失败的薄盘砂岩Bending-Seepage耦合条件下的行为

文摘

一层不透水层通常弯曲和失败上面开采承压含水层时,这可能会导致突水灾害。地面不透水层简化为薄圆盘模型,以及一系列耦合bending-seepage砂岩是由专利的测试系统。荷载位移的变化特征,分析了加载时,permeability-time。薄圆盘的挠度和应力岩石样本推断;分析了裂纹的萌生和扩展。的失败行为薄盘岩石样本。它显示了以下:(1)弯曲破坏行为与内部的应力分布和裂缝演化薄圆盘。(2)裂纹萌生的主要原因是tension-shear失败。(3)5毫米厚度薄圆盘形式隔板裂缝,由于拉应力,而隔板裂缝仅出现在10毫米的顶块光盘,这是剪成两块沿锥形面倾角约45°。(4)突水发生弯曲破坏后地板不透水层,这是一个时机浆液沿裂纹扩展趋势线防止突水灾害。

1。介绍

由于矿产资源逐渐枯竭的浅,矿业活动转移至深。在深部开采活动中,地质条件变得复杂;承压水压力增加。连续的深部开采可能导致弯曲变形和地面不透水层的失败,这可能链接地下水工作面,和诱发突水事故1- - - - - -4]。因此,地板的弯曲破坏在承压含水层是诱发突水的原因之一。

学者开始研究地板破损的机理和自上世纪突水。先后提出了一些重要的理论,如关键层理论,three-underlying带理论,原位断裂和零故障理论,相对不透水层厚度和突水系数法,突水临界指数法(5- - - - - -9]。近年来,由于复杂的地质背景和开采条件,地板破损和突水机制被广泛和深入研究了基于上述理论,和新成果不断出现。

大型模型试验是一种有效手段复制的过程中突水从地板破损。赵et al。10,11)开发出一种大规模三维固液耦合模拟实验设备,分析了围岩变形和破坏过程,并描述了压力和水压力的变化规律及其对突水的影响。李等人。12)地板采动应力分为三个不同的阶段的帮助下一个流固耦合模型试验系统。陈等人。13)描述了裂纹形成和演化规律在地板上不透水层的固液耦合相似模拟试验系统,发现大多数矿业垂直拉伸裂缝,裂缝剪切裂缝,裂缝和层。康等。14]研究了煤层开采后地板的失败法律使用大规模仿真测试系统和地板裂缝带分为open-off-cut断裂带,采空区压实区,中部和工作面断裂带。刘等人。15)发现故障形态的地图范围采矿楼大约是勺子形状和获得地板的最大破坏深度不透水层通过相似模拟测试。基于多功能模拟试验装置,华et al。16)指出,底鼓主要是由压缩弯曲型、剪切位错类型、底鼓发生挤压流动类型,主要是由拉伸断裂或tensile-shear故障引起的。

相似模型试验能够重现地板破损和突水的过程,但它仍有一些缺点;例如,模型大小通常太大,太多,成本和持续很长时间测试时间。因此,理论研究和数值计算是必不可少的。

苗族et al。17)简化的地板不透水层岩石梁模型与两端固定和装载均匀和分析地面不透水层的强度特征和防水性能。太阳和王(18]地上不透水层视为一个正方形弹性薄板与固定约束四方,推导出一个不稳定的力学判据倾斜地板防水关键层使用弹性薄板理论。高et al。19)建立了一个基于薄板理论和断裂力学模型认为突水的本质在矿业领域的结果微裂隙的积累和传播的宏观裂纹层不透水层由采动压力和承压水压力引起的。王等人。20.)建立了一个板模型受到水平挤压力量,推导出地板屈曲的临界载荷失败基于薄板产生理论,并获得层厚度是影响临界荷载的主要因素。郭et al。21]分析了位移和孔隙水压力的分布在地板上利用Comsol多重物理量,并指出突水的关键原因是能量的释放从楼上当开采承压水含水层。彭日成(22分层的层简化为均质弹性板,地板失败深度计算的平均模量的方法,并认为地板的岩性和复合结构是两个重要影响因素没有深度。谢(23]利用Flac3D软件分析弹性模量的损失法开采造成的地面不透水层定性,发现地板上裂纹率控制应力分布在地板上,地板的厚度不透水层中扮演了一个重要的角色在控制位移和失败的地板上。显然,突水的机理可以澄清掌握失败行为不透水层的地板上。

