岩石变形及破坏过程中渗透率变化规律的实验研究
第19卷 增刊岩石力学与工程学报19(增):885～888 2000年6月Ch inese J ou rna l of R ock M echan ics and E ng ineering J une,2000
岩石变形及破坏过程中渗透率变化规律的实验研究张守良沈 琛邓金根(中国石油天然气集团公司 100724 北京)(胜利油田 东营 257000)(石油大学 北京 102249)
摘要 为流体所饱和的储层岩石或油砂受上覆压力,构造应力及流体压力的作用,钻井、完井、试井及油藏开采过程中,原有的应力状态受到扰动,在井眼或炮孔周围产生应力集中,岩石或油砂骨架有效应力随流体压力的衰竭而不断增大。通过不同应力状态下岩芯渗透率变化规律同步测试,分析了岩石渗透性与其应力状态及其力学参数间的相关关系,据此建立了渗透率与应力状态相关关系模型。为钻井及试采过程中防止储层损害的合理压差的确定提供了重要的科学依据。
关键词 渗透率,应力状态,相关式
分类号 TU452 文献标识码 A 文章编号 100026915(2000)增20885204
1 岩石渗透率测量方法
根据岩石材料致密程度的不同,渗透率的实验
室测量方法有两种,即瞬态法和稳态法。
1.1 瞬态法
在岩石的一端提供一个压力脉冲,通过测定压
差的衰减规律而间接测定渗透率,这种方法所需时
间短,一般用于测量低渗,特低渗岩石的渗透率。
低渗透率岩石瞬态测量方法,首先是由美国学
者W.F.B race等于1968年提出[1],后来又有许多学
者作了大量研究工作。他们根据D arcy定律,推出孔
隙压力P随距离x和时间t的变化的控制微分方程:
52P 5x2=Λ
k
C
5P
5t
初始条件:
P=P0 (t=0,0≤x≤L)
边界条件:
Q=0 (t>0,x=0)
P=0 (t>0,x=L)
式中:P为岩石中一点的压力,Q为流体的流量,Λ为流体的粘度,k为岩石的渗透率,C为岩石和流体的综合压缩系数。
实验时,在岩样上端面施加一个脉冲液压载荷,随后测出岩样上端面(x=0处)不同时刻的压力变化,代入上述方程求解,可求得岩样的渗透率。
1.2 稳态法
在岩石的两端提供稳定的压差(或流量),通过测量流量(或压差)从而获得岩石的渗透率。该实验需要的时间较长,但精度较高,适用于具有较大渗透率的岩石。根据稳定渗流D arcy定律:
Q=A
k?p
L
式中:Q为流体流量;?p为岩芯两端的压差;?L为岩芯的长度;A为岩芯横截面积;k,Λ含义同上。
如果已知岩芯的长度?L、横截面积A、岩芯两端压差?p(或流量Q)及流体粘度Λ,只要测出单位时间内的流体流量,即可计算出岩芯的渗透率。
2 实验装置及步骤
试验装置为美国T erraT ek公司生产的高温高压岩石三轴试验仪,它是国际上目前同类产品中最先进的试验装置,全部采用电液伺服控制,能同时进行声学、渗透性、强度试验,其实验原理见图1。
试验在模拟井下压力的环境下进行,由于井温在55°C左右,对岩石性质影响不大,故在常温下(20°C)试验,试验步骤如下:
(1)将岩芯加工成的标准试样,放入高温室中烘干,然后用苯酚洗油将岩芯抽真空,饱和,建立束缚水饱和度;
(2)将泡油后的岩芯进行轴向密封,确保渗流只在轴向发生,将加工好的岩样用热塑橡胶套封裹,以便使试验围压与岩样隔离,然后将岩样装入高
2000年3月24日收到来稿。
作者张守良简介:男,39岁,1983年毕业于石油大学石油工程系钻井专业,现主要从事石油天然气开采工艺方面的研究和管理工作。
图1 地层渗透率测试装置示意图(模拟井下压力)
F ig .1 T est apparatus fo r per m eability m easurem ent
(si m ulating the dow nho le p ressure conditi ons )
压室内,调试好仪器
,准备试验;
(3)根据试验需要及现场岩芯所处应力环境,确定出试验围压,加好围压并使之恒定,并施加少量轴向接触载荷;
(4)加孔隙压力至设定值,测定渗透率;
(5)加0.5M Pa 左右的轴向载荷,改变孔隙压差进行速敏试验;
(6)围压:压差保持不变,施加轴向载荷,测出加载过程中岩石的轴向、横向应变及渗透率,直至岩石产生破坏。作出全应力2应变曲线和岩石变形过程中的渗透率变化曲线,实验结束。
试样取自胜利油田,包括弱胶结砂岩及中等强度砂岩。试样的物理力学性质见表1。
3 实验结果及分析
3.1 围压下油介质渗透率与气测渗透率的比较
试验岩样的气测渗透率及围压下油介质渗透率
的测试结果表示(表2):在模拟井下压力环境下油介质渗透率远小于气测渗透率,一般同一种岩石油介质渗透率仅为空气渗透率的1 10～1 15,且油介质渗透率受围压影响较大,414号岩芯在两种围压下测得的渗透率相差约1倍。因此,在根据压差计算产量或预测出砂时,应使用模拟井下压力环境下的油介质渗透率数据,这样才能得到较为可靠的结果。3.2 渗透率与压差(或流量)的关系——速敏试验
测试油介质渗透率是在模拟井下压力环境条件下,通过测出给定尺寸试样在给定压差下的流量而求得的。压差不同,流量也不同,当流量大到一定程度时,岩样中的散砂(自由砂)将产生移动而堵塞孔道使渗透率下降,此时的流量称为临界流量。7个岩样的试验结果见表3。从表中可以看出,对于疏松砂岩,流量对渗透率有明显影响,但规律性不明显。7个岩样中有2个岩样渗透率随流量增加而增大,另一个变化不大,另有4个则随流量增加渗透率降低。岩石渗透率一开始就降低的原因可是由于在围压作用下岩石压实所致,因而不能仅仅考虑是由于流量变化引起的。试验结果还表明:流量变化对渗透性影响的幅度也不一样。从表3中可以看出,渗透率大的速敏性大。这类试验结果表明,不能直接通过速敏试验确定临界流速,因为规律性不明显,且试样洗油后结构更加疏松,在围压作用下岩样压实造成渗透率的变化明显,且难以从速敏试验中分离出这种影响,因而造成难以直接应用。3.3 岩样渗透率随载荷的变化规律
加载过程中岩样内部结构发生变化,在加载初期由于岩样随载荷增加而压实,因而渗透性降低。当岩样产生屈服后,岩样孔隙结构发生破坏,也要造成渗透率降低。当载荷进一步增大到接近破坏时,由于岩石内部产生大量微裂隙,因而其渗透性将明显增大。炮孔周围岩石受力不同时将处于不同的变形状态,因而其渗透率也不能用单一的数据来表示,而应针对不同的变形破坏状态确定其渗透
表1 试验岩样的物理性质
Table 1 Physical properties of rock spec i m en
试样号
井深 m
岩性粘度中值孔隙度空气渗透率 M D
试验围压 M Pa
破坏载荷 M Pa
弹性模量 M Pa
泊松比
20
1142.8棕褐色砾状砂岩0.528.372515
32
0.05×104
0.151431156.3棕褐色砾状砂岩0.534.02.0×103
8240.03×1040.162001162.6棕褐色砾状砂岩0.3231.45121535
0.04×104
0.17
2251166.
