岩土及深部井巷工程物理模拟试验系统

1、煤矿井巷工程三维物理模拟试验； 2、 深部井巷工程的新型支护技术、支护工艺、支护材料研究； 3、隧道工程及煤矿井壁结构物理相似模拟试验； 4、深部井巷煤岩突出的与物理模拟试验或仿真试验。 2100433B

圆柱形卧式准三轴煤矿井巷工程物理模拟试验系统的围压加载与保持装置外径1860mm，长6200mm。试验模型为圆柱体，模型最大直径1140mm，长5600mm，模型最大体积5.71m3。

深部复杂岩土介质稳定性控制是深部开发技术的核心内容之一。本项目针对我国迫切需要开发的深部复杂岩土介质稳定性控制技术展开深入的基础理论和应用研究，主要研究内容和思路为：运用岩石力学理论和深部开采理论，系统研究复杂岩土介质的物理力学性质和本构关系、工程结构荷载性质、节理裂隙发育与演化规律、变形能分配规律及其与工程环境相互作用机制，揭示深部复杂岩土介质的破裂演化机理，提出复杂岩土介质弹性波勘探方法、采动岩体“结构关键层” “隔水关键层”稳定性控制原理及深部复杂岩土介质中冻结体和井壁的稳定性计算理论，并深入研究应用复杂岩土介质稳定性控制技术进行深部开发的原理和方法；初步建立深部复杂岩土介质稳定性控制模式。本项研究中将传统“相对独立的宏观、介观、细观研究层面”转变为“其与多相和多场耦合研究统筹协调”对深部复杂岩土介质性质及工程效应进行研究，提高开发利用深部地下资源及地下空间的安全性。

深部岩土体工程地质条件及其赋存的地质环境是深部地下工程的物质基础，随着深度的加大，地质环境和条件越来越复杂，各种灾害也呈现越来越严重和频繁的趋势。针对以上问题，本项目综合运用理论研究、力学实验、数值计算、相似实验等手段，对深部复杂岩土介质物理构造力学特性及工程效应展开系统研究，实现了深部复杂岩土介质中地下工程安全建设及提高其使用效率和寿命的目标。主要研究结论和创新点： （1）揭示了加载速率对岩石能量积聚与耗散演化及分配规律的影响，考虑不同路径多方位弹性波衰减的物理特征，开发了微震事件三维实时自动识别勘探技术与介质物性能量反演表征技术。针对深部破裂岩体强度特征与变形破坏机理的科学问题，分析了围压对砂岩峰值强度、残余强度和弹性模量的影响；结合X-ray微米CT扫描系统，研究了大理岩在不同围压作用下的变形破坏机理及脆延性转化机制。 （2）获得了天然岩体介质孔隙结构的几何、统计特征，结合自主开发的高效并行重构算法，建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型。综合运用CT扫描，3D打印和光弹性法，开展了孔隙与裂隙岩体非连续结构的分形重构及其应力场、裂隙场、渗流场三维可视化的研究，观测到了岩石破裂过程中剪切破坏带以及裂纹的萌生和扩展过程。 （3）基于斜井外荷载形式非单一性、荷载分布非中心对称性两大基本特点，建立了圆柱坐标系下的斜井井筒（冻结壁）外荷载计算模型。结合斜井冻结壁力学模型边界条件，提出了斜井冻结壁厚度计算公式。 （4）形成了以深部强动压、破裂围岩巷道稳定性控制技术，复合井壁结构多圈孔分圈异步冻结技术，采动岩体采充一体化主动控制理论与技术等多项成套创新技术体系。结合理论和试验结果，与河南龙门煤业公司、陕北榆林小纪汗煤矿、内蒙古不连沟煤矿、山西潞安集团、山东唐口煤业公司等大型企业联合开展了工业性试验和成果的初步推广工作，取得了显著的经济社会效益。 2100433B

测定矿物成分、粒度成分和化学成分，了解岩土的物质组成；通过显微镜鉴定，了解岩土体的组织与构造；测定密度、孔隙度、含水量、吸水率、粘土类土的稠度和砂土类土的相对密度，了解岩土物理性质；测定岩土的可溶性、亲水性、毛管性、渗透性、膨胀、崩解和黄土类土的湿陷性等。

工程地质试验岩石力学性质试验

①抗压强度试验：岩样单轴承受压力或三轴承受压力，以了解岩块在单向或三向荷载作用下的强度和变形性质；②抗拉试验:采取直径5cm左右的圆柱岩心,用对径压缩荷载确定岩块的拉裂强度;③抗剪试验：又称室内中型剪试验,即采集天然状态下,面积为30cm×30cm并含有软弱结构面的岩样，进行剪断或摩擦试验;④流变试验:研究在恒温、恒湿的条件下,受力岩块在变形恒定时应力随时间减少的过程(应力松弛)或受力岩块在恒定应力时变形随时间发生变化的过程（蠕变），多用于研究岩土的长期强度。

工程地质试验土体变形试验

①平板载荷试验：在经过平整的基坑底部,利用与基础刚度相近似的圆形或方形承压板,在板上分级施加荷载,直到地基破坏，从测出的荷载-沉降曲线分析地基土体的承载力和变形性质；②土体旁压试验（横压试验）：利用充水或充氮气的硬橡皮或金属铠装加筋乳胶膜,向钻孔孔壁四周横向逐级加压,分析孔壁径向应力和应变曲线及极限压力。