上述研究研究了应力分布(10- - - - - -12,17,23)、位移变化(10,11,21,23],裂纹演化[13,14,19,23],和失败法律[15,16,18,20.,22在不透水层的地板上。成就达成共识:(1)突水的本质从地板上不透水层是采动压力的共同作用的结果和承压水压力,(2)压力变化和裂纹演化的地板可能导致突水,和(3)地板的厚度和岩性不透水层是两个重要影响因素的失败行为层。然而,上述研究忽略了相关性的分布压力和裂缝传播的地面不透水层弯曲时,并没有描述裂缝的形成和传播深度,所以弯曲破坏特征和诱发突水的行为在地板上不透水层需要进一步研究。

为此,本文建立了一个薄圆盘模型,进行了不同厚度的bending-seepage测试和岩性bending-seepage耦合条件下,薄圆盘内的挠度和应力计算灰色砂岩,红色砂岩,揭示了裂纹的形成和传播机制在薄薄的圆盘与不同厚度、岩性、岩石和描述弯曲破坏行为在地上不透水层,以及bending-failure-induced突水的行为。本研究预计将提供参考的描述故障和预防突水。

2。简化模型和实验过程

2.1。简化模型

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。(2)由于围岩的强度和刚度远远大于地面不透水层,薄盘岩石样本的约束是外围的夹紧。(3)假设地面不透水层在承压含水层之上。承压水压力被认为是均匀分布的孔隙压力, ,分布在较低的薄圆盘表面岩石样本。(4)开挖扰动诱发底板隆起;向上弯曲变形应用于薄盘岩石样本,这是实现通过应用一个向上集中力量, ,下表面的薄盘岩石样本由锥形硬度计压头。

如图1 (c),外围夹紧相当于一个力偶, ,一个力, 。 是薄圆盘的半径的岩石样本,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。

2.2。测试系统

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。

2.3。测试计划

2.3.1。材料表征和样品制备

地面不透水层在四川我锅作为本文中的示例,这主要是灰色砂岩和红色砂岩。所有样本从一块岩石,以确保他们获得相似的物理性质,分别。表中列出的物理和力学性能1。

基于地面不透水层的简化模型和渗透仪气缸的直径,岩石样本处理作为一个50毫米直径的圆盘。根据薄板理论的定义,厚径比应小于1/5。因此,两个厚度5毫米和10毫米,选择在这个研究。

样本测试前检查排除那些明显的宏观缺陷,确保测试值macrojoints和裂缝的影响。选中的薄盘岩石样本的结构紧凑,也没有可见的天然微裂缝。然后,薄盘岩石样本抛光表面光滑的两端。

以岩性和厚度为影响因素,进行了四个独立的测试,GS05, GS10 RS05, RS10。三个样本在每个独立测试进行测试。

2.3.2。测试设计

开始测试,水注入饱和至少半个小时的渗透仪。然后,孔隙压力加载,系统的密封性能是及时检查。根据相关地质资料,孔隙压力设置为2 MPa在这个测试。孔隙压力时完全稳定在2 MPa,岩石样本由轴向载荷加载子系统在位移控制模式下的加载速率0.5毫米/分钟直到岩石样品失败了。

此外,孔隙压力和水的流动从一开始就同时获得了加载;负载和位移在弯曲变形实时记录。

磁导率, ,由达西定律可以计算如下: 在哪里是动态粘度的水,渗流速度计算的 , 孔隙压力,的厚度薄盘岩石样本。

3所示。实验结果

3.1。荷载位移曲线的变化特征

图4显示了此基础( )曲线的灰色砂岩,红色砂岩两种不同的厚度。他们有相似的变化特征,可分为四个阶段 ,如图5。

的部分段是短而陡。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;底鼓的发生节(16,25,26]。

的部分有很大的斜坡。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 ,这是列在表吗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,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然后在迅速下降 ,和薄圆盘结构崩溃,直到完全失去其承载力。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。