6
棕褐色砾状砂岩0.4140.25.0×1035
41421414221197.9浅灰色粗砾岩1.034.
7
1.1×1041585429.50.11×1040.075×1040.230.262212221031.4含油粗砂岩0.2 4
2.1203660.894.40.80×1040.79×1040.270.11321992.9灰色砾状砂岩0.35 24.03091.31.22×1040.24421422
1039.0
中粒砂岩
0.1
15.9
1622
2857
0.37×1040.68×104
0.200.10
?688?岩石力学与工程学报2000年
表2 试样气测渗透率与油介质渗透率的对比Table2 Co m par ison between gas per m eability and o il m ediu m per m eability of sam ples
岩样号孔隙度
%
空气渗透率
M D
围压
M Pa
油介质渗透率
M D
2028.37251530～100 14334.02000880～200 20031.45121510～30 22540.250005300～500
41434.71080015
8
100～270
200～600
221 41.8201.5～2.5 222 41.8360.1～3.5 321 24.0300.3～0.4 421 0.97160.01
422 15.9220.6～1.5
表3 不同压差(流量)下储层岩样渗透率Table3 Per m eability of the rock spec i m en under
differen t pressure drawdown(f low capac ity)岩样号围压 M Pa压差 M Pa渗透率 M D
20150.5
2.5
4.0
98.6
82.89
77.78
14380.2
0.4
0.6
159.23
193.23
201.39
200151.0
2.0
4.0
26.37
26.64
25.63
41421150.1
0.2
0.25
112.59
234
258
4142280.05
0.1
0.15
399.16
194.07
395.96
2212010
14
16
2.46
2.26
2.16
4222210
12
14
16
18
21
1.51
1.19
0.98
0.91
0.80
0.66
率。
疏松砂岩加载过程中的渗透率变化曲线见图2,从图中可见,随轴向载荷增大,岩样渗透率均降低。这说明岩石进入塑性状态后渗透率明显低于弹性状态的渗透率,由于岩样一开始即进入塑性变形状态,故弹性区的渗透率选为初始加载时的渗透率,随塑性应变量增大,渗透率降低,最终趋于一个相对稳定的值。试样弹、塑性区的渗透率见表4所示。
硬脆性孔隙性砂岩渗透率较低,加载过程中渗透率的变化规律与疏松弱胶结砂岩的明显不同(图3)。可以看出:对中等胶结,一般渗透水平的岩样,随应力水平的增加,渗透率开始呈线性降低并趋于平滑,岩样接近屈服状态时渗透率急剧降低;当岩样进入破坏状态时,岩芯渗透率急剧增大,这主要是由其内部产生微裂缝所致。试验岩样弹塑性区的渗透率亦列在表4中。从表中的数据可以看出,塑性区的渗透率仅为弹性区渗透率的0.5～0.8倍。
图2 弱胶结砂岩渗透率随应力的变化规律
F ig.2 V ariati on of per m eability of w eak ly conso lidated
sandstone w ith stress
表4 孔隙性砂岩弹、塑性状态下的渗透率Table4 Per m eability of porous sandstone under
elastoplastic st ate
岩
性
岩样
号
围压
M Pa
弹性状态渗透
率K e M D
塑性状态
渗透率K p M D
比值
K P K e
疏
松
砂
岩
20
143
200
41421
41422
15
8
15
15
8
60
168
23.79
224
400
30
90
12.2
100
250
0.5
0.54
0.51
0.45
0.63
平均比值:K P K e=0
.526
中等
强度
砂岩
221
222
321
422
20
36
30
22
2.4～1.7
0.5～3.4
0.36
1.36
1.7～1.9
3.4～2.7
0.3
0.98
0.71
0.79
0.83
0.72
平均比值:K P K e=0.762
图3 中等胶结砂岩渗透率随载荷的变化规律
F ig.3 V ariati on of per m eability of moderately
conso lidated sandstone w ith load
3.4 渗透率与应力相关性模型
G.M.N arahara(1988)和J.2C.Roegiers(1995)测量了不同应力下岩样的渗透率,实验结果表明岩样有效应力对渗透率有明显的影响,但是没有给出
?
7
8
8
?
第19卷 增刊张守良等.岩石变形及破坏过程中渗透率变化规律的实验研究
其间的相关关系[2,3]。H .H .V aziri (1986)给出了岩石孔隙比与渗透率之间的相关关系:
K =K 0Λe 3
1
e 30 (1+e 0)(1+e 1)S 3式中:e 0为岩石初始孔隙比,e 1为测试点孔隙比,K 0
为岩石初始渗透率,K 为测试点渗透率,Λ为流体粘度,S 为流体饱和度。
H .H .V aziri 给出的方程,渗透率与岩石应力之间没有明显的关系,这种公式不利于在数值计算中应用。周远天(1998)给出了水平应力与渗透率间的相关式:
K =10
(-0.00741737S h +8.242516)
式中:S h 是最小水平应力。
对于弱至中等固结砂岩,从渗透率与应力关系曲线上能看出,当作用于岩样的差应力超过某一范围时,岩样渗透率急剧下降。实验数据分析表明渗透率与岩样的破坏比之间可用三次多项式表示为
k =ax 3
+bx 2
+cx +d
式中:a ,b ,c ,d 为拟合参数;x 为岩样破坏比,破坏比定义为
x =
Ρ3co t 2(45°-< 2)+2C co t (45°-< 2)1利用上式,结合油气田开采过程中的应力场变化,可确定储层的渗透率的变化规律,实现对产能进行动态预测。
4 结 论
本文通过大量的室内实验,对弱至中等胶结的
孔隙性砂岩储层变形破坏过程中的渗透率变化规律进行了深入细致的研究,得出如下规律。
(1)在模拟井下压力环境下油介质渗透率远小于气测渗透率,一般同一种岩石油介质渗透率仅为空气渗透率的1 10～1 15,而且油介质渗透率受围压影响较大。
(2)对于疏松高渗砂岩或胶结砂岩岩样,随应力(轴向应力、平均应力、差应力)水平的增加,渗透率近似呈线性降低,岩样屈服及破坏过程的影响不明显。
(3)对于中等胶结,一般渗透水平的岩样,随应力水平的增加,渗透率开始呈线性降低并趋于平滑,岩样接近屈服状态时渗透率急剧降低;当岩样进入破坏状态时,岩样的渗透率急剧增大。
(4)孔隙性砂岩塑性区的渗透率仅为弹性区渗透率的0.5～0.8倍。
参
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1
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～38TEST ING STUDY ON THE LAW OF PER M EAB I L IT Y VAR I AT I ON
IN PROCESS OF ROCK D EFOR M AT I ON AND DAM AGE
Zhang Shou liang 1,Shen Chen 2,D eng J ingen
3
(1Ch ina N ational P etroleum Corp oration , B eij ing 100724 Ch ina )
(2S heng li O il F ield , D ongy ing 257000 Ch ina ) (3U niversity of P etroleum , B eij ing 102249 Ch ina )
Abstract R eservo ir rock w h ich are satu rated by flu id is acted by overbu rden p ressu re ,tecton ic stress and flu id p ressu re .
