CN108333048A - 一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，根据国家标准规定和现场矿区实际工作情况选取不同赋存深度的岩体，在实验室中使用机械设备将不同赋存深度的岩体加工成岩体试样，然后对岩体试样进行采动应力环境模拟试验，得到不同赋存深度的岩体试样在无支撑柱开采方式下的应力应变数据，最后采用作图分析法得到不同赋存深度的岩体的岩石力学特征及其机理分析结果；该方法解决了传统实验没有探讨不同开采深度的工作面前方岩体应力演化规律以及没有考虑工程现场的应力状态和开采扰动的影响导致实验研究不准确和实用性不高的一系列问题。

Description

一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验方法，具体涉及一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，属于岩土工程领域。

背景技术

目前，我国煤炭开采以井下开采为主，随着矿产资源不断开采，浅部资源日益减少，开采深度不断增大，开发深地资源已经成为中国科技发展的重要方向。深部开采时，地质构造变得越复杂，工作面前方煤岩体采动应力环境演化过程发生变化，煤岩体自身属性也发生改变，这些均导致了煤岩体采动力学行为的差异性，因而基于不同赋存深度的煤层应力环境及物性特征，开展不同赋存深度的煤岩特征力学参数差异性研究，成为目前岩土工程领域主要任务之一。

传统的实验方法对岩体采动力学行为进行研究时，存在以下几个问题：

(1)传统的岩石采动力学实验没有探讨不同开采深度的工作面前方岩体应力演化规律，仍然沿用浅部的基本理论和常规支护方式，深部开采时，地质构造变得越复杂，岩体自身属性发生改变，因此岩石采动力学实验在实际深部开采工作中的实用性很低。

(2)传统的岩石采动力学实验中对实际采动应力环境的模拟大多是加载常规三轴试验或常规卸载试验，并根据三轴岩石力学试验获得的全应力应变曲线来描述和分析岩体的基本力学行为和变形破坏过程，这是一种静态的研究方式，只是能够模拟出煤矿下某个部位的岩石的受载破坏情况，没有考虑工程现场的应力状态和开采扰动的影响，而实际深部开采工作，岩体物理力学参数发生很大变化，表现出的基本力学特性与浅部煤岩的基本力学性能存在较大差异，因此岩石采动力学实验在实际深部开采工作中的准确度很低。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种综合考虑不同开采深度的工作面前方岩体应力演化规律、工程现场应力状态和开采扰动影响的基于采动应力环境模拟的高准确度、高实用性的岩石采动力学实验方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，包括如下步骤：

S1：选取具有不同赋存深度的岩体；

S2：将步骤S1选取的岩体制备成岩体试样；

S3：对步骤S2所述岩体试样进行采动应力环境模拟试验，得到不同赋存深度的岩体试样在无支撑柱开采方式下的应力应变数据；

S4：根据步骤S3得到的应力应变数据，采用作图分析法得到不同赋存深度的岩体的岩石力学特征及其机理分析结果。

本发明的有益效果为：

考虑了不同开采深度的工作面前方岩体应力演化规律，对不同赋存深度的岩体采动力学行为进行表征，提高了实验方法的准确性和实用性；对实验结果进行研究，避免了实际深部开采工作存在盲目性、低效性和不确定性，减少了深部特征灾害的出现，提高了开采安全和开采效率。

进一步地，步骤S1中，通过向下钻取的方式对平行于层理面方向的不同赋存深度的岩体进行选取；不同赋存深度的岩体选取于同一地区，岩体选取地区的层理面分布明显时，选取层理面方向一致的岩体。

