水-力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比.pdf

第4 5 卷第1 2 期 2 0 2 0 年1 2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 D e c ． N o ．1 2 2 0 2 0 移动阅读 赵延林，廖健，刘强，等．水一力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 2 3 9 7 3 3 9 8 3 ． z H A OY a n l i n ，L I A OJ i a n ，L I UQ i a n g ，e ta 1 ．C o m p a r s i o no nm e c h a n i c a lp m p e r t i e so fh o l l o ws a n d s t o n e su n d e rh y d m m e c h a n i c a lc o u p l i n ga n di s o l a t i o nc o n d i t i o n s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 1 2 3 9 7 3 3 9 8 3 ． 水一力耦合和隔离状态下孑L 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，湖南湘潭4 1 1 2 0 1 ；2 ．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点 实验室，湖南湘潭4 1 1 2 0 l ；3 ．湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭4 1 1 2 0 1 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 在水一力耦合与隔离2 种不同力学状态下孔道砂岩力学特性的差异性。采用M T S 8 1 5 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。整个试验围压盯，分成1 0 ，2 0 ， 3 0M P a 共3 个系列，每个系列围压试验中，孔压P 设为4 个级别，分别是围压盯，的2 0 ％，4 0 ％， 6 0 ％和8 0 ％。对水一力耦合下的岩石试件用热缩管进行包裹，对水一力隔离下的岩石试件加装隔 水装置，在三轴静水压力状态 盯． 盯 盯， 下采用0 ．0 0 5m m ／s 的加栽率对试件进行轴向加载，直 到试件破坏。结果表明水一力耦合状态下，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5 3 。～6 9 。变化；水一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，水一力隔离 状态下试件破裂角变化不明显；在一定的围压与孔压下，处于水一力耦舍下试件峰值偏应力强度和 变形模量在总体上低于水一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。水一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。 关键词水一力耦合；水一力隔离；孔道砂岩；水力学特性；突水灾害 中图分类号T D 3 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 1 2 3 9 7 3 1 1 C o m p a r s i o no nm e c h a I l i c a lp r o p e r t i e so fh o U o ws a n d s t o n e su n d e rh y d r o - m e c h a n i c a lc o u p l i n ga n di s o l a t i o nc o n d i t i o n s Z H A 0Y a n l i n l ”，L I A 0J i a n l ⋯，L I UQ i a n 9 3 ，L IY a n 9 3 ，C H E N GJ i a n c h a 0 3 1 ，肋 s 咖￡yK 吖h 6o 几J P 愀n ￡i o n 口n dc D n ￡r o z 矿如so 以R o 矿D 如哪￡e 乃如r 勘“￡ e mc D o z 删郴，肌n n n ‰i 卯H i ￡y 矿J s c i e w e Ⅱn d ％c 矗加f o g y ，剧8 ，彬o n 4 1 1 2 0 l ，吼i n n ；2 ．盹n 帆P M i 肿浏K 盯k 6 0 m ￡o 叫旷_ s 咖施凡嘲‰ 岫螂矿c 0 。Z 胁膦，舭M n ‰泐倦蚵矿s c i e 愀。凡d7 砒∞z q g y ，尉。