In the p rocess of drilling ,com p leti on ,w elltest and o il p roducti on ,the stress state of rock
w ill be changed to b ring abou t stress concen trati on around bo reho le o r sho t ho le .T he effective stress of rock fram e increases w ith the dep leti on of flu id p ressu re .B ased on the tests of co re per m eab ility under differen t stress state ,the co rrelati on am ong rock p er m eab ility ,rock stress state ,and rock m echan ics param eter is analyzed ,and co rrespondingly a co rrelati on m odel is set up betw een p er m eab ility and stress state .T he ob tained resu lts w ou ld p rovide scien tific foundati on to deter m ine reasonab le p ressu re drop to p reven t reservo ir dam age in the p rocess of drilling and p roducti on test .Key words p er m eab ility ,stress state ,co rrelati on fo r m u la
?888?岩石力学与工程学报2000年
高速公路采空区地面变形计算及处理措施
高速公路采空区地面变形计算及处理措施 摘要：本文主要针对高速公路采空区地面变形问题进行分析，提出了高速公路采空区地面变形的计算方法，以期能够为高速公路采空区的地面变形计算问题提供参考，提升高速公路建设的效果，同时对高速公路采空区地面变形计算的处理措施进行了深入研究。 关键词：高速公路；采空区；地面变形；计算 一、前言 随着我国高速公路数目的增多，高速公路采空区的地面变形计算也显得更加重要，只有做好了采空区的地面变形计算，才能够提升采空区的施工水平和建设质量。 二、采空区介绍 采空区，主要分为小型采空区以及大面积采空。在这我们主要讨论的是小型也就是浅层采空。 小型采空区也称为人为坑洞，是人们为了各种目的在地下挖掘后遗留下来的洞穴，它一般是手工，采空范围较窄，开采深度较浅，无规则，少支撑。小型采空区又分为掏煤洞、掏砂洞、掏金洞、坎儿井，在贵州西部的高速公路勘察设计中，主要以掏煤洞这种小型的采空是最为常见的，这类小采空区它们一般主要有以下一些特点：分布于埋藏浅且易于开采的含煤地层中，主要形状以平洞及斜井为主，煤洞长，多有岔洞，洞门处有简单支护，洞口多有弃渣堆砌的痕迹，且遇见地下水后就停止挖掘，由于采空设备有限，采空范围狭窄，多呈巷道式，不会产生移动盆地，但因为开采深度较浅，又任其坍落，底边变化较剧烈，主要的一些变形类型有地表塌陷和开裂等，地表裂缝的分布常常与开采工作面方向平行，且随开采面的推进而不断向前发展，除极浅的采空区外，裂缝一般上宽下窄，且无显著位移。 三、采空区地表移动监测网的设计 1、公路的采动响应性能分析 由于开采沉陷，采空区地表将产生2种移动和3种变形：垂直下沉、水平移动、倾斜、曲率与水平变形。采动移动与变形将导致道路工程在通过采空塌陷区时可能会发生路基路面病害、桥梁或隧道病害等，如路基的过量沉陷或差异沉陷导致的开裂、路基坡度的变化，水平移动与变形导致的路基压缩或拉伸引起坡度、竖曲线现状改变和沿路线方向的改变，地表倾斜和水平变形对路基稳定性的影响等。 根据铁路下采煤研究结果，路线发生突然的、局部的沉陷，危害较大，而大
岩石力学研究进展报告
岩石力学研究新进展报告 姓名：XXX 学号：XXXXXXXX 专业：岩土工程
岩石力学研究新进展报告 1 引言 时光如白驹过隙，一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习，使我在岩石力学方面有了很大的启发，特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。 岩石力学可以作为固体力学的一个新分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门内涵深，工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题，输入给模型的基本参数很难确定，而且没有多少对过程（特别是非线性工程）的演化提供信息的测试手段。另一方面，对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场（应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相（固、液、气）影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，其大多数是高度非线性的。目前，岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的，可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此，近年来，多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起，为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法，更能激发研究者的创新精神，这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。 本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细观力学四部分的研究新进展做简要报告。由于时间和精力有限（最近导师安排的任务非常多，而且要准备英语和政治期末考试），每部分内容除第一大段的研究新进展综述外，只对近几年的三篇比较好的文献做分析说明，包括两篇中文学术论文和一篇外文学术论文，这12篇学术论文我都比较仔细的看了。以后若有机会和时间，我会在导师和各位老师同学的不吝赐教下，努力做岩石力学的创新性研究，届时会在文献综述部分查阅和介绍更多最新以及更优秀的文献。 2 分形岩石力学 从古至今，岩石已成为人们熟知的工程材料，它是由矿物晶粒、胶结物质和大量各种不同阶次、不规则分布的裂隙、薄弱夹层等缺陷构成，是一种成分和结构高度复杂的孔隙体。岩石力学经过近50年的发展，人们尝试用各种数学力学方法研究和描述岩石复杂的自然结构性状和物理力学性质，提出了多种岩石力学分析和计算方法，为解决实际工程中的岩石力学问题创造了条件。19世纪70年代Mandelbrot创立分形几何学，提出了一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，从此分形几何学广泛地应用于自然科学研究的各个领域，并且在经济学等社会科学也有很巧妙的应用。19世纪80年代，分形几何学开始应用于岩石力学研究，开始形成分形岩石力学这一门新兴交叉学科。人们逐渐发现岩石力学领域中的分形现象相当普遍，不仅岩石的自然结构性状、缺陷几何形态、分布以及地质结构产状、断层几何形态、分布都观察到分形特征或分形结构，而且岩石体强度、变形、破断力学行为以及能量耗
采空区处理
