煤層頂板石灰?guī)r和砂巖高溫膨脹特性及力學(xué)特性的試驗(yàn)研究.pdf

1、在煤炭地下氣化、礦下煤與瓦斯爆炸、地?zé)豳Y源開發(fā)等領(lǐng)域,周圍巖體都可能經(jīng)歷一定的高溫作用,工程圍巖高溫后的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為的變化規(guī)律對巖土工程設(shè)計(jì)、數(shù)值分析及長期安全性預(yù)測具有決定性作用。本文結(jié)合煤炭地下氣化爐圍巖在氣化過程中具有一個(gè)或兩個(gè)自由面且處于高溫環(huán)境下的事實(shí),選取煤層頂板石灰?guī)r和砂巖為研究對象,研究了單向約束、雙向約束和無約束及高溫作用條件下石灰?guī)r和砂巖的縱波波速、微觀結(jié)構(gòu)、膨脹應(yīng)力和力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律,建立了高溫巖石的損傷統(tǒng)

2、計(jì)本構(gòu)關(guān)系模型,該研究可以為煤炭地下氣化等工程提供高溫巖石力學(xué)基礎(chǔ),其研究成果也對經(jīng)歷高溫的其他工程結(jié)構(gòu)及部分火災(zāi)損傷結(jié)構(gòu)的全過程分析和提高巖體安全性具有參考價(jià)值。主要研究成果與結(jié)論如下:
　　 (1)通過對高溫后石灰?guī)r和砂巖進(jìn)行超聲波試驗(yàn)、能譜分析和電鏡掃描試驗(yàn),研究了高溫后巖石縱波波速降低的原因、巖石的元素組成和微觀結(jié)構(gòu)特征,分析了巖石組成元素高溫后的變化過程及巖石內(nèi)裂隙的發(fā)展規(guī)律。
　　 (2)通過試驗(yàn)研究了高溫單

3、向約束條件下石灰?guī)r和砂巖的膨脹應(yīng)力變化規(guī)律,分析了膨脹應(yīng)力變化的原因:升溫過程中,隨著溫度升高,石灰?guī)r和砂巖試件的膨脹應(yīng)力逐漸增大。膨脹應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線呈分段線性變化,曲線整體呈二次拋物線變化；砂巖膨脹應(yīng)力與溫度的曲線斜率比石灰?guī)r的大,說明砂巖溫度敏感性比石灰?guī)r明顯。恒溫過程中,600℃前的試驗(yàn)溫度水平,石灰?guī)r和砂巖的膨脹應(yīng)力都隨恒溫時(shí)間的增加而增加。石灰?guī)r和砂巖在600℃左右都達(dá)到了膨脹極限,但具體過程不同。巖石在高溫下的膨脹應(yīng)力

4、變化是由于組成巖石的礦物在高溫下發(fā)生膨脹、收縮、晶型轉(zhuǎn)變、化學(xué)分解以及由這些因素形成空隙、裂隙等綜合因素引起的。
　　 (3)通過試驗(yàn)研究了高溫雙向約束條件下石灰?guī)r和砂巖的膨脹應(yīng)力變化規(guī)律,并分析了膨脹應(yīng)力各向異性變化的原因:升溫過程中,隨著溫度的升高,600℃前石灰?guī)r兩個(gè)約束方向的膨脹應(yīng)力逐漸增加,600℃后膨脹應(yīng)力有減小趨勢；700℃前砂巖兩個(gè)約束方向的膨脹應(yīng)力隨著溫度的升高逐漸增加,但600℃以后砂巖的膨脹應(yīng)力增速減小；說

5、明600℃～700℃是雙向約束石灰?guī)r和砂巖膨脹應(yīng)力達(dá)到極限的溫度區(qū)間。恒溫一定時(shí)間后石灰?guī)r和砂巖的膨脹應(yīng)力都趨于該溫度的一個(gè)穩(wěn)定值。研究表明雙向約束石灰?guī)r和砂巖膨脹應(yīng)力的變化呈現(xiàn)各向異性特征,垂直層理方向的膨脹應(yīng)力大于平行層理方向的膨脹應(yīng)力。高溫過程中,石灰?guī)r和砂巖試件的膨脹應(yīng)力變化經(jīng)歷了3個(gè)階段:升溫膨脹應(yīng)力增加階段、恒溫膨脹應(yīng)力增大階段、膨脹應(yīng)力穩(wěn)定階段。
　　 (4)采用RMT-C巖石力學(xué)剛性試驗(yàn)機(jī)對高溫后的石灰?guī)r和砂巖進(jìn)

6、行了單軸壓縮試驗(yàn),研究總結(jié)了溫度對巖石力學(xué)參數(shù)及破壞模式的影響,比較了三種試驗(yàn)條件下巖石力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。分析認(rèn)為,石灰?guī)r和砂巖單軸壓縮過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服、破壞四個(gè)階段,溫度越高,曲線右移趨勢越明顯,曲線斜率也明顯減小。石灰?guī)r和砂巖達(dá)到峰值強(qiáng)度后大多發(fā)生脆性破壞。在三種試驗(yàn)條件下石灰?guī)r和砂巖的峰值應(yīng)力、彈性模量、變形模量都隨溫度升高而降低,峰值應(yīng)變隨溫度升高而增加,高溫對巖石的強(qiáng)度有一定的弱化作用。