神东矿区煤系地层含结构面砂岩的力学特征研究

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1、博士学位论文神东矿区煤系地层含结构面砂岩的力学特征研究申请人姓名：李回贵指导教师：李化敏教授/博导学位类别：工学博士专业名称：矿业工程研究方向：矿山压力与岩层控制河南理工大学能源科学与工程学院二〇一七年六月中图分类号：TD325密级：公开UDC：622单位代码：10460神东矿区煤系地层含结构面砂岩的力学特征研究Researchonmechanicscharacteristicsofthesandstonewithstructuralplaneincoal-bearingstrataofShendongcoalfield资助项目：国家自然基金煤炭联合

2、基金重点支持项目（U1261207）申请人姓名李回贵申请学位工学博士学科专业矿业工程研究方向矿山压力与岩层控制导师李化敏职称教授/博导提交日期2017.03答辩日期2017.05河南理工大学致谢值此学位论文完成之际，谨向对我提供过各种形式帮助的人士表示诚挚的谢意。时光荏苒，三年博士研究生生活即将结束，回想起来，酸甜苦辣，一切仿佛都历历在目。在论文完稿之际，首先要衷心感谢的是我的导师李化敏教授！论文从选题到撰写都是在老师的悉心指导下完成的，并且在试样采集、试样加工、试验装置研制等工作上都提供了无私的帮助。博士三年恩师严谨的治学态度、宽阔的科研精神、缜密

3、的研究思路、敏锐的洞察力，为我在科研学习的道路上继续前行树立了榜样。在此，谨向恩师致以崇高的敬意和衷心的感谢！特别感谢美国工程院院士SydS.Peng在博士三年中对我的指导，同时也要感谢重点项目课题组周英教授、陈江峰教授、袁瑞甫副教授、宋常胜副教授、郭保华副教授、杜锋博士等老师对我试验过程中遇到的问题提供的帮助。感谢学院领导郭文兵教授、杨玉中教授、刘少伟教授、李东印教授等为我博士研究生三年提供了良好的学习环境和科研环境，使我博士论文的试验能够顺利开展。感谢硕导高保彬副教授在学习及生活中的帮助和关心。感谢张盛教授、苏承东教授等在试验过程给予的帮助。感谢

4、师兄蒋东杰、王开林、王文、冯军发以及师弟刘闯、王伸、梁亚飞、陈祥祺、申路路、宋远、郭放、王祖洸、张庆文、侯志强等在试验过程中的全力支持。感谢爸爸、妈妈、岳父、岳母一直以来对我的无微不至关怀、鼓励，同时也要感谢我的妻子对我读博的理解和支持，是你们的关心和支持给了我战胜困难的勇气和信心！感谢论文中所有文献的作者，您们的研究成果推动了中国采矿事业的发展，也是本论文得以完成的基础。最后衷心感谢各位评审专家在百忙之中给予评审和指导。李回贵2017年5月摘要岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体，具有明显的结构特征。大量的工程实践表明，这种结构特征会对岩

5、石和岩体的力学性质产生很大的影响，因此，本文以神东矿区煤系地层含结构面砂岩的力学特征为研究主线，首先对采集的1000多米岩芯进行统计，并运用X射线衍射、扫描电镜及三维激光扫描仪对结构面的宏细观结构进行了分析；然后运用CMT5000拉伸试验机、RDS-200直剪仪、RMT-150C力学试验机及DS5-8b声发射监测仪对含结构面砂岩的力学及声发射特征进行了研究，最后基于基本损伤理论模型，引入了声发射参数、结构面参数和孔隙率参数建立了一个新的损伤理论模型，得到如下主要研究成果：（1）通过对采集的1000多米岩芯进行统计发现，神东矿区结构面主要可以分为两种类

6、型，但I类可以分为3个亚类，分别为I1、I2、I3。I1类，以植物叶炭化形成的结构面；I2类，以植物树干炭化形成的结构面；I3类，以小颗粒状煤形成的结构面；II类，以白云母为主形成的结构面。运用X射线衍射仪、扫描电镜及三维激光扫描仪对其宏细观特征进行了定量化的描述，发现其成分特征、微观结构面及三维形貌特征有明显的差异。（2）天然结构面对砂岩的抗拉强度、峰值应变、抗剪强度、弹性模量及直接拉伸和直接剪切过程中的声发射峰值计数及累计计数有显著的影响；但是对其单轴抗压强度及单轴压缩下的声发射峰值计数及累计计数基本没有影响。（3）夹层厚度对砂岩的峰值强度、峰值

7、应变、弹性模量、声发射峰值计数、累计计数及波形参数有明显的影响；夹层厚度对砂岩的粘聚力和内摩擦角基本没有影响；两种类型砂岩破坏时的机理存在一定的差异性，提出了两种结构面砂岩破坏时的强度弱化机理。（4）结构面倾角对砂岩的力学及声发射参数都有显著的影响。单轴抗压强度、弹性模量、三轴抗压强度、峰值应变、声发射峰值计数以及累计计数与结构面倾角呈现出二次函数关系；结构面倾角为0º、15º、75º和90º时，砂岩不沿结构面发生破坏，结构面倾角为30º、45º和60º时，砂岩沿着结构面发生滑移破坏。经过试验数据与单弱面理论分析结果对比分析发现，单弱面理论不能完全适

8、应于结构面存在一定厚度的情况，经过修正可以用分段函数表示。（5）应力路径对含结构面砂岩破坏过程中的力学及声发