当开采完成形成采空区后，在上覆压力和地下水等因素的作用下，该煤柱和开采区两侧的煤层软化，失去强度，导致上覆岩体塌陷、冒落，形成滑坡。 地下采空区对采矿工程的危害是显著和累积叠加的，主要体现在二个方面：一是采空区矿柱变形、破坏、顶板大面积冒落、岩移，造成地表沉陷、开裂和塌陷，破坏地面环境和影响露天作业，更为严重的是采空区突然垮塌的高速气浪和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏；另一方面在矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动影响导致岩体裂隙发育，甚至贯通地表或连通老窿积水，发生突水事故，淹没坑道和工作面，造成巨大经济损失。 矿体开采后，采场的原始应力状态被破坏，从而致使应力重新分布，时常导致矿柱失稳破坏。这种矿体开采后，当矿杜承受的应力超过自身强度时，发生的不连续的发散突变，即矿柱失稳破坏的现象。 其灾害的主要表现形式有:片帮、冒顶、突水、地震、岩爆、冲击地压、地面塌陷、地面沉降、地裂缝以及由其导致的滑坡、泥石流、地表植被破坏等多种形式。 在采空区与巷道坍塌方面，主要采用的防治技术有充填、加固、封闭和崩塌四种。在地下突水防治方面，目前主要采用注浆堵水和探放水技术。 我国地下开采矿山目前的实际情况是采空区灾害发生频繁，因事故死亡人数和国外同类相比相对较高，安全生产形势相当严峻，危及到人民群众的生命安全，对生态环境造成了严重破坏，给国家造成了巨大的经济损失，制约了我国矿山企业的可持续发展。 长期以来，国内外许多专家学者针对采空区围岩的稳定性作了大量的理论研究工作，提出了许多控制采空区灾害的实用技术。 采空区处理 对于矿山地下开采遗留的采空区，处理方法通常有封闭、崩落、加固和充填四大类。加固法处理采空区主要在采空区土方修建公路、隧道等工程时应用较多。由于成本较高，技术难度大，所以目前在矿山的开采阶段应用较少。在具体的采空区处理过程中，由于各个矿山存在的采空区数量、其所处位置、形态特征不一样，必须针对各采空区的特点和条件，分别采取相应的处理方法。有时采用两类
岩石力学试验报告-2010
长沙理工大学 岩石力学试验报告 年级班号姓名同组姓名实验日期月日理论课教师：指导教师签字：批阅教师签字： 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七
试验一、岩石单向抗压强度的测定 一、试验的目的： 测定岩石的单轴抗压强度Rc。当无侧限试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 本次试验主要测定天然状态下试样的单轴抗压强度。 二、试样制备： 1、试料可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块。在取料和试样制备过程中，不允许人为裂隙出现。 2、本次试验采用圆柱体作为标准试样，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.4cm，高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。 3、对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径之比宜为2.0～2.5。 4、制备试样时采用的冷却液，必须是洁净水，不许使用油液。 5、对于遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石，应采用干法制样。 6、试样数量：每组须制备3个。 7、试样制备的精度。 (1)在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。 (2)两端面的不平行度，最大不超过0.05mm。 (3)端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25。 三、试样描述： 试验前的描述，应包括如下内容： 1、岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，风化程度，胶结物性质等特征。 2、节理裂隙的发育程度及其分布，并记述受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。 3、量测试样尺寸，检查试样加工精度，并记录试样加工过程中的缺陷。 试件压坏后，应描述其破坏方式。若发现异常现象，应对其进行描述和解释。 四、主要仪器设备：
岩石力学数值试验实验报告
岩石力学数值试验实验报告 姓名：郑周立学号： 1108010103 班级：采矿111班指导教师：左宇军 同组人：郑周立、周义现、胡斌、朱红伟、高言、 王坤 实验名称：圆孔对岩石力学性质影响的数值加载 试验 2014年5月16日
圆孔对岩石力学性质影响的数值加载试验 一、实验目的: 1.通过对RFPA2D学习，知道RFPA2D基本使用方法。 2.了解RFPA2D模拟试验的条件和RFPA2D的基本功能。 3.通过操作端部效应对岩石力学性质影响的数值实验，了解每一步操作以及岩石破裂过程，最终完成实验得到结果。 二、实验原理: RFPA-2D是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。 三、 1、试样尺寸： 100mm*51mm 2、基元数: 100*51 3、应力分析模式: 平面应变 4、圆孔：半径10mm 5、加载方式：单轴压缩 6、加载条件：竖向位移加载 7、均质度m=2 8、加载量：每步0.002mm
9、实验内容： （1）、应力-应变曲线； （2）、强度； （3）、破坏模式 四、实验内容： (一)、操作步骤： 第一步启动RFPA，新建模型建立存放的根目录 第二步划分网格，单击在弹出的窗口中设置模型的大小，单击确定第三步选择施加荷载模式... （二）实验结果 弹性模量图 第1步
第4步（开始破坏） 第7步（开始横向破坏） 第32步（彻底破坏） 第200步
最大剪应力图第1步
第4步（开始破坏） 第33步（彻底破坏） 第200步 最大主应力图
某滑坡的变形和破坏机理分析研究
某滑坡的变形和破坏机理分析研究 介绍了某滑坡的特征，分析了滑坡区区域工程地质和水文地质特征，对该滑坡体的变形和破坏机理进行了研究和分析。分析表明：人为活动和地形地貌是滑坡发生变形破坏的主要因素，降雨诱发、岩层产状等因素是造成滑坡发生滑动和进一步破坏的诱发因素。 标签：滑坡变形破坏诱发因素 1概述 塔山滑坡位于广东省开平市长沙区平岗村塔山开元塔底。由于建设工程的需要，在塔山的东南侧进行采石，采用放炮等土石法，致使塔山南侧岩石大量开采形成陡崖，并使周边岩土体产生裂缝，之后由于人为因素和自然因素的影响，塔山南侧裂缝逐渐扩大，至90年代，开始形成滑坡。1999～2001年，在修建塔山公园公路时对山体坡脚进行开挖，在公路北侧形成高约10～17m，坡度约35～45°的高陡边坡，滑坡距公路最近的平岗村居民区约22m，山坡坡脚距公路最近仅2m左右。2004年和2005年雨季，由于连降暴雨，滑坡有活动下滑的趋势，滑坡体前缘公路路面隆起，最高处隆起约40cm，隆起部分面积约有20～30m2，公路北侧排水沟产生变形歪斜，部分已经破坏，水沟上方在雨水后有地下水浸出，形成间歇性下降泉，平岗村内部分房屋墙面产生裂痕，进出塔山公园的公路曾数次被塔山山坡上崩塌的土体破坏。 2滑坡变形形态特征 X 根据实地踏勘，除滑坡体后壁出现较大裂缝外，滑坡周界及滑坡体底部也有约13处裂缝，现将裂缝走向一致的裂缝分为一组，共五组裂缝（表1）。 3滑坡体的工程地质与水文地质特征 塔山滑坡滑坡体主要由第四系坡积土层、风化残积土层、侏罗系中上统百足山群、全风化、强风化、少量中风化基岩组成（见图1）。滑坡体中上部为残积土层，主要由粉土、粉质粘性土组成，呈可塑状或松散状，含较多的碎石和砂、砾石，透水性较好；风化残积土层主要由粉质粘性土，含少量碎石和砂砾石组成，局部夹有全风化、强风化岩，其透水性较差；基岩主要为全风化、强风化泥质粉砂岩，含少量强、中风化岩块，其透水性较好；滑床基本处在中—微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩中，岩石呈中厚层状，岩质坚硬，局部裂隙发育，透水性好。 滑坡区地下水主要为第四系冲积土层、残坡积土层中的孔隙水和基岩裂隙水，地下水补给来源主要为大气降水的渗入补给和相邻含水层之间的侧向补给。
采空区塌陷处理措施方案