上述进一步方案的有益效果为：

增加了实验岩体对自然岩体的模拟度，避免了由于取样环境土质、气温或其它因素不同对实验结果的影响，保证了无关变量的滤除，提高了实验的准确性。

进一步地，步骤S2中，将岩体加工成φ50mm×100mm的岩体试样，并进行统一编号。

进一步地，步骤S3中，至少进行三次对同一赋存深度岩体试样的采动应力环境模拟试验。

上述进一步方案的有益效果为：

减小了误差，保证了实验的准确性。

进一步地，步骤S3中进行的采动应力环境模拟试验，包括如下步骤：

S3-1：将岩体试样用热缩膜包裹，固定在岩石力学试验系统的试验平台上，并安装轴向引伸计和环向引伸计；

S3-2：以固定加载速率向岩体试样施加围压，达到围压预设值；

S3-3：根据采动应力卸荷速率向岩体试样施加轴向荷载和卸载围压；

S3-4：保持围压卸载速率不变，轴向荷载加载速率持续增加，持续向岩体试样施加轴向荷载和卸载围压，直到岩体试样发生整体失稳破坏，得到岩体试样的应力应变数据。

上述进一步方案的有益效果为：

综合考虑了工程现场应力状态和开采扰动影响，真实的模拟了矿井各部位岩体采动力学行为，提高了实验方法的准确性和实用性。

进一步地，步骤S3-2中，围压预设值σ的计算公式为：

σ＝λγH

式中σ为围压预设值；λ为侧压比；γ为煤岩体天然容重；H为赋存深度。

进一步地，侧压比λ的计算公式为：

式中λ为侧压比；H为赋存深度；a、b为常数。

进一步地，步骤S3中，应力应变数据包括轴向应力应变数据、环向应力应变数据和体积应力应变数据。

进一步地，步骤S4中，岩石力学特征包括采动变形特征、应力应变特征和破坏特征。

附图说明

图1为一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法流程图。

图2为不同赋存深度的煤岩采动应力路径图。

图3为不同赋存深度的煤岩采动力学行为特征曲线图。

图4为不同赋存深度的煤岩卸载围压速率与开采深度的关系图。

图5为不同赋存深度的煤岩采动破坏时的竖向及水平应力图。

图6为不同赋存深度的煤岩采动破坏时应变与峰值应力关系图。

图7为不同开采深度的煤岩采动中极限可释放弹性应变能图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明实施例中，一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：为满足不同赋存深度的的煤岩体特征力学参数差异性规律研究，根据国家标准规定和现场矿区实际工作情况选取具有不同赋存深度的块煤；

S2：在实验室中使用钻机、车床等机械设备将块煤加工成φ50mm×100mm的煤样，并进行统一编号；

S3：通过MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统对煤样进行采动应力环境模拟试验，得到不同赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据；

采动应力环境模拟试验，包括如下步骤：

S3-1：将煤样用热缩膜包裹，放置在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统的三轴试验平台上，然后安装轴向引伸计和环向引伸计，从而在试验过程中实时获得煤样的高精度变形数据，最后完全降下三轴腔，并且固定螺栓，向三轴室充满矿物质硅油，以便后续施加围压；

S3-2：以固定加载速率向煤样施加围压直到到达围压预设值，模拟煤岩体采动过程中普遍经历的从初始应力；

围压预设值σ的计算公式为：

σ＝λγH

式中σ为围压预设值；λ为侧压比；γ为煤岩体天然容重；H为赋存深度。

侧压比λ的计算公式(本计算公式为本领域技术人员公知常识)为：

式中λ为侧压比；H为赋存深度；a、b为常数。

S3-3：考虑采动影响初始阶段，不同开采深度煤岩体由初始状态逐渐变化至轴向应力集中系数K＝1.5，即轴向荷载加载速率和围压卸载速率之比为2.25:1；根据采动应力卸荷速率向煤样施加轴向荷载和卸载围压(采动应力卸荷速率的计算方法为本领域技术人员公知常识，在此不予表述)；

S3-4：随开采煤岩体工作面的推进，对应应力集中系数由K＝1.5逐渐变化至煤岩体发生卸载破坏时的K＝3.0，即轴向荷载加载速率和围压卸载速率之比为4.75:1；保持围压卸载速率不变，轴向荷载加载速率增加，持续向岩体试样施加轴向荷载和卸载围压，直至煤样发生整体失稳破坏，利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统的试验数据记录功能得到当前赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据；

针对某一赋存深度的煤样采动力学实验整个步骤如上所示，要进行其他深度煤样采动力学测试，仅需要基于深度调整相应的实验参数，重复上述步骤即可，最终获得不同赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据。

S4：对不同赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据采用作图分析法，得到在无煤柱开采方式下不同赋存深度的煤岩的采动变形特征、应力应变特征、破坏特征以及各特征的机理分析结果。

本发明实施例中，步骤S1中，通过向下钻取的方式对平行于层理面方向的不同赋存深度的岩体进行选取；不同赋存深度的岩体选取于同一地区，岩体选取地区的层理面分布明显时，选取层理面方向一致的岩体。