咿帆 4 1 1 2 0 l ，矾i n 。；3 ．S 如o o Z 旷尺黜o “惝，E 删i r o n 批眦口以S 咖砂E r 谢删e 矗增，肌n n n ‰i 抛乃i ￡y 巧s c i e n 册d 蒯‰ 加f o 盯，胁增t 肌4 1 1 2 叭，m i 舰 A b s t r a c t T h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fr o c ka r ec I o s e l yr e l a t e dt om i n ew a t e ri n m s hd i s a s t e r ．T or e v e a ld i f k r e n tw a - t e r m c ki n t e r a c t i o n s ，ac o m p a r a t i v es t u d yo ft h em e c h a n i c a lp m p e r t i e so fm c k su n d e rt w od i f k r e n tc o n d i t i o n s h y d m m e c h a n i c a lc o u p l i n ga n dh y d r o - m e c h a n i c a li s 0 1 a t i o ni n 山ep m c e s so ff u Us t r e s s s t r a i ni sc o n d u c t e d ．T 1 1 eM T S 815r o c k m e c h a n i c st e s ts y s t e mi su s e dt op e r f 0 瑚t h ec o n v e n t i o n a lt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t su n d e rd i f 玷r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e s 收稿日期2 0 2 0 0 2 2 2修回日期2 0 2 0 一0 3 3 l责任编辑郭晓炜D o I l O ．1 3 2 2 5 ／j c nk i j c c s ．2 0 2 0 ．0 2 4 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 7 7 4 1 3 l ，5 1 2 7 4 0 9 7 作者简介赵延林 1 9 7 3 一 ，男，湖南湘潭人，教授，博士生导师。E m a i l y a n l i n - 8 1 6 3 ．c o m 通讯作者廖健 1 9 9 2 一 ，男，湖南邵阳人，博士研究生。E m a i l b 1 3 9 1 6 8 1 6 3 ．c o m 万方数据 3 9 7 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 a n dp o r ep r e s s u r e s ．T h ec o n f i n i n gp r e s s u r e 盯3i sd i V i d e di n t ot h r e es e r i e so f1O ，2 0a n d3 0M P a ．I ne a c hs e r i e so fc o n f i n i n gp r e s s u r et e s t s ，t h ep o r ep r e s s u r e 尸i ss e tt of o u r1 e V e l s ，w h i c ha r e2 0 ％，4 0 ％，6 0 ％，a n d8 0 ％o ft h ec o n f i n i n g p r e s s u r eI 丁3 ，r e s p e c t i v e l y ．T h er o c ks p e c i m e nu n d e rh y d r o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gi sw r a p p e dw i t hah e a t s h r i n k a b l e t u b e ，aw a t e r p r o o fd e v i c ei sa d d e dt ot h er o c ks p e c i m e nu n d e rh y d r o m e c h a n i c a li s o l a t i o n ．U n d e rt r i a x i a lh y d r o s t a t i c p r e s s u r es t a t e 盯】 盯2 盯3 ，t h et e s ts p e c i m e ni sa x i a l l yl o a d e dw i t hal o a d i n gr a t eo f0 ．