深度解析：采空区地面塌陷勘察与设计！ 本文从采空区塌陷勘察、采空区塌陷治理设计两方面展开： 一采空区塌陷勘察 主要依据：高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册； 岩土工程勘察规； 铁路工程不良地质勘察规程； 一）采空区分类： 1、按采煤方法与顶板管理方法分类： （1）长壁陷落法采空区：由长壁大冒顶采煤法形成的采空区 （2）短壁陷落法采空区：由短壁自由冒顶采煤法形成的采空区（3）巷柱或房柱式采空区：由巷柱或房柱式采煤法形成的采空区 （4）条带法或填充法采空区：由条带或填充采煤法形成的采空区 2、按采煤深厚比可分为以下几类： （1）浅层采煤区：开采深、厚比小于40的采空区； （2）中深层采空区：开采深、厚比大于40，但小于200的采空区； （3）深层采空区：开采深、厚比等于或大于200的采空区。 3、按煤矿采空区形成和停采的时间分类： 可以分为新采空区和老采空区两种。 新采空区是指现采空的采空区，其地表移动、变形尚未发生或正
在发生过程中，或位于正在采煤的采区、采煤工作面近旁的采空区已放顶，地表移动、变形和移动盆地正在发生、发展中。 老采空区是指已停采闭矿的矿区或已停采的采空区，其地表移动、变形和移动盆地等已形成并趋于稳定的采空区。 采空区地面变形灾害包括地面塌陷、地面沉降、地面开裂（地裂缝）等。勘察围应大于地面变形围。 1998年5月发生的临澧县衫板乡石膏矿塌陷，直径达47米。 (一) 主要任务 查明老采空区上覆岩层的稳定性,预测现采空区和未来采空区的地表移动和变形特征，对工程场地的适宜性进行评价。在此基础上，提出预防、整治的对策和方案。 可行性研究勘察阶段 1、该阶段应以收集资料、工程地质调查、采矿情况调查为主，辅之以大比例尺航卫片解译，必要时可布置少量勘探工作。其工作容
金属矿山采空区安全监测方案设计
金属矿山采空区安全监测方案设计中国安全生产科学研究院
目录 1监测方法 (2) 1.1应力监测 (2) 1.2位移监测 (3) 1.2.1井下位移监测： (3) 1.2.2地表位移监测 (4) 1.3声发射监测 (5) 1.4综合监测方法选取 (6) 2传感器 (7) 2.1光纤应力应变传感器 (7) 2.2位移传感器 (7) 2.3声发射传感器 (8) 2.4传感器的选取 (8) 3监测系统结构设计 (10) 3.1光纤光栅监测系统 (10) 3.1.1岩石应力监测 (10) 3.1.2锚杆应力监测 (10) 3.2激光测距监测系统 (11) 3.3声发射监测系统 (11) 3.4系统结构与数据传输 (11) 4成本估算.................................................................... 错误！未定义书签。
1监测方法 一般岩土工程常用的监测方式主要采用：人工查看、多点位移计、断面收敛测量、水准测量、压力计、声发射、微地震等多种监测检测技术。如何有效、动态、综合、准确地监测采空冲击性灾害的发生、发展情况，建立全光纤、多参数、大范围、高集成性的灾害监测系统，仍有待本项目的进一步研究。 1.1 应力监测 应力监测是在矿山应用较为广泛的一种监测手段，测量结果可以直接与理论分析计算结果相互应证。空区围岩（含矿柱）应力的变化反映了采空区稳定状况，通过围岩应力监测得到应力变化规律，并可以应用模糊聚类分析的方法对监测结果进行聚类分析，从而就可以对各采空区稳定性进行分析比较，最后确定采空区稳定性等级与维护采空区稳定性的关键矿柱。通过对应力的连续监测，绘制应力-时间曲线，可以进一步研究矿压显现规律，判断围岩的稳定性。 在矿山应力监测中，最为传统的监测方法是采用压力盒，目前应用最广泛的是光弹性应力计。光应力计是一个具有双折射特性的带有轴向圆孔的弹性玻璃圆柱体，将它埋设到岩体钻孔内，可视为无限大岩石平板中嵌入一个同心圆环的平面应力问题。应用弹性力学公式及光测弹性力学的应力光学定律，可以导出岩体应力值。对采空区矿压进行监测，需要在接近采空区的周边巷道向采空区方向钻孔，将应力传感器安设在钻孔内，通过铜绞线采集数据后传至地表进行矿压的实时在线分析。 目前，采用扫描式迈克尔逊白光干涉仪对应力场引起的高双折射保偏光纤（PMF）内部的分布式偏振模式耦合理论（天津大学光电学院），由偏振模耦合的强度计算应力的大小，通过由双折射引起的2个正交的偏振模的光程差可以计算应力的位置，可实现1km的测量范围，对应力作用点的空间位置定位，测试精度可达到mm量级，对偏振模耦合强度测试可达到-80dB的灵敏度，实现矿山采空区岩层的大范围监测和应力的定位，是应力监测研究的重点方向。
岩石力学试验报告
岩石力学实验指导书及实验报告 班级 姓名 山东科技大学土建学院实验中心编
目录 一、岩石比重的测定 二、岩石含水率的测定 三、岩石单轴抗压强度的测定 四、岩石单轴抗拉强度的测定 五、岩石凝聚力及内摩擦角的测定（抗剪强度 试验） 六、岩石变形参数的测定 七、煤的坚固性系数的测定
实验一、岩石比重的测定 岩石比重是指单位体积的岩石（不包括孔隙）在105～110o C 下烘至恒重的重量与同体积4o C 纯水重量的比值。 一、仪器设备 岩石粉碎机、瓷体或玛瑙体、孔径0.2或0.3毫米分样筛、天平（量0.001克）、烘箱、干燥器、沙浴、比重瓶。 二、试验步骤 1、岩样制备：取有代表性的岩样300克左右，用机械粉碎，并全部通过孔径0.2（或0.3）毫米分样筛后待用。 2、将蒸馏水煮沸并冷却至室温取瓶颈与瓶塞相符的100毫升比重瓶，用蒸馏水洗净，注入三分之一的蒸馏水，擦干瓶的外表面。 3、取15g 岩样（称准到0.001克）得g 借助漏斗小心倒入盛有三分之一蒸馏水的比重瓶中，注意勿使岩样抛撒或粘在瓶颈上。 4、将盛有蒸馏水和岩样的比重瓶放在沙浴上煮沸后再继续煮1～1.5小时。 5、将煮沸后的比重瓶自然冷却至室温，然后注入蒸馏水，使液面与瓶塞刚好接触，注意不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 1。 6、将岩样倒出，比重瓶洗净，最后用蒸馏水刷一遍，向比重瓶内注满蒸馏水，同样使液面与瓶塞刚好接触，不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 2。 三、结果：按下式计算： s d g g g g d 1 2-+= 式中：d ——岩石比重； g ——岩样重、克； g 1——比重瓶、岩样和蒸馏水合重、克； g 2——比重瓶和满瓶蒸馏水合重、克； d s ——室温下蒸馏水的比重、d s ≈1
采空区地表沉降影响因素研究
采空区地表沉降影响因素研究 孙 超 1,2 ,薄景山 1,3 ,刘红帅1,齐文浩 1 1.中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080 2.吉林建筑工程学院勘查工程系,长春 130021 3.防灾科技学院地震工程系,河北三河 065201 摘要:采空区地表沉降影响因素众多,以有限元软件A N SYS 为基础,利用数值模拟方法的灵活性,分别对各主要影响因素进行分析。选用适合于岩土类材料的德鲁克-普拉格本构模型,利用A NSY S 特有的/杀死单元0命令模拟矿体被采出,再通过/激活单元0命令模拟采空区被填充。分别研究了开采深度、开采厚度、地形条件、采空区填充等因素对地表沉降的影响。结果表明:随开采深度的增加,地表变形随之降低;随开采厚度的增加,地表变形增长较快;随着地形坡度的变化,采空区地表移动盆地逐渐向地势较低方向移动;矿体开采后及时充填,对控制地表变形效果显著。 关键词:采空区;地表沉降;A NSY S;德鲁克-普拉格模型 中图分类号:P642.2 文献标识码:A 文章编号:1671-5888(2009)03-0498-05 收稿日期:2008-12-17 基金项目:国家自然科学基金项目(50808164) 作者简介:孙超(1978)),男,黑龙江绥阳人,博士研究生,讲师,主要从事地下结构、岩土工程抗震方面研究,E -mail: sunchaobox @https://www.wendangku.net/doc/573612533.html, 。 