3.2。加载和渗透率的时变特征

图6显示了加载时( )曲线和permeability-time ( )曲线的灰色砂岩,红色砂岩两种不同的厚度。

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。

3.3。弯曲破坏模式

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。

4所示。讨论

坚硬的岩石地面不透水层主要是当地的一个塑料失败,和稳定性系数通常是高;它可以解决弹性解决方案(38]。

4.1。挠度的计算和分配薄圆盘岩石样本

基于简化模型图1 (c)周向载荷, ,和孔隙压力, ,在测试期间可以测量及时;集中力量, ,和力偶, ,可以计算为

在极坐标系,如图1、薄圆盘的横向加载岩石样本是对称的 - - - - - -轴,这是一个竖直板的脸。偏转, ,的弹性薄圆盘也是对称的 - - - - - -轴,它是一个函数但不改变 。薄盘岩石样本axial-symmetrically弯曲时,微分方程的偏转 在哪里 薄圆盘的抗弯刚度和吗和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 在哪里 , , ,和系数,确定边界条件。

根据力学模型的边界条件,表示为偏转

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 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, ,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 和 ;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。

4.2。应力计算和分布在薄圆盘岩石样本

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:

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 ()反向弯曲的角度约0.01米的距离圆盘的中心。当 m,盘的上表面是在较低的表面张力和压缩,当 米,这是恰恰相反。所有的样品除了GS05的最大价值中心,它是最危险截面。特别是,最大的价值发生在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)这一分布曲线的分布曲线相似 ,但反向弯曲的观点是不同的,这是远离中心约0.022米。当 米,上盘岩石样品的表面张力和较低的表面的压应力,当 米,压缩上表面和下表面是紧的。的最大价值发生在中心,所以中央截面是最危险的。

从图可以看出10 (c),当 米,剪切力在阀瓣从正到负的变化。的最大价值发生在圆盘的中心,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:

使用方程(7),在中央危险截面应力分布沿盘厚度的方向(即。, - - - - - -轴方向)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11,两个和沿着厚度方向线性分布,形成了弯矩吗和 ,分别。最大的值和发生在上部和下部的危险截面。抛物线的分布沿厚度方向,构成剪切力 。最大值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,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和发生在中央截面上下点,和发生在中央截面的中和点。大于上下点的中央截面和薄盘岩石样本可能主要由受损从中心。

它还表明,样本RS05最大 , ,和 ,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。

4.3。裂纹萌生和传播在薄圆盘岩石样本

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。

4.3.1。裂纹萌生的原因

结合数据12和13,中央截面上分四个样品的危险点。在双轴拉伸应力状态和主要危险点的应力 , ,和0。根据最大拉应力理论,当发生弯曲破坏时,最大切向拉应力达到并超过许用拉应力。所以,中央截面上分盘,即。,点在图13,是裂纹萌生的点,盘岩石样品在这些点沿切线方向拉紧。

同时,较低的边缘截面样本GS05也危险点。在单轴拉伸应力状态和主要危险点的应力 ,0,0。当样本GS05发生弯曲故障,最大径向拉应力达到并超过许用拉应力。因此,对于样本GS05,除了中央截面上点,边缘截面点越低,即。,点在图13,是裂纹萌生的点。也就是说,样本GS05同时拉紧位置沿切线方向和位置沿径向方向。

此外,中央截面的中性分四个薄盘岩石样本也危险点,在纯剪切应力状态的主应力的危险点 ,0,- 。根据莫尔-库仑强度理论,这显然是获得剪切弯曲破坏的主要原因。它也显示了四种光盘遭受中立点的剪切破坏中央截面,即。,点在图13;这个位置也是裂纹萌生的点。

总之,裂纹萌生点样本GS10, RS05, RS10和如图13;产生的裂纹的发展上中央截面沿切线方向拉紧和中性点中央截面剪切。样例GS05裂纹起始点 , ,和在图13;他们是由上面的点中央截面和较低的点同时拉紧的边缘截面中心沿切线方向和径向边缘和中立点中央截面剪切。简单地说,tension-shear失败是裂纹萌生的主要原因。