0 0 5m Ⅱ∥s ，u n t i lt h et e s t p i e c ei sb r o k e n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rh y d I D m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o n d i t i o n ，p e a kd e v i a t o r i cs t r e s s ，i n i t i a le x p a n s i o nd e v i a t o n cs t r e s s ，r e s i d u a ld e v i a t o r i cs t r e s sa n dd e f o m a t i o nm o d u l u so fs p e e i m e n sa r ep o s i t i v e l yr e l a t e dt oc o n 矗n e - m e n t ，h o w e V e r ，n e g a t i v e l yr e l a t e dt ow i t hp o r ep I ℃s s u r e ，w h i l et h eP o i s s o n ’sr a t i oh a st h eo p p o s i t er e l a t i o n s h i p ，s p e c i m e n sf a i la l o n gs i n d ef h c t u r ep l a n ew i t ha na n d er a n 舀n gf 而m5 3 。t o6 9 。．U n d e rh y d m - m e c h a n i c a li s o l a t i o nc o n d i - t i o n ，t h ep e a kd e V i a t o r i cs t r e s s ，i n i t i a le x p a n s i o nd e V i a t o r i cs t r e s s ，a n dr e s i d u a ld e V i a t o r i cs t r e s so fs p e c i m e n sh a V ep o s i t i V ec o n ．e l a t i o n sw i t ht h ec o n f i n e m e n ta n dp o r ep r e s s u r e ，t h ef h c t u r ea n g l eo fs p e c i m e n sd o e sn o tc h a n g eo b V i o u s l y ．A t t h es a m ec o n 6 n e m e n ta n dp o r ep r e s s u r e ，t h ep e a kd e v i a t o r i cs t r e s s ，i n i t i a le x p a n s i o nd e v i a t o r i cs t r e s s ，a n dd e f b 啪a t i o n m o d u l u so fs p e c i m e n su n d e rh y d r o m e c h a n i c a lc o u p l i n ga r el o w e rt h a nt h o s eu n d e rh y d r o m e c h a n i c a li s o l a t i o nc o n d i t i o n ，w h i l et h eP o i s s o n ’sr a t i oh a sa no p p o s i t er e l a t i o n s h i p ．T h ed i f f e r e n c e so fr o c km e c h a n i c a lp r o p e n i e su n d e rt w o c o n d i t i o n sa r e1 a 昭e rw i t ht h ei n c r e a s eo fp o r ep r e s s u r e ．T h et r i a x i a lb e a r i n gc 印a c i t yo ft h es p e c i m e nc a nb es i g n i f i - c a n t l yi m p r o v e db ya p p l y i n ga p p r o p r i a t es t r e s so nt h ei n n e rw a l lo fh o l l o ws a n d s t o n eu n d e rh y d m m e c h a n i c a li s o l a t i o n c o n d i t i o n ． I 【e yw o r d s h y d r o - m e c h a n i c a lc o u p l i n g ；h y d r o m e c h a n i c a li s o l a t i o n ；h o l l o ws a n d s t o n e ；t h eh y d m u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ； w a t e ri n n 】s hd i s a s t e r 矿山工程和煤矿开采经常伴随着由于地下水压力 引发的围岩失稳破坏问题出现。