本发明实施例中，步骤S3中，至少进行三次对同一赋存深度的岩体试样的采动应力环境模拟试验。

本发明实施例中，步骤S3中，应力应变数据包括轴向应力应变数据、环向应力应变数据和体积应力应变数据。

实施例：一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：实验块煤均采自河南平顶山煤矿区八矿、十矿和十二矿煤层采煤工作面，煤质为焦煤，质地松软，采集块煤深度为300、600、700、850和1050m，力求满足不同赋存深度的煤岩体力学参数差异性研究需要。经过综合考虑，现场每个深度采集30多个块煤，5个不同开采深度的总量大于150个，具体取样情况如表1工程现场块煤取样情况表所示。

表1

序号	埋深要求/m	取样工作面
			1	300	十二矿16.17-17080
2	600	八矿15-13330
			3	700	八矿15-14140
4	850	十矿15-24080
			5	1050	十二矿15-31010

根据现场条件及地质报告该区域块煤特征与工作面块煤特性相同，在钻取制样过程中，钻进方向统一尽量按照平行于层理方向进行钻取。根据规定，在工作面煤壁处采集块度较大、完整性较好、无明显裂隙的块煤进行后续制样和测试工作，块煤标号格式如6-X(600m深度编号为X的块煤)。为方便室内煤样的钻取和制备工作，块煤尺寸大体为25cm×25cm×20cm；块煤采集后用塑料膜包裹，装箱运输至实验室进行后续煤样的制备工作；

S2：为满足不同开采深度的煤岩采动力学行为研究，在实验室中使用钻机、车床等机械设备将不同赋存深度的块煤加工成φ50mm×100mm的煤样。需要注意的是，如果试样层理分布明显时，尽量选取层理面方向一致的实验煤样，避免因层理面差异而导致较大的离散性；不同深度的煤样基本信息如表2不同深度煤岩物理性质统计表所示；

表2

S3：利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统对不同赋存深度的煤样进行采动应力环境模拟试验，得到河南平顶山煤矿不同赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据；根据河南平顶山煤矿应力应变数据，得到侧压比λ计算公式为再计算出不同赋存深度(300、600、700、850、1050m)的侧压比λ值分别为1.67、1.33、1.28、1.24、1.19；围压预定值σ根据计算公式σ＝λγH计算得到，其中γ取27kN/m³；不同开采深度的实际采动应力卸荷速率为x，依次为0.8、1.4、1.6、2.5和3.5MPa/min；

S3-1：前期阶段：选取300m深度的煤样，将其放置在上下压头之间，用热缩膜将其固定包裹住，然后将其对中放置于MTS815 Flex test GT岩石力学试验系统的三轴试验平台上，抬升仪器底座使带压头煤样上部轻微抵住上部球形压头从而达到固定的效果。紧接着为试样安装轴向和环向引伸计，从而在测试过程中实时获得岩石试样本身的高精度变形数据。之后完全降下三轴腔，固定螺栓，向三轴室充满矿物质硅油，以便后续施加围压；

S3-2：静水压力阶段：向煤样以加载速率为3.0MPa/min施加围压至预定值σ＝λγH(侧压比λ取该深度300m的值，γ取27kN/m³)，如图2OA段所示，图2为不同赋存深度的煤岩采动应力路径图；

S3-3：第一卸载阶段：根据采动应力卸荷速率x向煤样同时以2.25x的速率施加轴向荷载和以x的速率卸载围压，即轴压和围压分别同时达到1.5σ和0.6σ，如图2AB段所示；

S3-4：第二卸载阶段：持续向煤样同时以4.75x的速率施加轴向荷载和以x的速率卸载围压，直至煤样发生整体失稳破坏，如图2BC段所示，试验到此结束，利用MTS815 FlexTest GT岩石力学试验系统的试验数据记录功能得到当前赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据；

针对某一赋存深度的煤样采动力学实验整个步骤如上所示，要进行其他深度煤样采动力学测试，仅需要基于深度调整相应的实验参数，重复上述步骤即可，最终获得不同赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据。

S4：对不同赋存深度的煤样在无煤柱开采方式下的应力应变数据采用作图分析法，得到在无煤柱开采方式下不同赋存深度的煤岩的采动变形特征、应力应变特征、破坏特征以及各特征的机理分析结果。

