[01583815]煤层围岩高温物理力学特性试验研究及应用

1. 任务来源：河南省教育厅自然科学研究计划项目（2010A440002）。 2. 应用领域和技术原理： 该项目主要涉及煤碳地下气化煤层顶底板围岩、煤矿瓦斯爆炸围岩、地热开发地下围岩等工程领域,研究成果对经历高温的地下工程结构及部分火灾损伤结构的全过程分析和提高岩体安全性具有参考价值。 技术原理：为了研究煤炭地下气化、矿下煤与瓦斯爆炸等工程岩体经历高温后的力学性质和力学行为的变化规律,课题组自行研制双向约束框架和高温炉,对煤层顶底板砂岩和石灰岩高温中的膨胀特性进行了试验研究;为了解高温后岩石的力学性能,采用岩石力学试验系统对高温后的石灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验,研究总结了温度对岩石力学参数的影响;总结了超声波参数和微观结构变化与高温岩石力学性能之间的关系规律,研究成果对岩土工程设计、数值分析及长期安全性预测具有一定的意义。 3. 性能指标： （1）针对不同岩石高温后的膨胀特性问题,基于室内试验方法,研究了不同高温和约束方式等因素对岩石膨胀应力的影响,给出了高温砂岩和石灰岩单向约束和双向约束下的膨胀应力发展规律。 （2）针对高温后岩石超声波参数和微观结构变化规律研究不足的问题,利用非金属超声仪和电镜扫描试验研究了石灰岩和砂岩的超声波参数、元素组成和微观结构特征,给出了高温后岩石内孔隙开展、裂纹发展、矿物分解的规律。 （3）采用岩石力学试验系统对高温后的石灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验,给出了岩石不同高温后单轴受压力学参数的变化规律。 4. 与国内外同类技术比较： （1）本项目通过对高温后石灰岩和砂岩进行超声波试验试验,研究了高温后岩石纵波波速降低的原因;通过电镜扫描试验研究了石灰岩和砂岩的元素组成和微观结构特征,得到石灰岩和砂。 岩的元素组成。 （2）本项目通过试验研究了高温单向和双向约束条件下石灰岩和砂岩的膨胀应力变化规律,分析了膨胀应力变化的原因。 （3）采用岩石力学试验系统对高温后的石灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验,研究总结了温度对岩石力学参数的影响,得知高温对岩石的强度有一定的弱化作用。 该项目的研究方法具有很好的创新性,与国内外同类技术相比,采用试验研究和理论分析相结合,考虑围岩高温过程中同时处于多向约束的实际条件（未见研究）,分析了不同温下岩石膨胀应力的变化规律,结合超声特性、微观结构和单轴强度参数等多方面分析了高温岩石的物理力学特性。 5. 成果的创造性、先进性： 本项目通过自行设计的加温装置和约束框架研究了高温单向和双向约束条件下石灰岩和砂岩的膨胀应力变化规律,分析了膨胀应力变化的原因。试验装置及考虑岩石实际覆存的约束条件具有创新性和先进性。 综合考虑高温后围岩的超声波速变化规律、微观结构变化规律和单轴压缩力学参数变化规律等多方面因素分析高温岩石的物理力学特性,分析方法更全面,结论更可靠。 6. 作用意义（直接经济效益和社会意义）： 社会意义：通过对高温后围岩的力学性能分析,对既有煤矿煤层顶底板进行适当加固,可以节约大量再建投资,避免浪费;而且避免事故发生或者减少火灾事故伤亡人数。 经济效益：成果的应用表明,通过对既有工程的安全评价、合理设计和改造加固,至少可以减少15%左右的直接建设成本。若考虑由于加固期间不需停产等因素带来的间接经济效益,则经济效益更显著。 7. 推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见： 该项目研究成果有助于了解高温后岩石的物理力学性能变化,其规律为经历高温的煤矿工程和地热开发等工程的工程设计、前期建设和再建加固提供理论基础,具有广阔的应用空间。该项目研究成果可直接推广应用的情况有： （1）煤炭地下气化、矿下煤与瓦斯爆炸、煤炭开采过程中煤炭自燃、各种硐室及地下工程在经受火灾后的重建、高放射性核废料的地层深埋处理、地热资源的开发等工程的安全性评价。 （2）因地下火灾高温引起的结构局部损坏,为其维修改造提供指导性意见。 （3）为新建煤矿工程提供高温岩石力学基础。 岩石高温膨胀应力的变化规律和岩石高温后的力学特性,具有深远的社会意义和指导价值。其研究成果可为研究和掌握煤层顶板在煤炭地下气化过程中的活动规律,有节制地控制顶板冒落和气化空间大小,为有井式地下气化工艺的巷道布置,防止煤气泄漏提供理论依据。利用该研究成果可为经历高温工程的设计提供理论支持;利用该研究成果还可进行高温工程的安全性评价。因此,该项目有良好地应用前景,并填补高温条件下煤层围岩受约束时膨胀特性和力学特性研究的空白。