一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法

本发明涉及测试煤岩体力学性能领域，具体涉及一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法。

背景技术：

1、单轴和三轴压缩实验是采空工程中常用的测试煤岩体力学性能的方法，但需要将煤岩样加工成标准的测试试件，如φ50×100mm的圆柱形试件或边长100mm的立方体试件，为提高试样加工过程中刀头的稳定性和降低刀头-试件间摩擦引起的试件破坏，常采用水进行润滑和降温。但泥质弱胶结岩石整体强度低且遇水易泥化，因此试件必须采用干加工方法，导致试件已在加工过程中破坏；此外，为反演泥质弱胶结岩石在水环境中的破坏过程和测试含水后的力学性能，需要对试件进行含水实验，但含水后的试件，尤其是高含水率的试件极易崩解，进而无法通过单轴和三轴压缩测定其在含水后的力学性能。而含水后的泥质弱胶结巷道围岩仍具有一定的承载强度，但当前实验方法限制了进一步研究。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其基于单轴实验、纳米压痕实验和数值模拟，以实现含水后泥质弱胶结岩石力学性能的进一步研究。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，包括以下步骤：

4、s1、在泥质弱胶结岩石液塑限范围内设置多个等级的试件含水率，采用干钻法钻取若干个标准单轴试件并挑选有效试件，有效试件数大于设置的含水率等级数；

5、s2、将试件完全浸入水中进行含水实验，每隔一段时间测量试件的含水率，当试件的含水率达到设定值时，检查试件是否出现含水破坏，对含水未破坏的试件进行单轴压缩实验，并监测其应力应变曲线和破坏特征；

6、s3、对含水破坏的试件，在达到设定值的含水率时，停止含水实验，将含水试件分解成若干块体，选取块体中相对光滑平整的面作为测试面，使测试面水平放置并对测试面进行电镜扫描，寻找矿物颗粒并记录其关于4个边角的空间坐标，测量胶结物颗粒的边长；

7、s4、对电镜扫描后的试件进行纳米压痕实验，通过记录的空间坐标找到扫描的矿物颗粒，随后进行纳米压痕实验，实验载荷范围设置在1～1000mn，多次测试以保证微观参数稳定性；

8、s5、重复步骤s3-步骤s4直至测试完所有含水试块；

9、s6、采用pfc2d数值模拟软件建立模型试件并设置ball直径，调整contact参数得到与单轴实验结果匹配的参数范围；然后进行纳米压痕模拟，不断调整contact参数使模拟位置-载荷曲线与纳米压痕结果一致，得到最终的contact参数；

10、s7、重复步骤s6完成含水未破坏的试件数值模型contact参数校正，分析contact参数中pc_coh和pc_ten比、pc_emod和emod比、以及pc_fa随含水率的变化规律；

11、s8、含水破坏的试件进行纳米压痕数值模拟实验，根据纳米压痕实验的位置载荷曲线，按照步骤s7中得到的比例和pc_fa随含水率的变化规律完成contact参数校正；拟合contact各参数随含水率的变化函数；

12、s9、根据步骤s8中得到的contact参数，在数值模拟软件中进行单轴压缩实验，进而测定不同含水率下泥质弱胶结巷道围岩的力学参数；

13、s10、等比例放大数值模型和ball直径量级至宏观巷道尺寸，根据巷道顶底板地质柱状图对数值模型进行分层，然后开挖巷道；在渗流水设置在弱胶结岩层上方，模拟上方岩层水进入弱胶结岩层并引起该岩层破坏的过程；

14、s11运行软件，通过fish语言实时遍历弱胶结岩层中每个contact处的含水率，根据contact各参数随含水率的变化函数调整contact参数，实现水对弱胶结岩层强度弱化到破坏过程的模拟。

15、优选地，步骤s1中，钻取若干个φ50×100mm的标准单轴试件，并从中挑选表面光滑且无破坏的试件作为有效的实验试件。

16、优选地，步骤s2中，每隔0.5～1.5h测试试件的含水率，含水破坏情况包括出现剥落、崩解。

17、优选地，步骤s3中，将含水试件分解成若干长×宽×高为10×10×5mm的块体，对试件测试面的背面进行打磨平整，使得测试面能够水平放置，但为避免打磨时胶结物覆盖测试面，因此测试面不能被打磨。

18、优选地，步骤s6中，采用pfc2d数值模拟软件建立长×高为50×100mm的数值模型-试件，模型中ball的直径不大于1mm，contact选用平行粘结接触模型，运行软件至模型平衡，平衡后删除试件左右的墙体并保留上下墙体用于单轴压缩模拟实验，根据含水未破坏试件的单轴压缩应力应变曲线和破坏特征采用试错法调整contact参数至与实验结果基本匹配，由于一定范围内的模型参数均存在与实验结果匹配的可能，因此，需不断调整contact参数得到与单轴实验结果匹配的参数范围。