Study on Influencing Factors of Ground Settlement over Mined -Out Area SUN Chao 1,2,BO Jing -shan 1,3,LIU H ong -shuai 1,Q I Wen -hao 1 1.I nstitu te of E ngineer ing M echanics ,China E arthquake A d ministration,H arbin 150080,China 2.I nv estig ation E ngineer in g Dep artment,J ilin Institute of Ar chite ctu re and Civ il Eng inee ring ,Chang chun 130021,China 3.Ear th quake Engineer ing Dep artment,I nstitute of Disater Pr ev ention Sc ienc e and Te chnology ,Sanhe ,H e bei 065201,China Abstract:There are many factor s to influence on the g round settlement in mined -o ut area.Based o n the finite element software ANSYS,making use o f the flexibility of numerical sim ulation method,the main factor s are analyzed respectively.The Druker -Prag er m odel is chosen,w hich is suitable to simulate the m aterials of rock and soil.-Kill Elem ent .co mmand is used to simulate the situation of ex plo iting,and then the co mmand of -Activ ate Element .in ANSYS is used to sim ulate that the mined -out ar ea is filled.T he influence of each factor in the g round settlement o ver m ined -out area is studied r espectively such as depth,thickness of the mined -o ut area,the topog raphic co ndition and the filling of the mined -out area.The r esult show s that the gr ound settlement decreases w ith the increase of the mining depth,the g round settlem ent increases obviously w ith the increase of m ining thickness,the basin m ovement w ill m ove to the low er direction w ith the change of topogr aphty ,and it w ill reduce the gr ound settlement ev idently to fill the mined -o ut ar ea in time after mining. Key words:mined -out area;g round settlement;ANSYS;Dr ucker -Prag er model 第39卷 第3期 2009年5月 吉林大学学报(地球科学版) Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n) Vo l.39 No.3 M a y 2009
中南大学ANSYS上机实验报告
ANSYS上机实验报告 小组成员：郝梦迪、赵云、刘俊 一、实验目的和要求 本课程上机练习的目的是培养学生利用有限单元法的商业软件进行数值计算分析，重点是了解和熟悉ANSYS的操作界面和步骤，初步掌握利用ANSYS建立有限元模型，学习ANSYS分析实际工程问题的方法，并进行简单点后处理分析，识别和判断有限元分析结果的可靠性和准确性。 二、实验设备和软件 台式计算机，ANSYS10.0软件 三、基本步骤 1）建立实际工程问题的计算模型。实际的工程问题往往很复杂，需要采用适当的模型在计算精度和计算规模之间取得平衡。常用的建模方法包括：利用几何、载荷的对称性简化模型，建立等效模型。 2）选择适当的分析单元，确定材料参数。侧重考虑一下几个方面：是否多物理耦合问题，是否存在大变形，是否需要网格重划分。 3）前处理（Preprocessing）。前处理的主要工作内容如下：建立几何模型（Geometric Modeling），单元划分（Meshing）与网格控制，给定约束（Constraint）和载荷（Load）。在多数有限元软件中，不能指定参数的物理单位。用户在建模时，要确定力、长度、质量及派生量的物理单位。在建立有限元模型时，最好使用统一的物理单位，这样做不容易弄错计算结果的物理单位。建议选用kg，N，m，sec；常采用kg，N，mm，sec。 4）求解（Solution）。选择求解方法，设定相应的计算参数，如计算步长、迭代次数等。 5）后处理（Postprocessing）。后处理的目的在于确定计算模型是否合理、计算结果是否合理、提取计算结果。可视化方法（等值线、等值面、色块图）显
金属材料损坏与变形
金属材料与热处理陈健 晶体的缺陷第二章金属材料的性能 ⑴了解金属材料的失效形式， ⑵了解塑性变形的基本原理， ⑶提高对金属材料的性能的认识。 正确理解载荷，内力、应力的含义。 应力的应用意义。 ⑴与变形相关的概念 ⑵金属的变形 讲授、提问引导、图片展示、举例分析、
一，晶体的缺陷： 1点缺陷：间隙原子，空位原子，置代原子，在材料上表现为：使材料强度，硬度和电阻增加。 2线缺陷：刃位错（如图：P-6），在材料上表现为：使得金属材料的塑性变形更加容易。 3面缺陷：有晶界面缺陷和亚晶界面缺陷，表现为金属的塑性变形阻力增大，内部具有更高的强度和硬度。因此晶界越多，金属材料的力学性能越好。 第二章金属材料的性能 导入新课： 我们经常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去了工作能力。大家能否举些身边的例子呢？ ——如：弯曲的自行车辐条，断掉的锯条、滑牙的螺栓等。 机械零件常见的损坏形式有三种： 变形：如铁钉的弯曲。 断裂：如刀具的断崩。 磨损：如螺栓的滑扣。 本次课给大家介绍金属材料损坏的形式、变形概念与本质等等，首先我们来了解一些基本概念。
一、与变形相关的概念 ㈠、载荷 1、概念 金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 2、分类：根据载荷作用性质分，三种： ⑴、静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。 ——如：桌上粉笔盒的受力，用双手拉住一根粉笔两端慢慢施力等。 ⑵、冲击载荷：突然增加的载荷。 ——如：用一只手捏住粉笔的一端，然后用手去弹击粉笔。 ⑶、变交载荷：大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 ——如：通过在黑板上绘图分析自行车轮转动时辐条的受力。 根据载荷作用形式分，载荷又可以分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭曲载荷等。 拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷 剪切载荷扭曲载荷 ㈡、内力 见车工工艺书 P32， 图2—20
岩层实验报告
中国矿业大学矿业工程学院实验报告