(1)不同赋存深度的煤岩采动变形特征及其机理分析结果：

图3为不同赋存深度的煤岩采动力学行为特征曲线图，由以上5个不同赋存深度的煤岩采动力学行为特征曲线可知，煤岩整个采动过程中体积应变不仅出现了相对初始状态的体积压缩，还出现了破坏阶段的体积膨胀。随赋存深度的增加，煤岩变形能力呈逐渐增大的趋势，在1050m处变形能力达到最大。一方面，地应力环境和围岩属性均随开采深度不断变化，开采扰动引起的卸荷速率不是一成不变的，而是由浅部的弱卸荷到深部的强卸荷变化过程；另一方面，随着赋存深度的增加，煤岩体在高地应力环境下塑性特征更加明显，煤岩体采动过程中整体失稳破坏前在高水平应力下更易产生较大变形。二者共同作用影响下，煤岩体采动过程中变形能力随深度逐渐增加，在1050m处达到最大。表明煤层越往深部开采，工作面前方煤岩体向临空面变形更大，与实际开采中的深部大变形相吻合，开采过程中应采取更多的支护措施。

(2)不同赋存深度的煤岩卸载围压速率与开采深度的关系：

煤岩体无煤柱采动过程中，随开采深度的增加，其采动过程中支承压力状态和煤岩体强度均不断增大，1050m深度煤岩体支承压力状态达到最大，其峰值应力达到97MPa。煤岩体卸荷破坏时采动力学行为的水平压力也随开采深度的增加而逐渐增大，如表3不同深度煤岩采动力学试验结果表所示。1050m深度煤岩体开采破坏时的支承压力和水平压力较300m深度煤岩体均提高了约177％，深部煤岩体开采破坏时的支承压力和水平压力明显高于浅部，更易发生高强度的破坏。主要因为随赋存深度的增加，煤岩体所处初始应力逐渐增大，且高地应力环境下导致煤岩体自身更加致密，密度更大，从而采动下强度更大。

由实验结果可知，煤岩在无煤柱采动方式下卸载围压速率和荷载加载速率随赋存深度呈指数形式增长，如图4所示，破坏应力集中系数均满足无煤柱开采方式应力集中系数范围(2.5～3.0)，结合工程现场，表明随开采深度的增加，开采面前方煤岩体加卸载程度逐渐变得越来越剧烈，深部煤岩开采将具挑战性。

表3

(3)不同赋存深度的煤岩应力应变特征及其机理分析结果：

不同赋存深度的煤岩的应力应变数据包括轴向应力应变数据、环向应力应变数据和体积应力应变数据，如表3所示；为更加直观地考虑赋存深度的影响，利用表3中数据绘制图5(不同赋存深度的煤岩采动破坏时的竖向及水平应力图)与图6(不同赋存深度的煤岩采动破坏时应变与峰值应力关系图)，得到煤岩采动力学行为与赋存深度具有相关性，即基于不同赋存深度的下的煤岩采动力学行为的试验研究，得到煤岩体破坏时对应的围压、轴向应变、横向应变及体积应变均与赋存深度有关联。由图5与图6可知，煤岩无煤柱开采方式下煤岩破坏时竖向及水平侧压力随深度逐渐增大，1050m处均达到300m处的2.7倍。整体而言，煤岩无煤柱开采方式下峰值应力对应纵横向应变绝对值均随赋存深度呈逐渐增大的变化趋势，300-700m增长较快，而后增长速率逐渐减小，越往深部越趋于平缓，1050m处的纵横向变形分别达到300m处的1.8和2.4倍，即在浅部煤层开采中，煤岩体变形能力受深度因素影响较大，随深度增长迅速，越往深部开采，深度因素影响渐小，煤岩体变形能力随深度增长缓慢，在1050m处体积膨胀程度达到最大。

(4)不同开采深度的煤岩采动中破坏特征及其机理分析结果：

定义可释放弹性应变能的峰值为极限可释放弹性应变能，用来表征岩石积聚弹性变形能的能力，岩石极限可释放弹性应变能越大，由此引发的整体破坏程度也越大。本实施例通过分析不同开采深度的煤岩采动过程中极限可释放弹性应变能的变化规律，得到不同开采深度的煤岩采动中破坏特征。

