砂岩在偏光显微镜下的描述（深部砂岩力学特性试验与本构模型）

砂岩在偏光显微镜下的描述（深部砂岩力学特性试验与本构模型）如内蒙古红庆梁深立井马头门工程处于砂岩地层中 由于砂岩力学劣化性质导致了其支护破损。因此 开展针对砂岩力学试验研究对巷道围岩稳定性控制具有重要的指导意义。砂岩在外力扰动和高地应作用下具有明显的力学劣化特性 由此引发的巷道围岩失稳及支护结构失效等工程问题严重制约了矿井的安全高效生产[3-4]。作者单位 1. 辽宁工程技术大学 土木工程学院；2. 辽宁工业大学 土木建筑工程学院研究背景砂岩在我国西北深部地层中广泛分布并比较常见 随着我国煤炭资源的开采强度不断加大 矿井建设逐渐向深部发展 以砂岩为工程地质条件的情况日益增多[1-2]。

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作 者

张向东¹ 蔡冀奇¹ 唐楠楠¹ 李庆文^{1 2} 孙 闯¹

作者单位

1. 辽宁工程技术大学 土木工程学院；2. 辽宁工业大学 土木建筑工程学院

研究背景砂岩在我国西北深部地层中广泛分布并比较常见 随着我国煤炭资源的开采强度不断加大 矿井建设逐渐向深部发展 以砂岩为工程地质条件的情况日益增多^[1-2]。

砂岩在外力扰动和高地应作用下具有明显的力学劣化特性 由此引发的巷道围岩失稳及支护结构失效等工程问题严重制约了矿井的安全高效生产^[3-4]。

如内蒙古红庆梁深立井马头门工程处于砂岩地层中 由于砂岩力学劣化性质导致了其支护破损。因此 开展针对砂岩力学试验研究对巷道围岩稳定性控制具有重要的指导意义。

摘 要

为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。 以红庆梁深立井工程 为背景 对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验 结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征.

基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点 推导出砂岩损伤软化本构模型 探讨了模型参数F₀和m与围压的函数关系 结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点 采用非线性拟合方法对模型参数进行修正 最后得到修正的损伤软化本构模型。

利用FLAC3D对修正后的本构模型数值求解 将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用 并分析了数值计算结果的合理性。

结果表明:

①砂岩变形参数对围压敏感度较低 强度参数受围压影响较大 不同围压条件下 当应力达到峰值后 砂岩呈现出明显的应变软化特性。

②通过FLAC3D数值验证结果可知 损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合 说明模型具有较高的真实性 能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程。

③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明 在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏 并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。

作者简介

张向东，男，汉族，1962年10月生于吉林省榆树县。博士生导师、二级教授；东北大学矿山工程力学专业博士；教育部高等学校土木工程专业教学指导分委会城市地下空间工程专业教学指导小组成员；辽宁省“百千万人才工程”百人层次人选、辽宁省优秀人才支持计划人选者、辽宁省教学名师、辽宁省土木工程学科带头人、辽宁省优秀科技工作者、辽宁省优秀教师、辽宁省优秀教育科研工作者，现任土木工程学院党委书记。

主要成果

长期从事地下工程、岩土工程等方面的教学与研究工作。先后主持国家自然科学基金、教育部博士点基金、辽宁省自然科学基金、企业委托项目等共91项，获省部级科技进步奖34项，发表学术论文343篇，其中被SCI、EI等收录78篇。担任全国高等学校城市地下空间工程专业规划教材编写委员会主任、交通版高等学校土木工程专业规划教材编写委员会副主任，出版《土力学》、《岩石力学》、《风积土冻胀与融沉》等教材或专著11部。主讲的《土力学》、《岩土工程稳定与加固》和《道路勘测设计》为辽宁省精品资源共享课，主持14项教改项目的研究工作，共指导博士和硕士研究生201名。

文中图片

岩石试件及破坏特征

不同围压下的砂岩应力-应变曲线

砂岩峰值强度拟合曲线

m-σ₃与F₀-σ₃散点分布

砂岩三轴压缩试验值与理论计算曲线对比分析

数值模型尺寸及边界条件

马头门围岩数值计算结果

马头门支护结构应力分布云图

现场马头门破损照片

来源：

张向东 蔡冀奇 唐楠楠 等.深部砂岩力学特性试验与本构模型[J].煤炭学报 2019 44(7):2087-2093.

ZHANG Xiangdong CAI Jiqi TANG Nannan et al. Experimental study on mechanical properties of deep sandstone and its constitutive model[J]. Journal of China Coal Society 2019 44(7):2087-2093.

责任编辑：常琛编辑整理：郭晓炜

审 核：常琛

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