线。Micro-II数字AE系统用于监控材料断裂的声信号。在测试前,四个AE传感器对称固定在压力室(图 1),胶粘剂是凡士林。在测试中,声发射幅度阈值的设定在40 dB来消除环境噪声的影响。岩石断裂所产生的弹性波传感器接收到经过冷收缩管在样品表面,液压油,和压力室的外墙,这将削弱AE信号的强度,这是不可避免的。然而,这种测量方法几乎没有影响的决心AE信号特征如产量、宏观断口,断口表面之间的摩擦滑动( 16]。

MTS815 Flex测试GT三轴岩石力学测试系统和数字AE Micro-II系统。

 2.2。测试计划

深部开采是经常会见了巨大的采空区围岩压力。我们收集原始压力数据在不同埋藏深度和计算相当于围压不同埋深处。根据统计结果表 2在埋深小于1000米的范围,不包括数据噪声,围压波动在5 ~ 20 MPa ( 19- - - - - - 21]。在这项研究中,5 MPa的围岩压力,选择10 MPa, 20 MPa模拟原岩应力在不同埋深处。

统计的结果原岩应力在一些地下工程在中国(下倾角度为正) 19- - - - - - 21]。

数量 项目 埋深 最大主应力 中间主应力 最小主应力 相同围压
值(MPa) 方位角(°) 跳水(°) 值(MPa) 方位角(°) 跳水(°) 值(MPa) 方位角(°) 跳水(°) 值(MPa)
1 被评为六矿 447.66 32.50 258.07 12.35 22.16 101.54 75.56 4.07 349.21 5.19 5.47
2 焦作Jiulishan我 318.70 8.85 357.59 74.80 5.70 192.08 14.53 1.06 101.12 8.9 5.60
3 Lianshao Niumasi我 556.57 21.78 87.99 18.56 17.43 282.23 70.89 1.86 170.46 4.38 5.31
4 我Beipiao关山 989.05 52.96 34.79 11.25 30.85 148.24 63.45 13.23 299.77 23.71 6.57
5 新汶Suncun我 870年 38.13 100.1 24.2 28.35 79.2 61.5 1.61 14.8 14.1 14.27
6 习近平II水电站隧道 169年 10.9 157年 3 7.2 70年 50 6.5 64年 -40年 9.59
7 169年 12.5 139年 -18年 11.1 39 -29年 7.9 77年 55 13.57
8 259年 16.79 106年 -11.04 10.9 23 -27.6 8.9 35.5 59.9 14.05
9 317年 11.11 126年 -24年 7.7 1 -52年 5.17 50 27 8.51
10 616年 19.11 148年 58 9.97 326年 31日 7.19 56 1 11.17
11 1079年 40.69 146年 49 18.81 75年 -16年 12.82 177年 -36年 18.88

在相同围压(即同一埋深),三种不同的应力路径被认为代表了原始岩石的应力环境(计划 1),采空区覆岩(计划 2),采空区井壁岩石(计划 3)(图 2)。在短时间内采空区的形成后,对采空区上覆岩层硬地层仍然承担重力层在地面以下。此外,采空区侧向约束的边界逐渐消失,导致拉伸断裂扩展的发展向上的采空区边界,导致一个小围压降低采空区覆岩( 22]。没有煤层的支持,提取面板上方的岩石的引力将完全由采空区井壁岩石,导致轴向压力对井壁岩石的迅速集中。围压的降低使井壁岩石暴露在不利的环境压力。

采空区围岩的应力环境( d :open-off削减的宽度; γ :单位重量的岩石; H :岩石厚度; 问 :采空区覆岩的重量)。

不同应力路径方案设计如下(图 3)。为了确保结果的代表性,每个实验条件重复了3次,AE数进行了整个过程。

实验设计的三种应力路径( 问 u 不同围压下的峰值抗压强度在计划吗 1; t 1 和 t 2 表示时刻的围压方案 3和 2开始改变, t 3 表示时刻的样品计划 1在峰值应力)。

对于每一个实验方案,首次增加围压到预设值(5 MPa, 10 MPa, 20 MPa)以恒定速率为0.5 MPa / s。考虑到上覆岩层的围压的变化滞后于井壁岩石,岩石的卸围压速率方案 2本文是小于的计划吗 3。

方案1。

轴向载荷应用于样品以恒定速率为0.1 MPa / s,直到试样失败。

 方案2。

增加轴向载荷0.1 MPa / s的速度为0.8 问 u ( 问 u 岩石的抗压强度峰值在计划吗 1)。轴向载荷不变,围压降低0.1 MPa / s的速度,直到试样失败。

 方案3。

增加轴向载荷0.1 MPa / s的速度为0.6 问 u ,然后,降低围压以恒定速率为0.2 MPa / s,继续增加轴向载荷以恒定速率为0.1 MPa / s直到标本失败。

