神東礦區(qū)煤系地層含結(jié)構(gòu)面砂巖的力學(xué)特征研究

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1、博士學(xué)位論文神東礦區(qū)煤系地層含結(jié)構(gòu)面砂巖的力學(xué)特征研究申請(qǐng)人姓名：李回貴指導(dǎo)教師：李化敏教授/博導(dǎo)學(xué)位類別：工學(xué)博士專業(yè)名稱：礦業(yè)工程研究方向：礦山壓力與巖層控制河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院二〇一七年六月中圖分類號(hào)：TD325密級(jí)：公開UDC：622單位代碼：10460神東礦區(qū)煤系地層含結(jié)構(gòu)面砂巖的力學(xué)特征研究Researchonmechanicscharacteristicsofthesandstonewithstructuralplaneincoal-bearingstrataofShendongcoalfield資助項(xiàng)目：國家自然基金煤炭聯(lián)合

2、基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目（U1261207）申請(qǐng)人姓名李回貴申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)博士學(xué)科專業(yè)礦業(yè)工程研究方向礦山壓力與巖層控制導(dǎo)師李化敏職稱教授/博導(dǎo)提交日期2017.03答辯日期2017.05河南理工大學(xué)致謝值此學(xué)位論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)ξ姨峁┻^各種形式幫助的人士表示誠摯的謝意。時(shí)光荏苒，三年博士研究生生活即將結(jié)束，回想起來，酸甜苦辣，一切仿佛都?xì)v歷在目。在論文完稿之際，首先要衷心感謝的是我的導(dǎo)師李化敏教授！論文從選題到撰寫都是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，并且在試樣采集、試樣加工、試驗(yàn)裝置研制等工作上都提供了無私的幫助。博士三年恩師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、寬闊的科研精神、縝密

3、的研究思路、敏銳的洞察力，為我在科研學(xué)習(xí)的道路上繼續(xù)前行樹立了榜樣。在此，謹(jǐn)向恩師致以崇高的敬意和衷心的感謝！特別感謝美國工程院院士SydS.Peng在博士三年中對(duì)我的指導(dǎo)，同時(shí)也要感謝重點(diǎn)項(xiàng)目課題組周英教授、陳江峰教授、袁瑞甫副教授、宋常勝副教授、郭保華副教授、杜鋒博士等老師對(duì)我試驗(yàn)過程中遇到的問題提供的幫助。感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)郭文兵教授、楊玉中教授、劉少偉教授、李東印教授等為我博士研究生三年提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和科研環(huán)境，使我博士論文的試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌_展。感謝碩導(dǎo)高保彬副教授在學(xué)習(xí)及生活中的幫助和關(guān)心。感謝張盛教授、蘇承東教授等在試驗(yàn)過程給予的幫助。感謝

4、師兄蔣東杰、王開林、王文、馮軍發(fā)以及師弟劉闖、王伸、梁亞飛、陳祥祺、申路路、宋遠(yuǎn)、郭放、王祖洸、張慶文、侯志強(qiáng)等在試驗(yàn)過程中的全力支持。感謝爸爸、媽媽、岳父、岳母一直以來對(duì)我的無微不至關(guān)懷、鼓勵(lì)，同時(shí)也要感謝我的妻子對(duì)我讀博的理解和支持，是你們的關(guān)心和支持給了我戰(zhàn)勝困難的勇氣和信心！感謝論文中所有文獻(xiàn)的作者，您們的研究成果推動(dòng)了中國采礦事業(yè)的發(fā)展，也是本論文得以完成的基礎(chǔ)。最后衷心感謝各位評(píng)審專家在百忙之中給予評(píng)審和指導(dǎo)。李回貴2017年5月摘要巖體是經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過程而形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，具有明顯的結(jié)構(gòu)特征。大量的工程實(shí)踐表明，這種結(jié)構(gòu)特征會(huì)對(duì)巖

5、石和巖體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響，因此，本文以神東礦區(qū)煤系地層含結(jié)構(gòu)面砂巖的力學(xué)特征為研究主線，首先對(duì)采集的1000多米巖芯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并運(yùn)用X射線衍射、掃描電鏡及三維激光掃描儀對(duì)結(jié)構(gòu)面的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；然后運(yùn)用CMT5000拉伸試驗(yàn)機(jī)、RDS-200直剪儀、RMT-150C力學(xué)試驗(yàn)機(jī)及DS5-8b聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀對(duì)含結(jié)構(gòu)面砂巖的力學(xué)及聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究，最后基于基本損傷理論模型，引入了聲發(fā)射參數(shù)、結(jié)構(gòu)面參數(shù)和孔隙率參數(shù)建立了一個(gè)新的損傷理論模型，得到如下主要研究成果：（1）通過對(duì)采集的1000多米巖芯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)結(jié)構(gòu)面主要可以分為兩種類

6、型，但I(xiàn)類可以分為3個(gè)亞類，分別為I1、I2、I3。I1類，以植物葉炭化形成的結(jié)構(gòu)面；I2類，以植物樹干炭化形成的結(jié)構(gòu)面；I3類，以小顆粒狀煤形成的結(jié)構(gòu)面；II類，以白云母為主形成的結(jié)構(gòu)面。運(yùn)用X射線衍射儀、掃描電鏡及三維激光掃描儀對(duì)其宏細(xì)觀特征進(jìn)行了定量化的描述，發(fā)現(xiàn)其成分特征、微觀結(jié)構(gòu)面及三維形貌特征有明顯的差異。（2）天然結(jié)構(gòu)面對(duì)砂巖的抗拉強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、抗剪強(qiáng)度、彈性模量及直接拉伸和直接剪切過程中的聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)及累計(jì)計(jì)數(shù)有顯著的影響；但是對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度及單軸壓縮下的聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)及累計(jì)計(jì)數(shù)基本沒有影響。（3）夾層厚度對(duì)砂巖的峰值強(qiáng)度、峰值

7、應(yīng)變、彈性模量、聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)、累計(jì)計(jì)數(shù)及波形參數(shù)有明顯的影響；夾層厚度對(duì)砂巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角基本沒有影響；兩種類型砂巖破壞時(shí)的機(jī)理存在一定的差異性，提出了兩種結(jié)構(gòu)面砂巖破壞時(shí)的強(qiáng)度弱化機(jī)理。（4）結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)砂巖的力學(xué)及聲發(fā)射參數(shù)都有顯著的影響。單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、三軸抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)以及累計(jì)計(jì)數(shù)與結(jié)構(gòu)面傾角呈現(xiàn)出二次函數(shù)關(guān)系；結(jié)構(gòu)面傾角為0o、15o、75o和90o時(shí)，砂巖不沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)面傾角為30o、45o和60o時(shí)，砂巖沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與單弱面理論分析結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，單弱面理論不能完全適

8、應(yīng)于結(jié)構(gòu)面存在一定厚度的情況，經(jīng)過修正可以用分段函數(shù)表示。（5）應(yīng)力路徑對(duì)含結(jié)構(gòu)面砂巖破壞過程中的力學(xué)及聲發(fā)