神东矿区弱胶结砂岩的宏细观结构及力学特征研究

发布时间：2020-04-24 21:19

【摘要】：神东矿区目前主采煤层埋深较浅,一般在200m左右;基岩较薄,一般在30~80m左右,然而在开采过程中经常出现片帮、冒顶、冲击地压、巷道大变形、地面台阶下沉等现象。神东矿区煤系地层中含有大量的弱胶结砂岩,这种岩层的成岩时间晚、胶结程度差、强度低、易风化、塑性变形大、各向异性强等。弱胶结岩石的这种特殊的性质是神东矿区发生片帮、冒顶、台阶下沉、巷道大变形、冲击地压等灾害的主要原因之一。因此,本文采用地面钻孔取芯的方法采集了大量的弱胶结砂岩,然后运用扫描电镜、低场核磁共振对其微观结构、孔隙率及孔隙分布进行研究,再运用RMT-150C力学实验机在间接拉伸、单轴压缩和三轴压缩下对弱胶结砂岩的力学及声发射性质进行了研究,并且以声发射参数和孔隙率参数建立了其损伤理论模型,最后运用PFC~(2D)颗粒流数值模拟软件对弱胶结砂岩的细观结构及力学响应特征进行了研究,得到如下主要研究成果:(1)研究发现弱胶结砂岩与常规砂岩的微观结构、孔隙率、孔隙分布及分形特征存在明显的差异。弱胶结砂岩的骨架颗粒周围胶结物很少,颗粒之间的孔隙很大,颗粒的粒度也比较大;弱胶结砂岩的孔隙率较大,其平均值为34.03%,是粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩的1.73、3.96、10.63、17.91倍;常规砂岩主要以微小孔为主,但是弱胶结砂岩中的微小孔和中大孔数量相当。(2)研究发现弱胶结砂岩与常规砂岩的密度、波速、崩解特性、抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力和三轴残余抗压强度有明显的差异,内摩擦角没有显著差异。弱胶结砂岩的平均密度为2071 kg/m~3,与粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩及粉砂岩相比,弱胶结砂岩密度分别降低了7.1%、11.6%、13.1%、13.9%;弱胶结砂岩的平均波速为775 m/s,与粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩及粉砂岩相比,弱胶结砂岩波速分别降低了65.7%、66.9%、67.8%、72.5%;常规砂岩泡水后不会发生崩解,但是弱胶结砂岩泡水后会很快发生崩解。(3)弱胶结砂岩的平均抗拉强度为0.376MPa,弱胶结砂岩与粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩的抗拉强度相比分别降低了66.7%、78.3%、92.5%、92.2%;弱胶结砂岩的单轴抗压强度为5.318MPa,弹性模量为0.723GPa,粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩的单轴抗压强度分别是弱胶结砂岩的6.0、7.9、11.1、11.9倍,粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩的弹性模量分别是弱胶结砂岩的12.4、14.3、13.2、19.2倍;弱胶结砂岩发生破裂时主要沿着颗粒之间的孔隙发生破坏,以颗粒相对滑动为主,宏观破坏主要以I字型破坏为主;弱胶结砂岩的粘聚力为5.41MPa,与粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩相比,弱胶结砂岩的粘聚力分别降低了83.3%、77.4%、74.5%、81.0%。(4)弱胶结砂岩与常规砂岩的声发射特征存在显著的差异。常规砂岩的峰值声发射计数是弱胶结砂岩的峰值声发射计数的20倍左右,弱胶结砂岩与常规砂岩的声发射累计计数与时间的关系曲线有一定的差异,常规砂岩的声发射累计计数曲线可以大致分为三个阶段,弱胶结砂岩的声发射累计计数曲线可以大致分为四个阶段。(5)基于声发射参数以及孔隙率参数建立一种新的损伤模型。
【图文】：

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度在 5m/d 以上，形成的巨大开采空间。西部地区由于其特殊的沉积环境，导致该地区地层中含有大量的弱胶结岩石，这种岩层的存在会对地表变形、岩层移动、矿压显现规律、动力灾害的发生与形成过程等有显著的影响。随着西部矿井的大规模建设，弱胶结地层采场顶板、巷道围岩控制问题逐渐突出。由于弱胶结地层的特殊性，呈现出“巷道围岩变形远低于采场围岩变形”的现象。矿压显现剧烈，，顶板大面积切落型破断、支架冲击荷载等动力灾害时有发生（图 1-1~1-3）。(a) 回撤通道顶板动力现象

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(a) 回撤通道顶板动力现象（b）采场顶板动力现象图 1-1 某矿采场顶板冲击矿压灾害实况Fig.1-1 The impact of rock burst on the roof of a mining stope
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD313

【参考文献】