水一力耦合作用下岩 石 体 力学特性一直是矿山岩石力学研究的热点问题 之一4J ，水一力耦合作用下岩石 体 变形过程的应力 变化情况比较复杂，岩石 体 的骨架结构、应力状态与 其变形相关联，许多岩石 体 工程的失稳破坏与两场 耦合作用下应力与变形相关。目前许多学者在水一力 耦合作用下岩石的强度、变形和破坏特性方面做了大 量的研究口‘13 | 。陈秀铜等∞1 对大理岩、砂岩和板岩进 行了高水压、高围压渗流条件下的全应力一应变过程三 轴压缩实验，分析了高围压、高水压对岩石强度及变形 的影响；余成学等MJ 、陈子全等“ o 的研究表明在高孔 隙水压力作用下，岩石的强度大大降低，破坏应变也降 低，虽然破坏都是以剪切破坏为主，但在有高孔隙水压 力作用下，岩石的破坏更具有突然性，其脆性破坏特征 增强；李邦翔悼J 、郭孔灵∽J 、刘泉声u 叫等分别对水一力 耦合作用下岩石裂隙扩展和破坏强度进行了研究，发 现随水压升高岩石起裂应力、损伤应力和峰值强度均 持续降低；赵延林等⋯。1 引、宋战平等纠和w A N G 等4 1 分别研究了全应力一应变过程中灰岩、粗砂岩的 水一力耦合特性，发现渗透压的存在导致岩石的峰值强 度和变形模量变小，而且岩石的渗透率大小与体积应 变演化密切相关。 水对岩石的力学特性有着重要的影响，孔隙率高 的岩石，水很容易充满岩石内部的微孔隙裂隙，形成 较强的水一力耦合效应5 。1 7J 。但孔隙率低或极低的 难渗流或不渗透岩石，水很难或无法进入岩石的微孑L 隙裂隙内，水对岩石的作用力只能以面力的形式作用 于岩石表面，形成水一力隔离状态。尽管目前国内外 在岩石水一力耦合方面取得了不少研究成果，但现有 研究很少关注极低渗透率下岩石的水一力隔离作用。 为揭示在水一力耦合与水一力隔离2 种不同力学状态 下岩石力学特性的差异性，笔者以孔道砂岩为试验对 象，在M r I ’S 8 1 5 岩石力学试验系统上进行不同围压和 孔压下的常规三轴压缩试验，对比研究全应力一应变 过程中水一力耦合和水一力隔离2 种不同条件下孔道 砂岩的力学特性。该研究成果对于研究水一力耦合 相关的矿山突水灾害和处于水一力隔离状态的致密 岩石工程 如地下储库 的稳定性具有重要理论意义 和工程应用价值。 1 试验方案 1 ．1 孔道砂岩水一力耦合和水一力隔离的实现 孔道砂岩水一力耦合是指水压加载在孔道砂岩 的内孔里，孔压渗入试件的微孑L 隙裂隙内，从而形成 水一力耦合作用 图1 a 。水一力隔离是指孔道水 压没有渗入试件的微孔隙裂隙内，孔压仅作用于试件 的内孔壁上，对内孔壁形成一个面力，即为水一力隔 离作用 图1 b 。进行水一力隔离试验时，在 M r I s 8 1 5 三轴腔内上下两个水压加载头之问，内置隔 万方数据 第1 2 期 赵延林等水一力耦合和隔离状态下孑L 道砂岩力一特性的对比 3 9 7 5 水装置 I 斜2 。该隔水装置为一种高强度的胶管，该 胶管穿过孔道砂岩的内孔，水压加载在胶管内，通过 胶管将孔压传递给孔道砂岩内孔壁，使孔压无法渗入 试件的微孔隙裂隙内。 b 水／邓鬲离 图l 水一，，J 梢合与隔离状态F 孔道砂7 示意 F i g ．1 S k e t c ho fh t l l o ws a f l i s t o n eL J l l 1 e rh v h ．t 卜n l e c h a l l i d c o L l p l i n ga n di 州 l a t i o n - n 1 i t i o n s 艺移计 Z 移计 图2⋯1 s 8 1 5i 轴腔内孔道砂岩内壁加装隔水胶管 F i g ．2 I n s t a l l a t j o n rw a t e J lI I ．o fh o s pi 1 1h o l l ws a n i s t n e i 1 1 s i 1 P f l l et 1 ，j a x j d lc e l l ‘ fM T S 815 1 ．2 试件制备与孔隙度测试 砂岩掣样取白湖南宝山有色金属矿业有限责任 公司新建箕斗主井，埋深为2 0 3 ～2 4 0m 处的砂彳含 水层，将其制备成内孔径为6m m 、直径5 0m m 、高 1 0 0r n m 的圆柱体标准试件，如图3 所示，并用塑料薄 膜进j j 包裹，密封岩样防止风化。该砂岩旱灰色，岩 性为细砂岩，主要成分为石英。