4.3.2。裂纹扩展的原因

见表4GS05样品中,有两种危险的位置。一是在圆盘中心,和扮演主要角色大约是2.06倍的 。另一种是在圆盘边缘点越低,这是由单轴拉伸应力状态 。在这个圆盘裂纹扩展引起的切向拉应力和剪切应力在中心和边缘的径向拉应力。裂缝发展相对的tension-shear中心和紧张失败的边缘,产生隔板裂缝如图(14日)。

为样本RS05裂缝传播的中心,在那里仅仅是1.38倍 。裂纹扩展的盘主要是由于紧张失败,这是垂直于半径方向和切向拉应力引起的。裂缝发展从中心转移到边缘;隔板裂缝形成,如图14 (b)。

样品GS10和RS10是2.38倍 。由于厚度较厚,在圆盘裂纹扩展主要是由剪切破坏;与此同时,张力失败中起次要作用。如图14 (c),裂缝上升沿锥形面倾角约45°从中心转移到边缘,和阀瓣岩石样品剪成两块。顶块伴随着花瓣与张力由切向拉应力引起的裂缝。

4.4。在地板上不透水层Bending-Failure-Induced突水的行为

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。

5。结论

简化薄圆盘模型引入研究地面不透水层的弯曲破坏。基于自行设计实验系统,薄圆盘灰色和红色砂岩样品测试耦合bending-seepage条件下研究失败的行为。失败行为薄盘砂岩两种不同岩性和厚度进行了分析。可以得出的主要结论如下:(1)薄盘砂岩的破坏过程可分为四个阶段:自适应调整和弹性变形阶段,塑性变形和微裂纹发展阶段,承载力加强和宏观裂纹形成阶段,和postfracture阶段,突水灾害发生在postfracture阶段。(2)渗透率的变化从10^-17年米²到10^-11年米²在薄薄的圆盘结构,大幅增加导致更多的突然和强烈的突水。峰值渗透率总是落后于峰值负载,突水灰色砂岩的滞后时间长于在红色砂岩由于裂纹扩展的差异。(3)裂纹萌生点发生在中心由于切向拉应力和剪切应力。裂纹扩展与盘厚度、岩性。(4)突水事故发生弯曲破坏后不透水层的地板上。这是一个时机沿着裂纹扩展灌浆趋势线防止突水灾害。

缩写

:	薄圆盘的半径岩石样本(左)
:	系数(-)
:	凝聚力(毫升1T2)
:	抗弯刚度的薄盘(ML2T2)
:	弹性模量(毫升1T2)
:	周向载荷(MLT2)
:	剪切内力(MLT2)
:	渗透率(左2)
:	力偶(毫升2T2)
:	内力夫妇(ML2T2)
:	集中力(MLT2)
:	峰值负载(MLT2)
:	承压水压力/孔隙压力(ML1T2)
:	水流(左3T1)
:	在极坐标下径向(-)
:	测试时间(T)
:	位移(左)
:	渗流速度(LT1)
:	偏转(左)
:	对称的轴(-)
:	盘的厚度(左)
:	在极坐标下切线方向(-)
:	动态粘度的水(ML1T1)
:	泊松比(-)
:	密度(毫升3)
:	单轴抗压强度(ML1T2)
:	径向应力(毫升1T2)
:	最大径向应力(ML1T2)
:	抗拉强度(毫升1T2)
:	切向应力(毫升1T2)
:	最大切向应力(ML1T2)
, , :	剪切应力(毫升1T2)
:	最大剪应力(ML1T2)
:	内摩擦角(-)。

数据可用性

使用的数据来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

作者欣然承认提供的支持国家自然科学基金(11502229),中国的江苏省自然科学基金(BK20160433),该项目在盐城黄海精英理工学院(2019),该项目优秀年轻学者在盐城理工学院(2014年),在盐城黄海的项目团队技术研究所(2019年),和大学生创新训练计划项目的盐城理工学院(2020)。

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