《岩层控制》实验报告 实验一矿山岩体力学实验 注：包括岩石抗拉、抗压、抗剪三个内容。 岩石的抗拉强度试验 一、实验目的与要求 岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。由于进行直接拉伸实验在准备试件方面要花费大量的人力、物力和时间，因此采用间接拉伸实验方法来测试岩石的抗拉强度。劈裂法是最基本的方法。 二、实验仪器 （1）钻石机或车床，锯石机，磨石机或磨床。 （2）劈裂法实验夹具，或直径2.0mm钢丝数根。 （3）游标卡尺（精度0.02mm），直角尺，水平检测台，百分表架和百分表。（4）材料实验机。 三、实验原理 图3-1显示的是在压应力作用下，沿圆盘直径y-y的应力分布图。在圆盘边缘处，沿y-y方向（σy）和垂直y-y（σx）方向均为压应力，而离开边缘后，沿y-y方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少，并趋于平均化；垂直y-y方向变成拉应力。并在沿y-y的很长一段距离上呈均匀分布状态。虽然拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏，破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。 χy r/R 0.5 -0.5x σyσx y 压缩拉伸应力值/MPa 160120804040 图3-1 劈裂实验应力分布示意图四、实验内容
(1) 了解试件的加工机具、检测机具，规程对精度的要求及检测方法； (2) 学会材料实验机的操作方法及拉压夹具的使用方法； (3) 学会间接测试岩石抗压强度及数据处理方法。 五、 实验步骤 （1） 测定前核对岩石名称和岩样编号，对试件颜色、颗粒、层理、裂隙、风 化程度、含水状态机加工过程中出现的问题进行描述，并填入记录表1-1内。 （2） 检查试件加工精度，测量试件尺寸，填入记录表内。 （3） 选择材料实验机度盘时，一般应满足下式：0.2 P 0< P max <0.8P 0 （4） 通过试件直径两端，沿轴线方向画两条互相平行的线作为加载基线。把试件放入夹具内，夹具上、下刀刃对准加载基线，用两侧夹持螺钉固定好试件，或用两根直径2.0mm 的钢丝放在加载基线上，钢丝间用橡皮筋固定。 （5） 把夹好试件的夹具或夹好钢丝的试件放入材料实验机的上、下承压板之间，使试件的中心线和材料实验机的中心线在一条直线上。 （6）开动材料实验机，施加数百牛载荷后，松开夹具两侧夹持螺钉，然后以0.03~0.05MPa/s 的速度加载，直至试件破坏。 （7）记录破坏载荷，对破坏后的试件进行摄影或描述。 六、 注意事项 （1） 记录试件的完整状态， （2） 选择合适的材料实验机及合适的实验机度盘值， （3） 夹具对试件的加载方向要与试件的轴线在一平面上， （4） 选择合适的加载速率。 七、 数据处理 表1-1 计算试件单向抗拉强度： R 1= 102?DL P π=5.98MPa 式中 R 1—试件的抗拉强度，MPa ； P —试件破坏载荷，kN; D —试件直径，cm; L —试件厚度，cm 。 八、误差分析 （1）试件自身各方面的影响； （2）系统误差；
岩体的变形与破坏的本构关系
第三章岩体的变形与破坏 变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。 破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。 1．岩体变形破坏的一般过程和特点 （1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段 ①压密阶段（OA段）： 非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显； 裂隙闭合、充填物压密。 应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。 ②弹性变形阶段（AB段）： 经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质； 应力-应变呈线性关系； 弹性极限B点。 ③稳定破裂发展阶段（BC段）： 超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。 a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展； b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；
④不稳定破裂发展阶段（CD段）： 微破裂发展出现质的变化： a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展； b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。“累进性破坏”。 c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大； ※结构不均匀；起始点为“长期强度”； ⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）： 破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低， 岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。 （2）岩体破坏的基本形式 ①张性破坏（图示）； ②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。 ③塑性破坏（图示）。 破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征； 二者的相互关系。 ①破坏形式与受力状态的关系： a.与围压σ3有关： 低围压或负围压—拉张破坏（图示）； 中等围压—剪切破坏（图示）； 高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。 的关系： b.与σ 2 σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°； σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°; 4≤σ2/σ3≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。 ②破坏形式与岩体结构的关系： 完整块体状—张性破坏； 碎裂结构、碎块结构—塑性破坏； 裂隙岩体—取决于结构面与各主应力之间的方位关系。
采空区探测技术研究现状及发展趋势
采空区探测技术研究现状及发展趋势（薛云峰等） 作者：薛云峰胡伟华鲁辉 ［摘要］本文在研究国内外采空区探测技术的基础上，对采空区探测方法进行了分类，分析了各种方法地球物理场的特点及解决问题的优势和缺陷，提出了根据采空区的特点，建立探测方法的数学物理模型，优化综合探测技术，提高探测结果准确性和可靠性的结论。 ［关键词］采空区地球物理探测发展趋势 1 采空区探测的目的与意义 矿产作为一种重要的资源，其开采形成的采空由于历史的原因，大多未进行有效地治理，而处于废弃状态，有的采空区出现了大面积的地面沉陷，有的采空出现了地面裂隙，有的尚未出现明显的反映，采空作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，给矿山的安全生产、工程建设和人民的生命财产造成了严重的威胁。要对采空区治理，对采空区的地理位置、埋深、现状情况进行了解是关键，只有对采空区的空间分布状态有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,为减轻和预防由地下采空区所引发的地质灾害,建立地质灾害预警系统,探索用综合物探方法探测采空区的分布，为评价和治理提供依据是十分迫切和有意义的。目前,采空区的探测已经成为一项重要的研究课题,但是仍处于发展阶段。 2 采空区探测方法的研究现状 采空区的探测，目前，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲等国家工程物探技术也较全面，在采空区的探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量
岩体力学实验..
