水-力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比

赵延林^1,2，廖健^1,3，刘强³，李阳³，程建超³

1. 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室2. 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室3. 湖南科技大学资源环境与安全工程学院

摘 要：岩石的水力学特性与矿山突水灾害密切相关,为揭示不同的水岩力学相互作用,对比研究在水-力耦合与隔离2种不同力学状态下孔道砂岩力学特性的差异性。采用MTS815岩石力学试验系统,进行不同围压和孔压下孔道砂岩的常规三轴压缩试验。整个试验围压σ₃分成10,20,30 MPa共3个系列,每个系列围压试验中,孔压P设为4个级别,分别是围压σ₃的20%,40%,60%和80%。对水-力耦合下的岩石试件用热缩管进行包裹,对水-力隔离下的岩石试件加装隔水装置,在三轴静水压力状态（σ₁=σ₂=σ₃）下采用0.005 mm/s的加载率对试件进行轴向加载,直到试件破坏。结果表明:水-力耦合状态下,孔道砂岩的峰值偏应力强度、扩容起始偏应力、残余偏应力强度和变形模量与围压呈正相关关系,与孔压呈负相关关系,而泊松比的关系则正好相反,试件呈现出明显的单一剪切面破裂,破裂角分布在53°～69°变化;水-力隔离状态下孔道砂岩峰值偏应力强度、扩容起始偏应力和残余偏应力强度均与围压和孔压在总体上呈正相关趋势,水-力隔离状态下试件破裂角变化不明显;在一定的围压与孔压下,处于水-力耦合下试件峰值偏应力强度和变形模量在总体上低于水-力隔离状态下的相应量值,而泊松比的关系则正好相反,随孔压的增加,2种力学状态下的岩石力学特性差异越大。水-力隔离状态内孔壁施加适量应力可以明显提高试件的三轴承载力。

关键词：水-力耦合;水-力隔离;孔道砂岩;水力学特性;突水灾害;