采用煮沸法测定孑L 道 砂岩的饱和吸水率，经汁箅砂岩平均饱水率在4 ．6 ％ 左右，采用A i n i M R 一6 0 核磁共振分析仪对孔道砂岩 试件进行孔隙率测试，获得孔道砂岩试件的平均孔隙 率为7 ．1 7 ％， 阁3 孔道砂岩试什与尺、r g ．3 H t J J 叭vs a l l 1 s I o n es p ㈧i n l e n sa n dt h e i rs i z e s 1 ．3 试验装置和程序 在湖南科技大学岩石力学实验窜的] Ⅵ1 1 S 8 1 5 岩 石力学试验系统上进行试验 图4 ．整个试验围压 矿，分成1 0 ，2 0 ，3 0M l ’a 共3 个系列，每个系列围压试 验中，孔压尸没为4 个级别，分别是围压∥、的2 0 ％， 4 0 ％，6 0 ％和8 0 ％ 试验具体步骤如下①埘水一力 耦合下的岩行试件用热缩管进行包裹，对水一力隔离 下的岩石试件加装隔水装置 图2 ，然后用热缩管进 行包裹，随后将试件氍于试验系统内，安装好水管、环 向位移计和轴向位移计，放下{ 轴腔。②以 0 ．0 5M P a ／s 的速率预加载轴，丘盯，至lM P a ，随后以 0 ．0 5M P a ／s 的加载速率依次加载围压盯，与孔压到 试验设计值，保持轴压矿．与Ⅲ压盯，的大小一致，使 其达到三轴静水压力的状态 盯． 盯， 盯， 。③采用 o ．0 0 5m H ∥s 的加载率对试件进行轴向加载，直到试 图4M T S 8 1 5 岩石力’、 试验系统 F 嘻4 M T s 8l5r 0 1 km 刊l a n i c s ㈣ts y s t e m 圊 ． r ，● ● ● ● 一 一． ● ● ● ●～ 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 件破坏，，试验过程中轴压、围压、孔压和轴向位移加 载过程如图5 所示。 图5 试验加载过程示意 F i g ．5 S c l l e I l l a t i ct { i a g l ’a 1 1 1o ft e s tl o a { i n gp a l h s 2 水一力耦合下子L 道砂岩力学特性 2 ．1 应力一应变曲线分析 水一力耦合卜孔道砂岩力学特性j 试验数据见表 l ，代表。降的偏应力一应变“l I 线如图6 所示。_ 口J - 以看 出，偏应力一轴向应变曲线主要分为5 个阶段懈电1 ；。 阶段l 原生孑L 隙裂隙压缩闭合阶段；阶段I l 线弹性变 形阶段；阶段I I I 裂纹稳定发展阶段，岩石内部出现新 生微裂纹，随着轴应力增大微裂纹稳定扩展；阶段I V 裂纹的非稳定扩展阶段，进入该阶段的应力阈值为扩 窬起始应力，此时岩石内部出现贯通裂纹，岩石体积开 始膨胀，出现体积扩容现象；随着轴向应力进一步增 大，达到峰值偏应力强度 盯，一盯， 。。而破坏，出现宏观 贸通裂纹；此后进入峰后阶段V 在峰后阶段，应力跌 落明显，呈现出脆性破坏特征，山于嘲压约束作用，试 件仍保持一定的残余强度。，部分试件在峰后应力一应 变曲线快速跌落后又出现小幅』扬，这是由于M T S 岩 石力学试验机具有可靠的峰后围压保持系统，在峰后， 轴向应力跌落到较低水平，而围压仍保持不变，在持续 的围压作用下试件破裂面摩擦咬合，当破裂面的抗剪 强度高于其承载的轴向应力时，随应变的增加应力会 小幅增长，直至达到破裂面的抗剪强度。 表l力学参数对比分析 T a b I e1 C o n l p a r a t i v ea n a l y s i so fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 帐一j3 精仑 弛 ∞ 烈 弭 坝 化 姐 孤 3 9 1 5 ● 8 7 9 7 2 5 9 2 2 l l 3 7 ● 5 3 3 4 4 O O 0 0 “ 懈 甜 ∞ 6 5 3 2 4 2 8 2 4 0 3 6 5 9 0 2 6 5 5 4 4 8 2 6 8 ● 4 7 7 5 2 6 8 5 l 4 7 6 9 g 一 8 7 9 3 5 3 3 O 一 6 0 2 9 4 7 7 F 、一 6 0 5 2 2 3 2 2 一 O O O 0 7 3 4 ●一 6 6 ， 5 6 6 7 7 6 9 ， 7 8 ， 9 9 2 3 O 7 8 8 0 O 一 6 2 8 4 一 岳互 一 隔 一 力 一 一 一 k 一 万方数据 第1 2 期赵延林等水一／J 耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比 0O1 0 2 0 』、t 变门0 、 图6 代表。r M 々偏应力一心变} ；1 线 } ’i g ．6R e l r e H e T l t a I i v c ‘I e v i a 【o r i cs t r e s s s t r d i l l ’L l r v e s 偏应力一体积J 菠变曲线主要分为2 个阶段体积 月缩阶段与体积扩容阶段，体积压缩阶段体积应变随 应力增J J I 『而减小，达到扩容起始偏应力点时体积变形 曲线向左偏转，岩石扩容。 