文摘
随着隧道和其他工程建设的发展到地层深处,岩体更倾向于动态损伤如原位条件下岩石破裂和开挖扰动。岩体会产生的孔隙水压力变化在这个过程。根据孔隙水压力的变化之间的关系和岩体损伤的发展,孔隙水压力的变化规律和前兆特征的过程中岩体失败可以找到。本文通过力学分析,孔隙水压力的演化规律在饱和岩石的破坏过程。研究发现,岩石破裂过程中,孔隙水压力呈现线性增长的三个阶段,过渡,减少。孔隙水压力的上升和下降是岩石损伤密切相关,相互影响。通过孔隙水压力的观测在煤矿,它是发现,孔隙水压力的同震的效果是显著的。证明有密切关系的演变在周围地区应力场的采场和孔隙水压力的变化在周边地区采矿扰动的影响。在工程实践中,可以进行动态监测岩体内的孔隙水压力的变化根据法律,和岩体失稳的前兆信息,失败可以探索。
1。介绍
岩石中孔隙水的存在产生重大影响岩石的物理力学性质,主要反映在岩石的强度和失效模式。和影响的程度增加而增加的岩石孔隙度(1,2]。宏观断裂、不稳定和失败后的岩石加载是密切相关的内部微裂隙的分布和生成,扩张,和微裂隙的渗透变形。岩石的变形造成其内部孔隙体积的变化,孔隙水压力是岩石的损伤密切相关(3- - - - - -5]。研究表明,岩石破裂压力的过程中,孔隙水压力提供了一个“rise-decrease”变化对应于失败的过程。根据这一发现,地震研究学者切永泰和其他人相信含水层水位变化是地震前兆异常信息。与此同时,根据有效应力原理,岩石和土壤的变形和破坏主要是由有效应力。在一定条件下的总压力、孔隙水压力和有效应力的变化从一个到另一个。而损害发展影响孔隙水压力,孔隙水压力也影响了有效应力和损伤发展(6]。因此,岩石破坏传播之间的相互作用关系和孔隙水压力的变化可以深入研究探索的前兆信息临界破裂岩体的孔隙水压力7- - - - - -10]。
胡克定律,基于有效应力和损伤力学原理,本文从理论上分析并建立了孔隙水压力之间的关系和岩石损伤扩展基于现有的实验研究结果。的特征模式过程中孔隙水压力的弹性变形、塑性损伤,和失败的岩石。
2。孔隙水压力变化的原则由岩体变形引起的
研究表明,地震活动的完整过程进行一定范围内的时间和空间。地震的来源包括身体产生破裂和破裂不稳定性和地震发生时消耗能量和周围的参与者提供能量的地震。在相关区域地层,来源的规模通常比规模更大的地震地层破裂。某一地区的地层岩体将形成一个“协调蕴震系统”在地应力的作用下。和地层中的某些“结构效应”将连接地层在大范围内形成“相关地区。“地震孕育过程中,一系列的地面运动等特征,地震活动、应力场分布和孔隙水压力分布在相关区域将显示一个强烈的“相关”和“协同作用”在一定的空间范围内。它还显示了不同的“相关特征”之间的物理和机械特性,空间尺度,压力水平下降,源规模、能源消耗和公布,地震活动的特点与此相关的地震活动(11]。
时地面的构造应力变化涉及含水岩土层、岩石和土壤的力变形将会发生。岩石和土壤的变形将导致孔隙体积的变化,然后引起孔隙水压力的变化在岩石和土壤12- - - - - -15]。张等人[16,17]研究了孔隙水压力的变化模式在一个理想的承压含水层的影响下垂直压力获得的变化和孔隙水压力之间的关系和压力变化: 在哪里是孔隙水压力的变化引起的含水层的垂直应力的变化吗 , 的孔隙含水层,是垂直压缩系数的蓄水层框架,水的体积压缩系数,是水的密度,重力加速度。
格瓦拉等人研究,岩石体积的变化主要是由于孔隙度的变化,和孔隙度的变化有关的本质力量。压应力的作用下,孔隙度变得越来越小;在拉应力的作用下,孔隙度变大;在剪切应力的作用下,孔隙度不会改变。和法律的砂岩孔隙度变化与轴向压应力 在哪里是强调后改变了孔隙度,是原始孔隙度、轴向应力,是一个指数,E是地区稳定后的比率。
不仅为饱和岩体,岩体的压力也在压缩过程中孔隙水压力将会增加。如果这是一个渗透地层,超孔隙水压力将随时间消散,导致地下水位的变化。地震时好水位的变化也是一个宏观现象,反映了本法(18]。
可以看出,岩体的应力和变形将导致损坏孔隙水压力在同一时间。岩体的应力和变形孔隙水压力是密切相关的。孔隙水压力的变化可以作为地震前兆信息。找到这个前兆信息特性,有必要了解损害传播之间的相关性和岩石应力过程中孔隙水压力的变化。