在每一个实验方案,围压保持不变,残余强度是通过连续轴向压缩。

 3所示。结果

在本部分中,应力、应变特性和过程能量释放的岩石变形和破坏在不同的实验设置进行了分析。压缩变形过程中岩石标本,起始,扩张,和聚结微裂隙往往导致能量释放,和的大小可以直接以AE计数。AE数定义的损伤变量是用来描述整个过程的能量释放。考虑到岩石失败后仍然不同程度的残余强度在不同加载条件下( 14),损伤变量 D ′ 被定义为 (1) D ′ = 1 − σ c σ d × C d C 0 ,

在哪里 σ c 残余强度, σ d 峰值抗压强度, C d 累计振铃数在任何时候, C 0 在整个生产过程中累计振铃数。

根据振铃计数和损伤变量的特点,不同的测试条件下岩石的变形和破坏可以分为三个时期,即一个安静阶段,b—过渡阶段,和c的急性期。

3.1。维珍的岩石

围压是在整个测试过程中保持不变,研究原始岩石的力学性能在不同埋深处。数据 4和 5显示整个过程三个不同围压下的应力-应变关系和骨折失败后的草图。很明显,随着围压的增加,抗压强度峰值显著增加,弹性模量略有增加。我们通过观察序列决定了中小学骨折和骨折的宽度,裂缝草图显示了岩石的破坏模式从脆性向延性变化,和围压的增加会导致更多的二次骨折失败的过程,这与主裂缝相交形成几组“剪切关节。“看在图 65 MPa的围压下,岩石变形和破坏的经验“A-C-A”,表现为能源短期释放完成后,发生脆性破坏的高级能量的释放。10 MPa下,岩石变形和破坏的经验“B-C-A”和部分的能量释放发生在弹性变形阶段。“急性期”几乎同时开始塑性变形,和结束后的残余强度出现“急性期”,然后进入“安静的阶段。“在20 MPa,岩石变形和破坏体验”A-B-C-A。“与低围压的条件相比,能量释放是在弹性变形阶段,和“急性期”之后才开始部分岩石的塑性变形。可以看出,围压的增加带来的滞后释放能量。

轴向应力/封闭pressure-strain关系计划 1不同围压下。

骨折后的草图方案的失败 1不同围压下。

声发射振铃计数/损害可变时间关系的计划 1在不同围压下(围压设置:(a) 5 MPa, (b) 10 MPa,和(c) 20 MPa)。

 3.2。采空区覆岩的

在不同围压条件下,岩石呈现脆性破坏,轴向应力降几乎出现在围压降低(图 7)。根据20 MPa, postpeak残余变形比较大。在低围压下,变形和失败都是由拉伸裂缝控制的,在高围压下他们是由剪切裂纹(图 8)。看到在图 95 MPa下,岩石变形和破坏A-C-A经验”。“显然,围压卸载会导致更长的“急性期,”“急性期”主要包含两个主要的能量释放事件,第一个出现在卸载围压和第二个阶段postpeak压力调整阶段。能量释放在第二个可能是由于粗的进一步混乱关节内岩石( 16]。10 MPa下,岩石变形和破坏的经验“A-B-C-A”和卸围压,塑性变形,开始“急性期”几乎同时出现。20 MPa下,岩石变形和破坏的经验“A-B-C-A”,这是不同于原始岩石的能量释放。塑性变形开始几乎同时“急性期,”和维持时间略长。

轴向应力/封闭pressure-strain关系计划 2不同围压下。

骨折后的草图方案的失败 2不同围压下。

声发射振铃计数/损害可变时间关系的计划 2在不同围压下(围压设置:(a) 5 MPa, (b) 10 MPa,和(c) 20 MPa)。

 3.3。采空区的井壁岩石

随着围压的增加,失败形式变化从脆性塑性失败。维珍的岩石,然而,不同围压变化的阈值所需的从脆性过渡到可塑性成为更高的在这种情况下(图 10)。变形和失败是由“tension-shear”复合控制裂缝,和失败往往从分段积分随围压的增加(图 11)。看到在图 125 MPa下,岩石变形和破坏经历了“A-C-A”和围压卸荷引起的能量释放在急性期。“第一postpeak应力降事件并没有太多的能量释放,压力调整后期之后,出现一个能量释放事件最大的环数。10 MPa下,岩石变形和破坏A-C-B-A经验”。“同样,卸围压的几乎同时发生的能量释放在急性期。“大量的能量释放峰值附近的抗压强度,和少量的能量释放的残余变形阶段。20 MPa下,岩石变形和破坏的经验“A-C-B-C-A”,卸载围压引起的能量释放第一个“急性阶段,岩石应变软化现象,少量的AE信号接收。变形的积累之后,第二个“急性期”发生时,轴向压力迅速下降,然后,残余变形发生。显然,在低围压下,提前降低围压使“急性期”的能量释放更多的分散和持续时间更长。随着初始围压的增加(埋深),从脆性岩石的失效模式更改可塑性,导致几个“急性阶段。”