图7 为水一力耦合作用下，不同围J [ _ f i 和孔压F 孔 道砂岩的偏应力一应变曲线，．结合应力一应变关系曲 线和表1 可知恒定围压下，随着孑L 压的增大，孔道砂 岩的峰值偏』、迈力强度、扩容起始偏J 赶力、残余偏』、迈力 强度均有不同程度的减小。以剧f 压盯， 2 0M P a 为 例，当孔压从4M P a 增加至1 6M P a 时，峰值偏应力 强度从6 5 ．4 4M P a 减至4 2 ．6 2M P a ，减小了3 4 ．9 ％； 扩容起始偏应力从4 9 ．7 8M P a 减小至3 5 ．3 4M P a ，减 小了2 9 ．1 ％；残余强度从2 7 ．1 3M P a 减至 1 9 ．9 5M P a ，减小r2 6 ．5 ％。，孑L 压恒定时，峰值偏应 力强度、扩容起始偏应力、残余偏应力强度随崮雕盯、 增加而增大。以孔压P 8M P a 为例，当围压盯、从 1 0M P a 增加至2 0M P a 时，峰值偏应力强度从 4 1 ．4 6M P a 增至5 9 ．0 2M P a ，增幅为4 2 ．4 ％；扩容起 始偏应力从3 1 ．7 6M P a 增至4 2 ．4M P a ，增幅为 3 3 ．5 ％；残余偏应力强度从1 1 ．5M P a 增至 2 2 ．8 9M P a ，增幅达9 9 ．0 ％ 2 ．2 变形特性分析 常规三轴压缩条件下，孔道砂岩在5 0 ％峰值强 度下的变形模量E 州和泊松比肛“。1 1 分别为 E ，。生二塑 1 S I 肛 矗％ ㈩ 肛2 西i T 万■i o2 B 尘 3 占I 式中，盯．为5 0 ％峰值强度时的轴向应力；盯，为作用 于试件| 二的围压；s ，为5 0 ％峰值强度时的轴向应变； s ，为5 0 ％峰值强度时的环向应变。 j } 一 I 士P _ 6M P a { 尸 8 M P a 4 ⅣI r 8 卢 5 u l - - | 耵 6M P a／一 ％ ⋯8 俗 咄口凸』 孑2 0 ] t h 、分1 1‘‘‘⋯I“1 I 1 0 3 02 01 001 02 03 4 05 戍变／1 0 、 a 口1 - l O M P a 尸 4M P a 尸8M P a ‘4M P a 蛊口口 券厂 十尸 1 6 M P | l ‘8M P a 萋彳6 0 ▲一P 1 2 M P a t l2M P a 否， l6 M P a 占／5 P 1 j 曝 _ r 一 ～彩f ★★★ 一 ▲‘I - H ▲ 1 0 Jp 一，。 鼻弧 厂耋零 吣＼『；o ”尸2 6MJ “，n 尸 1 2 M P a⋯ 卜 ，1M P 一一尸2 18 M P al O 一尸 2 4 M P 3 陶7水一力耦合下孔道砂崭的偏』蒽力一心变曲线 } 1 i g ．7 I e v j a t o r i 【‘s I I e s s - s t r a j l l ‘L l r v P bt l f1 1 J l o 、、s a n I s I o l l e I J l l d e l ．1 1 y m 一m P 、J l a n i ‘t l l 1 L 1 I l i l l g 1 1 【J Ⅲ{ n 图8 分别为变形模直} E 。和泊松比肛随孔』K 的 变化曲线，由图8 可以发现水一力耦合作用下，围口i 盯，保持恒定时，变形模毽E 。随孔压增加而减小。． 以围压盯、 2 0M P a 为例，当孔压从4M 1 a 增加至 1 6M 1 a 时，变形模壹} E 。从6 ．15 ；P a 减少至 2 ．6 0 ；P a ，减少了5 7 ．7 ％。孔压保持恒定时，变形模 量E ，。，随阍压盯，增加整体旱七升趋势，以孔月i ，’ 6M P a 为例，当围压盯，从1 0M P a 增加至3 0M P a 时， 变形模量E 。从4 ．8 6 ；f ’a 增加至6 ．4 3G P a ，增幅达 3 2 ．3 ％ ∞4∞孙㈤ 队旷Mo 妇项h 哩以 0 b 0，～如 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 P ／M P a a 变形模瞳￡。‘j 扎压的关系 ，√M P a b 泊松比l l ’j 孔脏的天系 图8 水一力耦合下变形模量E 。和泊松比肛随孔压P 的变化 } 、i g ．8R P l a I i o n s h j pc 【J r v e s J fE 5 0a 1 1 1 肛V e l ．吼】sP u n ‘l e r1 1 y 1 l ‘0 一 n l e ’1 1 a n i ’a l ’【 u I l i l l gc r J n 1 i t i o n 围压盯，保持恒定时，泊松比p 随孔压的增加而 增大，同时随着围压盯，的增大，泊松比肛随孔压增加 的趋势逐渐减缓。以围压盯、 2 0M P a 为例，当孔压 从4M P a 增加至1 6M P a 时，泊松比肚从0 ．3 3 增加至 0 ．4 5 。