采动裂隙形态特征及其应力恢复过程中的动态响应

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受采动影响,上覆岩层会产生移动与破断,大量瓦斯受采动卸压解吸释放在裂隙区附近,研究采动覆岩裂隙的分布与发育为矿井瓦斯抽采系统布置提供了理论依据,特别是受我国煤矿当前复杂多变的地质条件限制,研究采动覆岩裂隙分布与发育特征非常必要。本课题通过对细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、石灰岩分别进行单轴抗压、单轴抗拉、单轴直剪试验,分析应力-应变曲线、力学参数、试件破坏形式和裂隙的发展以及试件断裂面的三维重构和断裂面特征参数的定量分析;并通过FLAC3D数值模拟软件对获得的裂隙试件以破断岩体尖点的高度、角度、接触面积和隙面填充度为特征参数进行数值模拟,构建力学本构模型,结合应力恢复的力学描述,获得应力恢复过程裂隙形态响应特征,得到如下结论:(1)岩石在单轴压缩情况下,岩石的破坏形式主要表现为剪切破坏、劈裂破坏,破坏岩石形状无规则,且在破坏过程中岩石剥落较为严重,主要由于岩石本身是非均质材料和岩石内部充填胶结程度的不同,造成应力分布不均。岩石在单轴拉伸情况下,岩石的拉伸破断位置具有随机性,但是破断处发生在距岩石端面较近的位置较多,岩石拉伸无明显岩石剥落现象,当岩石含有径向层理时,往往断裂处发生在层理位置,当岩石含有轴向层理时,断裂面有较大的落差。岩石在单轴直剪的情况下,岩石断裂时只有一条裂隙贯通整个试件,与单轴拉伸试验情况相似,承压面的断裂裂隙较为平直,水平面裂隙则表现为圆弧形较多。(2)基于FLAC3D数值软件模拟破断岩体啮合度和模拟隙面填充度对应力恢复过程的作用。在载荷相同、尖点的高度相同角度不同的情况下,尖点角度为30°、45°、60°时均在尖点的接触区域产生应力集中现象,当尖点角度越大其尖点接触面积越大,其承压强度就越大,损伤程度就越小;在载荷相同、尖点角度相同高度不同的情况下,尖点高度为1cm、2cm、3cm时同样均在尖点接触区域出现应力集中区域,当尖点高度越高,其尖点区域的接触面积就越小,越易发生塑性破坏;在载荷相同、尖点角度相同高度相同但尖点接触面积不同的情况下,应力集中区域为尖点接触区域的两侧,尖点接触面积越大,试件的承压能力越强。对填充度为15%、25%、35%的情况分析得,应力集中区均发生在填充块体的中部区域,在相同载荷、相同填充度情况下,灰岩作为填充块体时的承压性能较强,煤岩作为填充块体时的承压性能最弱,在相同载荷、相同岩性填充块体的情况下,随着填充度的增加,其承压性能也随之增强。
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