岩体力学实验 一.实验目的 岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 1.钻石机、锯石机、磨石机； 2.游标卡尺，精度0.02mm； 3.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架； 4.YE-600型液压材料试验机； 5.JN-16型静态电阻应变仪； 6.电阻应变片（BX-120型）； 7.胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。 三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。 2. 加工精度： a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。 c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显
缝隙。 3.试样数量： 每种状态下试样的数量一般不少于3个。 4.含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d ，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。 四.电阻应变片的粘贴 1.阻值检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过0.5Ω。 2.位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂隙，节理等弱面。 3.粘贴工艺：试样表面清洗处理→涂胶→贴电阻应变片→固化处理→焊接导线→防潮处理。 五.实验步骤 1. 测定前核对岩石名称和试样编号，并对岩石试样的颜色、颗粒、层理、 裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。 2. 检查试样加工精度。并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。 3. 电阻应变仪接通电源并预热数分钟后, 连接测试导线，接线方式采用公 1—百分表 2-百分表架 3-试样 4水平检测台 图5-1 试样平行度检测示意图 1—直角尺 2-试样 3- 水平检测台 图5-2 试样轴向偏差度检测示意图 图5-3 电阻应变片粘贴
矿区采动诱发地表变形
⑴评估区地表移动变形预测 采用倾斜长壁、走向长壁为主的采煤方法，顶板管理采用全部垮落法，设计工作面长度150—260m ，推井长度1800—2800m ，属充分采动。 国内外采矿经验认为，当煤层采深采厚比小于30时，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的不连续特征，地表变形剧烈，煤矿采空区上方会形成较大的裂缝或塌陷坑。当采深采厚比介于30—100之间，地层中没有较大地质破坏情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的连续性和一定的分布规律，常表现为地表移动盆地。 上组煤层埋深及采深采厚比特征见下表。 表3—4 上组煤采深采厚比特征表 采深采厚比特征表明，当上组煤层联合采出后，将会引起岩层移动并波及到地表，局部地段地表变形剧烈，煤矿采空区上方会形成较大的裂缝或塌陷坑。 为定量评估开采上组煤层后地表变形特征，下面依据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下简称《规程》）中的经验公式，对煤层开采后地表最大移动、变形和倾斜值进行计算。采用公式如下： 地表移动与变形极值计算： 最大下沉值：Wmax=Mqcos α 最大曲率值：Kmax=±1.52 2 max r W 最大倾斜值：Imax= r W max 最大水平移动值：Umax=b Wmax 最大水平变形值：εmax=±1.52b r W max
式中： q—下沉系数 M—煤层采空区厚度（m） r—主要影响半径，其值为采深与影响角正切值tgβ之比 α—煤层倾角 b—水平移动系数 本矿无实测的地表移动变形基本参数数据，本次评估中煤层厚度、埋深采用《煤矿资源储量核实报告》中的数据，其它参数根据根据覆岩性质及顶板单向抗压强度在《规程》P222附表5-3中选择经验参数。根据《选煤厂改扩建可行性研究报告（修改）》，在方案适用期内，开采北一采区（5#）、北二采区（2#煤）和北三采区（3#+4#）。北一采区综采工作面长度180m、平均采高2.8m，设计工作面年推进度按2800m；北三采区综采工作面长度260m，平均采高4.2m，设计工作面年推进度为1800m；北二采区2#煤综采工作面长度150m，平均采高1.08m，设计工作面年推进度为2200m。 从全矿区煤层分布情况看，2#、3#、5#大部分区域稳定可采，4#煤层全区稳定可采。因2#、3#、4#、5#煤层间距较近（2#、3#煤层间距平均10.34m，3#、4#煤层间距平均6.16m，4#、5#煤层平均间距5.56m），矿区内上组煤采取联合开采方式。本次变形特征值计算将上组煤合并进行。 从煤层底板高线来看，井田为一缓倾斜的单斜构造，地层走向自北向南由南北向渐变为北西向，倾向由西渐变为南西，地层倾角平缓，一般为3～15°，平均7°。 井田上组煤顶板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，单轴抗压强度为10.8－36.2MPa，分别为较稳定和不稳定顶板。 下沉系数取q初=0.80，q复=（1+a）q初=0.96； 水平移动系数取b初=0.26； 移动角取72°； 水平移动系数取b复=b初=0.26 主要影响角正切tgβ=2.77 按上述公式及计算参数，上组煤开采后，不同埋深地表产生的最大变形值列
岩体的变形与破坏
岩体的变形与破坏 1 基本概念及研究意义 变形：岩体的宏观连续性无明显变化者。 破坏：岩体的宏观连续性已发生明显变化。 岩体破坏的基本形式：（机制）剪切破坏和拉断（张性）破坏。 一、岩体破坏形式与受力状态的关系 岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。 注意：岩全破坏机制的转化随围压条件的变化而变化。 破坏机制转化的界限围压称破坏机制转化围压。 一般认为，1/5~1/4[σ]不可拉断转化为剪切。 1/3~2/3[σ]可由剪切转化为塑性破坏。 有人认为（纳达），可用2σ偏向1σ的程度来划分应力状态类型。 应力状态类型参数 3 13122σσσσσα---= （＝1，即σ2＝σ1； ＝－1，即σ2＝σ3） 二、岩体破坏形式与岩体结构的关系 低围压条件下岩石三 轴试验表明。 坚硬的完整岩体主要表现为张性破坏。 含软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力夹角合适时，则表现为沿结构面的剪切。 碎裂岩体的破坏方式介于二者之间。 碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。 对第一种情况，某破坏判据已经介绍很多了。 第二种情况，可采用三向应力状态莫尔圆图解简单判断。 三、岩体的强度特征 单轴应力状态时，结构与1σ方向决定了岩体的破坏形式。 复杂应力状态时，含一组结构面的岩体破坏形式与岩体性质、结构面产状，应力状态关系很大。 2 岩体在加荷过程中的变形与破坏 2.1 拉断破坏机制与过程 一、拉应力条件下的拉断破坏 当0331≤+σσ时，拉应力对岩石破坏起主导作用。
t S -=][3σ 二、压应力条件下的拉断破坏 压应力条件下裂缝尖端拉应力集中最强的部位位于与主压应力是?=40~30β地方向上，并逐渐向与 1σ平行地方向扩展。当0 331>+σσ时，破坏准则为： t S 8)/()(31231=+-σσσσ 3σ=0时为单轴压拉断。 2.2 剪切变形破坏机制与过程 一、潜在剪切面剪断机制与过程 A ．滑移段 B ．锁固段 进入稳定破裂阶段后，岩体内部应力状态变化复杂。产生一系列破裂。 （1）拉张分支裂隙的形成，原理同前。 （2）不稳定破裂阶段法向压碎带的形成，削弱锁固段岩石。 （3）潜在剪切面贯通。 剪胀，压碎带剪坏，锁固段变薄弱，最终全面贯通。 剪切破坏过程中岩石销固段被各个击破，所以整个剪切过程中剪切位段具有脉动的特征。 二、单剪应力条件下变形破坏机制与过程 即力偶作用于有一定厚度的剪切带中。 这种应力条件下可出现的两种破坏，张性雁裂和压扭性雁裂。其中张性雁裂对软弱带的强度削弱最大。 三、沿已有结构面剪切机制及过程（略） 2.3 弯曲变表破坏机制与过程 一、弯曲变形的基本形式 按受力条件：横弯、纵弯。 按约束条件：简支梁、外伸梁、悬臂梁。 梁弯曲时，轴受挤压，两翼受剪力作用→板梁滑脱 二、横弯条件下岩体的弯形与破坏 a. 轴部区 若以[] 2)()()(2121213231σσσσσσσ-+-+-=，y σ代表岩石的曲服应力。 极梁弯曲变形分三个阶段。 ①轻微隆起阶段 弯曲初期。梁底中心两侧出现局部塑性破坏，顶部受拉，但尚未破坏。（H/D=1.8%），H 上隆量。 ②强列隆起阶段