当孔压P 保持恒定时，泊松比弘随围压盯，增 加整体呈下降趋势。以孔压J p 6M P a 为例，当围压 盯，从1 0M P a 增加至3 0M P a 时，泊松比肛从0 ．4 0 减 小至0 ．3 3 。 2 ．3 有效峰值强度分析 水一力耦合下，孔道砂岩固体骨架之间的孔隙在 压缩过程中将受到轴压、围压与孔压共同作用。为进 一步分析孔道砂岩的水力耦合效应，引入有效轴向应 力盯f 轴向应力盯，与孔压P 的差值 与有效围 压叽7 围压盯、与孑L 压P 的差值 。在常规的三轴试 验中，有效最小主应力就是有效围压一；有效偏应力 叮，7 为有效轴向应力研与有效围压∞’的差值。孔道砂 岩的有效峰值强度盯。■．、和有效最小主应力一可以 通过下式计算 丁{ n ．a x 盯l 。。、一P 4 矿 盯3 一P 5 图9 为水一力耦合下有效峰值强度盯。‰、与有效 最小主应力一的关系曲线。由图9 可知，有效峰值 强度研i 。。随有效围压呸7 增加呈线性增长。对有效峰 值强度一。。与最小主应力呒7 之问的关系进行拟合 盯．。。、 矗盯； d 式中，盎，r Z 为拟合参数，七 2 ．5 3 ，d 3 9 ．2 3 。 6 图9水一力耦合下有效峰值强度q ■。‘j 有效最小主 应力仉’关系曲线 F 喀9 R t ，l a I i m s h i p ㈨’v eo fq ’洲。v e r s u s L l n f k1 1 y d l 0 一 m e ’h a n i c a l ‘o L l l l i n gc t n 】i t i o T l 根据莫尔一库伦屈服准则，有效峰值强度呒■。与 最小主应力皿，之间的关系可以表示为 叱。、 怒一 小咎0 ㈩ 获得水一力耦合作用下，饱水砂岩的有效黏聚 力c7 1 ．0 4M P a ，有效内摩擦角妒’ 3 3 ．9 5M P 出， 3 水一力隔离下孔道砂岩力学特性 3 ．1 应力一应变关系曲线分析 水一力隔离下孔道砂岩力学特性试验数据见表 l ，偏应力一应变曲线如图1 0 所示。。类似于水一力耦 合，偏应力一轴向应变曲线也可分为5 个阶段，其偏 应力一体积应变曲线可分为2 个阶段。 处于水一力隔离状态下的孔道砂岩试件在恒定 围压下，随孔压的增大，孔道砂岩的峰值偏应力强度、 扩容起始偏应力、残余偏应力强度均有不同程度的增 加。以围压矿、 2 0M P a 为例，当孔隙水压从4M P a 增至1 6M P a 时，峰值偏应力强度从6 9 ．5 5M P a 增至 7 7 ．9 6M P a ，增幅为1 2 ．1 ％；扩容起始偏应力从 4 0 ．6 2M P a 增至7 5 ．2 7M P a ，增幅达8 5 ．3 ％；残余偏 应力强度从3 2 ．7 8M P a 增至5 8 ．3 5M P a ，增幅达 7 8 ．0 ％。孔压恒定时，孔道砂岩的峰值偏应力强度、 扩容起始偏应力、残余偏应力强度随围压∥，增加而 增大。以孔压尸 6 M P a 为例，当围压盯、从1 0M P a 增加至3 0M P a 时，峰值偏应力强度从6 3 ．3 9M P a 增 至8 2 ．8 6M P a ，增幅为3 0 ．7 ％；扩容起始偏应力从 4 9 ．1 5M P a 增至7 8 ．7 8M P a ，增幅达6 0 ．3 ％；残余偏 应力强度从3 3 ．9 6M P a 增至4 6 ．5 8M P a ，增幅为 3 7 ．2 ％。 3 ．2 变形特性分析 为研究水一力隔离状态下，围压盯，和孔压P 对 万方数据 第1 2 期 赵延林等水一力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比 3 9 7 9 孑L 道砂岩变形特性的影响，由式 1 ～ 3 计算获得 试件的变形模量E ，。和泊松比肛。获得水一力隔离状 态下变形模量E ，。、泊松比肛随孔压J p 的变化规 律 图1 1 。 5 04 0一3 0一2 01 00 1 02 03 04 05 0 应变／1 0 ， a 口产1 0 M P a 应变／1 0 1 c 毋 3 0 M P a P a P a P a P a 图1 0 水一力隔离状态下孔道砂岩的偏应力一应变曲线 F 培1 0 D e v j a t o r i cs t r e s s s t l ’a i l lc u l ．v e so f 1 1 0 l l o ws a l l 1 s t o n e u n d e rh v d r 一n l e c h a n i 1 a li s l a t j o n ，o n d i t i o n 水一力隔离状态下，围压盯，保持恒定时，除围压 盯3 l oM P a 外，在盯， 2 0M P a 和3 0M P a 的情况下， 随孔压增加，变形模量岛，整体呈上升趋势 图 1 1 a 。以围压盯， 3 0M P a 为例，当孔压从6M P a 增加至2 4M P a 时，变形模量E 。从6 ．6 7G P a 增加至 7 ．5 lG P a ；当孔压一定时，随围压盯、的增