3所示。孔隙水压力和岩石损伤的相关分析
3.1。孔隙水压力变化的模型在岩石破裂
有与饱和水,岩石的孔隙水压力和变形的岩石和土壤是由有效应力。有效应力之间的关系,孔隙水压力和总压力
的公式, , ,和 ,分别代表总压力、有效应力和孔隙水压力。
当含水饱和度下的岩石被压缩时,孔隙水压力将产生重大影响岩石的强度和失效模式。然而,不会有很大对弹性模量的影响。含水岩体的变形导致孔隙水体积的变化,然后引起的变化在岩体的孔隙水压力。
格瓦拉等人得到了孔隙水压力通过三轴试验研究细砂岩变化曲线。在此基础上,本文把岩石中的孔隙水压力压力”关闭单元体(没有液压与外界接触)。“应变”变化的对比图(图的关系1)表明,应力-应变曲线对应于弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。孔隙水压力提出了a - b的线性增加,c increase-decrease过渡,和c - d减少。
3.1.1。孔隙水压力:a - b线性增长阶段
“应力-应变曲线线性变化。当变形在弹性阶段,弹性模量E不变,没有岩石内部损伤,孔隙度保持不变。因此,孔隙水压力的增加是由于减少孔隙岩石的弹性变形所造成的压力。
考虑到水是可压缩,压缩系数 ,和孔隙水压力的变化 ,然后水量的变化可以表示为
下一步是找到岩石的体积变化 。岩石材料是连续介质材料。根据胡克定律,体积应变和体积的压力在弹性变形阶段的关系如下:
恒定围压下三轴试验 ;因此, ;为了方便分析, ;公式(5)也可以表示如下: 在哪里岩石的体积变化,样品的体积,它们之间的关系如下:
孔隙度是和之间的关系和所示
通过整合双方的公式(10),孔隙水压力和压力之间的关系在弹性压缩阶段如下:
从公式可以看出(10孔隙水压力)有效应力是一个一维的线性函数呢 ,孔隙水压力在a - b阶段是类似于压力变化,显示一个线性增长的关系。
3.1.2。孔隙水压力:c“Increase-Decrease”过渡的阶段
岩石的应力-应变曲线表明,进入塑性变形阶段,然后慢慢孔隙水压力增加,达到峰值后下降。同样,孔隙水压力的变化是由孔隙空间的变化引起的。在这个阶段,岩石的孔隙的变化主要由两部分组成。①固体框架的弹性压缩引起的减少毛孔。这部分的变化是一致的a - b弹性阶段。②损害发生在岩石内部,从弹性压缩扩张和变形的变化。同时,微裂隙继续发展,损失的增加,岩石的孔隙度增加,弹性模量和有效减少。弹性变形引起的总和可以根据公式计算(8)和(11)。这里,我们将专注于改变在孔隙水压力由塑性变形引起的。
岩石材料是一个持续的机械中。外部载荷的作用下,它会经过几个阶段的压实,弹性、可塑性,和失败。反思损伤是内部损伤产生和发展成宏观裂纹,最终导致破裂的内部结构。这里假定是,强调岩石材料后到一定水平时,统一的损伤发生,和损失的变化与有效应力作用在岩石结构。Rabonov首次引入的变量对应的连续变量,即损伤变量(19- - - - - -21), 在哪里是force-receiving区没有初始伤害,什么时候损伤后的受损区域。
首先,注意孔隙变化造成的损失。孔隙水的体积变化伤害成正比吗 ,比例系数 :
公式(17孔隙水压力)是本构关系和压力在塑性变形阶段。损伤变量通常是很难看到的应力-应变曲线。为了进一步直观地表达这种本构关系,根据Lemaitre提出的应变等价原理,有效应力和损伤变量有以下本构关系:
的公式, ,分别代表有效应力、损伤变量,岩石弹性模量和应变。引入有效弹性模量 ,损伤变量也可以表示为
它可以直观地看到从公式(20.),反映了“应力-应变曲线的斜率变化。作为继续减少,继续增加,会导致持续的减少。在那个时候,当 , ,和增加;在那个时候,当 , , 达到最大值;当 , , 减少,孔隙水压力提供了一个过渡的特点“increase-decrease。”
3.1.3。孔隙水压力:c - d递减阶段
当应力达到峰值时,岩石的裂缝将进一步渗透,和岩石进入破坏阶段。内部孔隙空间增加,孔隙水压力继续下降。孔隙水压力之间的关系和塑性变形阶段峰值失败后变形阶段是一样的塑性变形的阶段:
在这个阶段,由于失败的突然变化和变形、孔隙水压力继续下降,非线性变化更加明显。当岩石被完全摧毁,孔隙空间不再变化,和孔隙水压力仍将在一定值,小于初始孔隙水压力值, 。
3.2。孔隙水压力的关键断裂的前兆特征
通过孔隙水压力的变化关系的分析过程中岩石力变化,压力的变化关系,伤害,和孔隙水压力在每一个阶段,如表所示1。
分析在压力过程中孔隙水压力变化机理表明,孔隙水压力与压力和岩石损伤密切相关。孔隙水压力反映了岩石的应力和变形的特点在不同的加载阶段。不断增加的孔隙水压力封闭的岩体单元反映了弹性阶段增加的力量,和石头可以被视为“安全”;当孔隙水压力继续增加,“拐点”减少,岩体引起塑性损伤和力将达到极限。孔隙水压力的变化是一个前兆岩石的主要故障的发生。
4所示。孔隙水压力破裂前兆信息的特征及其对岩石损伤的发展
孔隙水压力的变化也影响发展的损害。根据有效应力原理(见公式(3),在损伤,岩石内部的孔隙空间变大,孔隙水压力减少。总压力的时候保持不变,孔隙水压力减少,进而导致有效应力的瞬时增加,加剧破坏岩石的裂缝的发展。破坏裂缝的发展反过来又导致孔隙水压力继续下降。相互作用的两个加速终极岩石破裂。可以看出,岩石损伤的发展影响孔隙水压力的变化,和孔隙水压力的变化也会影响岩石损伤的发展。这两个相互影响(22,23]。
地下工程岩体是一个空间连续介质,压力传播是连续的。在当地的岩体破坏是由于开挖扰动引起的应力和能量浓度,在周围地区岩体的形成也会产生相应的压力变化。孔隙水压力将增加和减少交替。孔隙水压力变化的研究可用于与相邻的岩石破裂过程分析其相关相关领域(24,25]。
试验结果表明,孔隙水压力变化和渗透率的律法可以有效地反映出不同阶段的岩体内部损伤发展26),孔隙水压力的急剧减少,渗透率急剧增加在CD阶段之前的主要断裂。这是直观的信息反映岩石材料的内部物理特性的变化。在实际工程岩体,岩体的孔隙水压力逐渐降低或大幅减少稳定价值和渗透率逐渐增加或急剧增加的稳定值,在岩体内部发生大规模的破坏和毁灭。它将进入不稳定的状态,这是岩体破裂的前兆信息。这将提供一种新的方式来预测岩石破裂和岩石破裂岩体开挖引起的室。在实际工程中,很难实时测量岩体内的渗透率。孔隙水压力监测技术在地震监测预报的研究越来越成熟,它提供了一个重要的技术基础,实现监测岩体的孔隙水压力。这是一个可行的方法来预测岩体失败通过监测孔隙水压力的变化来预测岩体的变形。
随着技术的发展,目前深层孔隙水压力的监测精度可以达到Pa水平。全面深钻孔观测系统在地震可以观察到普及信息,如地层压力,孔隙水压力,地面倾斜,甚至固体潮汐,它提供了一种应用在隧道和煤矿工程技术基础(27,28]。
5。孔隙水压力的影响形成的相关区域由岩石破裂引起的
5.1。工程背景
为了验证孔隙水压力的变化之间的关系和岩体形成的失败,研究选择Yanbei煤矿位于甘肃省华亭煤田,中国,这是经常受到岩石破裂,作为工程背景来观察孔隙水压力的变化前后岩爆发生在矿业(29日]。
华亭煤田位于东部Liupan山脉脚下,鄂尔多斯的西南边缘块,或断层褶皱带的南端的西部边缘。这个区域是位于十字路口的大断层Liupan山的西部边缘,推力带在鄂尔多斯盆地的西部边缘,和Qingtongxia-Guyuan故障,一个复杂的地质环境。华亭煤田呈现一个旋转的化合物不对称向斜构造的“东南结构,温柔的东方和西方陡峭,中间宽,和收敛的北方和南方部分,“如图2。
华亭煤田主要由水平构造应力控制,以褶皱为主要结构和故障辅助结构。煤层的厚度和倾角变化沿着折叠的方向和趋势,和折叠结构中起着重要作用在控制转换,破坏,形成现有的煤炭措施。
煤层开采应力分布变化特征,导致局部岩体应力集中,和周围岩石积累大量的弹性能量,这是主要因素诱发强烈的外观Yanbei和华亭矿区岩石压力。煤层是一种非常厚煤层厚度30米、40米。首先开采上层,然后降低层开采。开采深度达到800米- 1000米。连续华亭煤矿深部开采和Yanbei华亭煤矿煤田多年来已经改变了原来的结构应力分布特点,造成局部应力集中,增加了能源储存(30.,31日]。面对矿区工作的方向接近南北方向,这是与褶皱结构轴的方向一致,并垂直于最大主应力的方向在该地区附近的东西。
