粒度对红砂岩力学性质的影响规律试验研究

发布时间：2020-09-09 19:50

　　煤系地层多以沉积岩为主,其力学性质与采煤工程中的许多进程相关:巷道的支护、顶底板的维护及保护煤岩柱的留设等。且对煤炭开采的安全性极其重要。以煤矿领域常见沉积岩——砂岩为例,研究粒度如何影响岩石的力学性质、破坏过程及破坏形式对工程建设等领域具有重要意义。本文在国家自然科学基金(编号:51474134、编号:51774194)、山东省自然科学基金杰出青年基金项目资助(编号:JQ201612)资助下,针对粒度影响红砂岩力学性质的规律与机制,通过岩石力学试验、微细观试验和数值模拟试验展开了研究。对两种不同粒度的红砂岩进行了单轴拉伸试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验,研究分析后发现:与粗粒度试件相比,较细粒度红砂岩试件的单轴抗拉强度、单轴抗压强度与三轴抗压强度相对较高,内部结构致密,失去承载能力时,岩石破碎程度高,内部颗粒之间的胶结程度高,试件的密实性较好。对两种不同粒度的红砂岩进行了单轴压缩试验及单轴循环加卸载声发射信号特性试验,研究分析后发现:单轴压缩过程中,与较粗粒度红砂岩相比,较细粒度红砂岩的峰值强度、弹性模量、峰值应变增幅分别为23.47%、18.01%、-4.7%。循环加卸载过程中,与较粗粒度红砂岩相比,较细粒度红砂岩的峰值强度、弹性模量、峰值应变增幅分别为43.64%、16.40%、-1.81%。对两种不同粒度的红砂岩进行了微细观结构方面的研究,采用光学数码显微镜、SEM电镜扫描设备和X射线衍射仪,研究分析了红砂岩的细观结构与矿物组分特征,发现颗粒的粒度是影响红砂岩内部空间结构及稳定性的主要原因。对两种不同粒度的红砂岩进行了数值模拟方面的研究,利用颗粒流数值模拟软件PFC模拟多种不同粒度下的红砂岩力学响应规律及力学性质。研究发现,随粒度范围的逐级增大,模型试件破坏时的微裂纹数量、应变能指数由急剧下降转变为缓慢下降,最后趋于平缓,峰值强度总体呈现出逐渐降低趋势。细粒度模型试件具有较低的起裂应力,微裂纹萌生、发育的开始阶段较早。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD315
【部分图文】：

技术路线图

图１．１技术路线图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｍａｉｎ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｒｏｕｔ逡逑

加工设备,红砂岩,岩块

砂岩为研究对象，红砂岩岩样取自山东省临折市宫南县地下５０ｍ￣６０ｍ，由山逡逑东省莒南县定保石材厂提供。岩块呈褐红色，质地均匀，同粒度岩块色泽统一。逡逑部分红砂岩岩块如图２．１所示。图２．２是岩石加工设备钻孔机（ＺＳ－１００Ｂ）、磨石逡逑机（ＡＨＭ－２００）、切割机（ＤＱ－４）。逡逑悐媭Ｔ．．．．邋ｒ＊逦Ｖ＂邋■ｒ＇ｒ＂邋＂ｉ邋＇＇＇Ｍ＇邋－Ｖ逡逑＊■邋？邋；ｖ？邋；？邋？＊逦ｎ逦＼邋■逡逑－Ｉ逦＇丨＇逡逑ＩＰ邋？？修毫逡逑ｍ邋１逡逑ｆ逦逡逑红砂岩岩块逦残余岩块逡逑图２．１红砂岩岩块逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｏｍｅ邋ｓａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｒｅｄ邋ｓａｎｄｓｔｏｎｅ逡逑（ａ）取芯机（ＺＳ－ＩＯＯＢ）邋（ｂ）磨石机（ＡＨＭ－２００）逦（ｃ）切割机（ＤＱ－４）逡逑图２．２加工设备逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ邋ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ逡逑在室内实验中，按照国际岩石试验试件尺寸的标准，红砂岩岩块经钻取、切逡逑害ＩＪ、打磨后，用砂纸对试件两端仔细磨平，使试件端面的平面度公差小于０．０５ｍｍ，逡逑断面不平整度小于０．００２邋ｍｍ｜４６］。最终加工成直径５０邋ｍｍ

红砂岩,岩块

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