图7为不同开采深度的煤岩采动中极限可释放弹性应变能图，其随开采深度逐渐增大，300-700m增长迅速，而后增长逐渐趋于平缓，在1050m处达到最大值0.53J/cm³，为300m处的3.6倍。表明存储于岩体中的可释放弹性应变能所引发的岩体整体破坏程度随赋存深度愈来愈剧烈，破裂裂纹也愈丰富，在1050m处达到最大，与1050m处煤岩较大的变形膨胀相吻合。随着开采深度的增大，工作面前方煤岩体变形不仅逐渐增大，而且其破坏时所释放的能量也逐渐增加，破坏更剧烈，深部的动力灾害更加严重且频繁。主要因为煤层开采深度越深，卸载速率越快，其内部裂隙生成和扩展越不充分，能量来不及释放，而在煤岩体破裂时大量积聚的弹性能短时间内转化为破裂面表面能和碎块动能，破坏的剧烈程度越大。因此，当下煤层开采由浅及深，将会面临越来越严重的动力灾害，需要采取适当措施保证煤炭安全高效的开采。

通过采动煤岩破坏形态对比，不同赋存深度的煤岩无煤柱采动方式下宏观破坏特征相似，均表现为压剪破坏特征，大部分主剪切面贯通试样，少数煤岩破坏集中在端部。且试样破损程度随赋存深度的增加呈逐渐增大的变化趋势，在1050m处破碎程度达到最大，宏观破坏裂纹也更多，也说明此深度处煤岩体积膨胀最为剧烈，与不同赋存深度的煤岩变形能力的变化规律相吻合，均在1050m处达到最大。不同开采深度的煤岩体破坏形态变化趋势与极限可释放弹性应变能变化趋势是符合的，即随开采深度的不断增加，逐渐增大的煤岩体极限弹性储能引发的整体破损程度亦愈来愈大。

本发明综合考虑了不同开采深度的工作面前方岩体应力演化规律以及工程现场应力状态和开采扰动影响，真实的模拟了矿井各部位岩体采动力学行为，对不同赋存深度的岩体采动力学行为进行表征，提高了实验方法的准确性和实用性；对实验结果进行研究，避免了实际深部开采工作存在的盲目性、低效性和不确定性，减少了深部特征灾害的出现，提高了开采安全和开采效率。

Claims (10)

1.一种基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：选取具有不同赋存深度的岩体；

S2：将步骤S1选取的岩体制备成岩体试样；

S3：对步骤S2所述岩体试样进行采动应力环境模拟试验，得到不同赋存深度的岩体试样在无支撑柱开采方式下的应力应变数据；

S4：根据步骤S3得到的应力应变数据，采用作图分析法得到不同赋存深度的岩体的岩石力学特征及其机理分析结果。

2.根据权利要求1所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过向下钻取的方式对平行于层理面方向的不同赋存深度的岩体进行选取。

3.根据权利要求1所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S1中，不同赋存深度的岩体选取于同一地区，岩体选取地区的层理面分布明显时，选取层理面方向一致的岩体。

4.根据权利要求1所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，将岩体加工成φ50mm×100mm的岩体试样，并进行统一编号。

5.根据权利要求1所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S3中，至少进行三次对同一赋存深度岩体试样的采动应力环境模拟试验。

6.根据权利要求1所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S3中进行的采动应力环境模拟试验，包括如下步骤：

S3-1：将岩体试样用热缩膜包裹，固定在岩石力学试验系统的试验平台上，并安装轴向引伸计和环向引伸计；

S3-2：以固定加载速率向岩体试样施加围压，达到围压预设值；

S3-3：根据采动应力卸荷速率向岩体试样施加轴向荷载和卸载围压；

S3-4：保持围压卸载速率不变，轴向荷载加载速率持续增加，持续向岩体试样施加轴向荷载和卸载围压，直到岩体试样发生整体失稳破坏，得到岩体试样的应力应变数据。

7.根据权利要求6所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S3-2中，围压预设值σ的计算公式为：

σ＝λγH

式中σ为围压预设值；λ为侧压比；γ为煤岩体天然容重；H为赋存深度。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，侧压比λ的计算公式为：

式中λ为侧压比；H为赋存深度；a、b为常数。

9.根据权利要求1所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述应力应变数据包括轴向应力应变数据、环向应力应变数据和体积应力应变数据。

10.据权利要求1所述的基于采动应力环境模拟的岩石采动力学实验方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述岩石力学特征包括采动变形特征、应力应变特征和破坏特征。