轴向应力/封闭pressure-strain关系计划 3不同围压下。

骨折后的草图方案的失败 3不同围压下。

声发射振铃计数/损害可变时间关系的计划 3在不同围压下(围压设置:(a) 5 MPa, (b) 10 MPa,和(c) 20 MPa)。

 4所示。讨论

表 3统计数据峰值抗压强度、残余强度和损伤变量的原始岩石,采空区覆岩、凝块井壁岩石在不同围压下(埋深)。

每个方案的力学和损伤特征值。

样品数量 围压应力(MPa) 峰值强度(MPa) 残余强度(MPa) 损伤变量
计划 1 A1 5 74.63 21.11 0.712
A6 10 123.29 70.55 0.419
B4 20. 196.38 137.66 0.298
计划 2 B1 5 60.10 15.64 0.740
B7 10 110.46 56.08 0.492
C6 20. 143.01 66.63 0.534
计划 3 A7 5 56.54 29.55 0.477
C1 10 87.59 39.46 0.545
C5 20. 123.92 55.24 0.552

最大抗压强度和残余强度:相比之下,圣母和采空区覆岩,岩石的采空区井壁岩石总是最低的峰值抗压强度在不同围压下(图 13)。应力重分布后,不稳定的概率失败是伟大的。Cai et al。 23和梁等。 16]提出采空区围岩残余强度往往有较高的屈服区域小,残余强度是地下工程和支持设计具有重要意义。本文通过比较实验结果,结果表明,围压的增加可以有效地提高采空区覆岩的残余强度和井壁岩石。此外,采空区覆岩的残余强度最低,当围压5 MPa,而残余强度的采空区井壁岩石围压时的最低10 MPa或20 MPa。

每个方案的峰值抗压强度。

为损伤变量:随着围压的增加,原始岩石的损伤变量,采空区覆岩,和采空区井壁岩石显示逐渐减少的特点,先降低,然后增加,并逐渐增加,分别。5 MPa下,采空区覆岩的损伤变量是最大的(值是0.740)。10 MPa和20 MPa下,损伤变量的采空区井壁岩石是最大的(值为0.545和0.552,分别)。

根据上述分析的峰值抗压强度、残余强度,和损伤变量,结果表明,随着围压的增加(埋深),采空区的井壁岩石是最容易受到伤害和损害的程度是最大的。因此,采空区井壁岩石在深部开采灾害预防的重点在山区。此外,水平井比垂直稳定期间的水力压裂。从图可以看出 12随着围压的增加,采空区的破坏模式井壁岩石脆性的可塑性变化。在高围压下(20 MPa)、岩石发生故障后,两个“急性阶段。“因此,急性期的AE首次可以作为采空区的失败的前兆信息井壁岩石在高围压下。围岩失败的前兆信息由高压下AE的“急性期”还可以用来预测在水力压裂裂缝网络的形成。

应该注意的是,在山区采矿的背景下,采空区上覆岩层的应力环境的变化是非常复杂的矿业(图后在很长一段时间 14)。为了量化采空区围岩的变形和破坏特性更准确地说,作者将考虑复杂的应力路径的影响采空区覆岩的进一步研究。

平的采空区覆岩应力状态/倾斜的地形在山区((a)平坦的地形和(b)倾斜的地形,改编自( 6])。

 5。结论

三个不同初始围压,和三轴压缩卸载测试进行了石灰石在不同应力路径下。圣母岩石的变形和破坏特征,采空区覆岩、凝块井壁岩石在不同围压下(埋藏深度)进行了研究。与此同时,损伤变量是通过全过程的AE监测。根据实验结果的分析,故障前兆的采空区井壁岩石在深部开采(1000米)内提出。

主要结论如下:

采空区的井壁岩石具有较高的围压阈值比原始岩石塑性脆性转换,而采空区上覆岩层岩石脆性破坏在不同围压(埋深)。

10 MPa和20 MPa下,卸围压触发器的直接能量释放采空区上覆岩层岩石和井壁岩石。然而,在5 MPa,卸围压引起的能量释放的采空区覆岩和井壁岩石更分散,和能源的一部分只能释放postpeak压力调整阶段。此外,围压的增加(埋深)将导致的能量释放滞后原始岩石。

随着围压的增加(埋深),最大的部分损伤程度变化从采空区覆岩井壁岩石的峰值抗压强度和残余强度井壁岩石是深部开采的背景下最低。

在山区的背景下深部开采,采空区的井壁岩石主要出现塑料失败,和AE的“急性期”第一次可以作为采空区的失败的前兆信息井壁岩石和水力压裂裂纹扩展。

数据可用性

AE和三轴压缩卸载数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项研究出现在这个手稿是由四川省科学技术计划项目(批准号2021 yj0053),中国国家自然科学基金(批准号41877273),创新研究群体的中国国家自然科学基金(批准号41521002),和地质灾害防灾Geoenvironment保护国家重点实验室(成都理工大学)(批准号SKLGP2017Z016)。这些支持是感激地承认。

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