Yanbei煤矿深部开采的影响和区域结构。矿山地震往往发生在向斜轴,特别是在结构变化的地区,断层附近煤层倾角变化,煤层屈曲,构造应力区。250203年和250204年的工作面临着通过轴和翅膀折叠结构在采矿过程中,岩石压力出现非常明显。
为了定量观察矿山地震灾害烃源岩质量之间的定量关系和区域结构,应力环境中,开采深度,开采,开采强度,和其他因素在这一过程中我的地震,RET-2A高精度的孔隙水压力计的精度10−9-10年−10可以用来观察与区域地壳的孔隙水压力变化过程。观测站点应该安装的“力链结构”蕴震系统。测量分和观察特徵量应该共同安排根据不同特点等领域的核心地区矿山地震灾害源体,能量释放区域,和周围相关区域,如图2。Yanbei煤矿的孔隙水压力观测点安装在煤层底板岩石向斜轴(32,33]。
5.2。测量数据的分析
完成后的天文台,连续孔隙水压力的观测数据从3月15日到4月19日,2013年。如图3孔隙水压力的时间历史数据曲线有一个显著的固体潮汐变化背景,表明预期观测精度已经达到和设备正常工作。由于精度高,为了获得一个直观的变化规律,在分析过程中没有进行校准,选择原始监测数据进行分析。在这段时间里,矿业是在250203年的工作面,和严重的岩石破裂发生在13:23 2013/3/16和22:28 2013/4/15,严重影响生产。两个岩爆事件的信息如表所示2。
如图3,数据获得的孔隙水压力测站显示,同时这两个岩石发生破裂,孔隙水压力发生了显著的协同变化,导致一个重要的同震的效果。它主要表现为孔隙水压力增加,但变化的幅度很小,和固体潮汐应力的影响是一个数量级。这与改变只能通过测量高精度设备。从孔隙水压力的变化趋势岩爆的发生前后,由于开采的影响,孔隙水压力的周边地区也发生了变化,反映应力场和孔隙水压力在这方面都是协同。这种变化主要表现为一种与效果,这也表明,采场周围一定范围内的地层和采场岩体的震源破裂是一个协调的系统。调整过程的能量积累和释放系统中可以获得的观察,和大小相当于地球的潮汐效应(34]。
由于观察位置的选择是远离工作面临和岩石破裂发生的位置,获得的孔隙水压力的变化与应力场的变化改变相邻区域的岩体关闭。这种变化呈现明显的特征与变化,证明有密切关系的演变在周围地区应力场下的采场采矿扰动和孔隙水压力的变化在周围的地区。开采动力灾害,如岩爆和矿山地震、严重威胁矿井的安全。繁殖和诱导过程等因素的积累压力和能量,导致采场围岩的局部达到或超过临界状态,破裂,并扩大发展,形成地震源或灾难的来源。的出现和演变过程反映了相互作用过程等多个因素表土和地层结构,原始应力场和采矿扰动和也反映了协同机制和状态演化过程的多个物理力学领域在多个空间尺度。
6。结论和前景
(1)在一个理想的封闭的饱和岩石单元,孔隙水压力是密切相关的扩张内部损伤。孔隙水压力呈现线性增加,growth-decrease过渡,减少过程和达到一个稳定值后,岩石被完全摧毁。(2)根据胡克定律的分析和损伤力学原理,孔隙水压力之间的分析模型在不同阶段变化和压力变化。“increase-decrease过渡”的孔隙水压力变化是岩石破裂的前兆信息。(3)根据有效应力原理的分析,孔隙水压力和损伤发展互动,是相互关联的。破坏扩张导致孔隙水压力减少,和孔隙水压力的降低促进发展的损害。(4)目前,孔隙水压力的监测技术已经相对成熟地应用于地震监测研究。在此基础上,监测岩体内的孔隙水压力的变化可以预测深部开采项目的动态不稳定的灾难和破坏岩石破裂和其他岩体。(5)通过观察相关区域的孔隙水压力在煤炭开采过程中,孔隙水压力的反应前后相关地区矿山岩爆的发生是成功了。同震的效果是显而易见的,这证明了大规模的妊娠和归纳过程结构岩石破裂或我的冲击远远大于传统的采场压力和挖掘影响的范围。分析岩爆源之间的应力场和“相关区”及其multifield相关性是正确的方式揭示了机制的启动和感应我的地震。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
这项工作是国家重点支持的研究和发展项目批准号2016 yfc0600800下的中国,山东省重大科技创新项目批准号2019年sdzy02,中央大学和基础研究基金(FRF-BD-20-01B和降维- tp - 19 - 026 - a2)。