19、优选地，步骤s6中，进行纳米压痕模拟前，删除模型里的上部墙体，根据纳米压痕仪针尖的尺寸，并和胶结物颗粒的边长进行对比，按照下式确定数值模型中针尖的尺寸；然后根据针尖的形状采用wall建立压痕针尖，wall模型针尖在实验前在数值模型的试件上方且不接触试件；然后进行纳米压痕模拟，针尖的加载方式同纳米压痕实验，记录针尖的位移以及受到的反作用力，反作用力的计算方法为：加卸载过程中，每一步均对针尖的wall进行遍历，将wall与ball接触产生的y方向接触力相加；通过不断调整contact参数使模拟位置-载荷曲线与纳米压痕结果一致，得到最终的contact参数。

20、优选地，步骤s10中，或根据设计方案自定义设置弱胶结岩层渗流水通道，模拟已局部破坏的弱胶结围岩的继续破坏过程。

21、本发明的有益效果在于：需要补充，有理有据的陈述一下本方法相对于现有技术的优点，能解决哪些问题。解决了传统力学测试无法得到高含水率条件下弱胶结岩石的强度参数的问题，能够复现浸水环境下泥质弱胶结围岩的破坏规律。

技术特征：

1.一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其特征在于，步骤s1中，钻取若干个φ50×100mm的标准单轴试件，并从中挑选表面光滑且无破坏的试件作为有效的实验试件。

3.如权利要求2所述的一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其特征在于，步骤s2中，每隔0.5～1.5h测试试件的含水率，含水破坏情况包括出现剥落、崩解。

4.如权利要求3所述的一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其特征在于，步骤s3中，将含水试件分解成若干长×宽×高为10×10×5mm的块体，对试件测试面的背面进行打磨平整，使得测试面能够水平放置，但为避免打磨时胶结物覆盖测试面，因此测试面不能被打磨。

5.如权利要求4所述的一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其特征在于，步骤s6中，采用pfc2d数值模拟软件建立长×高为50×100mm的数值模型-试件，模型中ball的直径不大于1mm，contact选用平行粘结接触模型，运行软件至模型平衡，平衡后删除试件左右的墙体并保留上下墙体用于单轴压缩模拟实验，根据含水未破坏试件的单轴压缩应力应变曲线和破坏特征采用试错法调整contact参数至与实验结果基本匹配，由于一定范围内的模型参数均存在与实验结果匹配的可能，因此，需不断调整contact参数得到与单轴实验结果匹配的参数范围。

6.如权利要求5所述的一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其特征在于，步骤s6中，进行纳米压痕模拟前，删除模型里的上部墙体，根据纳米压痕仪针尖的尺寸，并和胶结物颗粒的边长进行对比，按照下式确定数值模型中针尖的尺寸；然后根据针尖的形状采用wall建立压痕针尖，wall模型针尖在实验前在数值模型的试件上方且不接触试件；然后进行纳米压痕模拟，针尖的加载方式同纳米压痕实验，记录针尖的位移以及受到的反作用力，反作用力的计算方法为：加卸载过程中，每一步均对针尖的wall进行遍历，将wall与ball接触产生的y方向接触力相加；通过不断调整contact参数使模拟位置-载荷曲线与纳米压痕结果一致，得到最终的contact参数。

7.如权利要求6所述的一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，其特征在于，步骤s10中，或根据设计方案自定义设置弱胶结岩层渗流水通道，模拟已局部破坏的弱胶结围岩的继续破坏过程。

技术总结本发明公开了一种浸水泥质弱胶结岩石力学参数测定与模拟方法，收集岩样应力‑应变曲线及相关力学参数；建立标准单轴压缩模型并进行参数校正，获得模拟参数范围；建立纳米压痕模型，在模拟参数范围内进一步调整模拟参数至纳米压痕模拟曲线与实验曲线拟合，获得唯一的模拟参数，然后建立模拟参数随含水率的变化曲线，收集其应力‑应变曲线及相关力学参数，根据模拟参数随含水率的变化规律调整模拟参数至纳米压痕模拟曲线与实验曲线拟合，然后将数值模拟参数带入单轴压缩模型中获取该条件下岩石的抗压强度，从而解决传统力学测试无法得到高含水率条件下弱胶结岩石的强度参数的问题，复现浸水环境下泥质弱胶结围岩的破坏规律。技术研发人员：赵祥岍,柏建彪,苟赟博,闫帅,李梦龙,刘帅刚,王庆伟,付豪,孙世奇受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16