地下儲(chǔ)氣條件下煤礦采空區(qū)頂板巖系蠕變特性與試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/H1>

發(fā)布時(shí)間：2019-05-08 06:26

【摘要】：煤礦采空區(qū)頂板巖系的穩(wěn)定性是地下儲(chǔ)氣庫可儲(chǔ)性的關(guān)鍵地質(zhì)問題,失穩(wěn)不僅會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失,而且會(huì)對(duì)采礦人員的生命安全及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。煤礦采空區(qū)頂板中泥巖、砂巖及砂質(zhì)泥巖等頂板巖石所占的比例越大,其變形就越大,氣體儲(chǔ)藏條件就越復(fù)雜。頂板巖石的蠕變變形會(huì)對(duì)煤礦采掘過程中采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響。本文針對(duì)地下儲(chǔ)氣條件下煤礦采空區(qū)頂板巖系蠕變失穩(wěn)問題,利用RLW-2000型巖石三軸流變儀對(duì)砂質(zhì)泥巖、砂巖和泥巖這三種頂板巖石進(jìn)行分級(jí)加載條件下的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),得到了這三種頂板巖石的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。通過對(duì)經(jīng)典流變組合模型的分析及Matlab最小二乘迭代法的擬合,確定了適合于頂板巖系的經(jīng)典組合模型,在此基礎(chǔ)上結(jié)合頂板巖系流變的特點(diǎn),對(duì)這種經(jīng)典組合模型進(jìn)行改進(jìn)和組合,最終得到了更適合描述頂板巖系蠕變?nèi)^程的七元件非線性黏彈塑性本構(gòu)模型。最后再利用Matlab最小二乘迭代法對(duì)三種頂板巖石的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)和得到的七元件非線性黏彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行擬合驗(yàn)證。主要研究成果為:(1)、當(dāng)外界荷載值的大小小于頂板巖石的屈服強(qiáng)度時(shí),頂板巖石在經(jīng)歷初始蠕變階段之后便進(jìn)入到穩(wěn)定蠕變階段,微觀孔隙和裂紋的不斷閉合及微觀團(tuán)粒的不斷分解產(chǎn)生新的微觀裂紋,這兩者逐漸趨于平衡,隨著時(shí)間的發(fā)展,頂板巖石的應(yīng)變變化逐漸變小,趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外界荷載超過其屈服強(qiáng)度時(shí),頂板巖石的蠕變開始出現(xiàn)加速現(xiàn)象,出現(xiàn)了可以反映頂板巖系蠕變性質(zhì)的第三階段,試樣開始產(chǎn)生微觀裂紋且發(fā)生閉合,微團(tuán)粒被破壞,顆粒間的連接被嚴(yán)重削弱,大量的微觀裂紋匯聚成宏觀裂紋,最終導(dǎo)致頂板巖石產(chǎn)生破壞。(2)、由這三種頂板巖石的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)可以得出:砂巖的強(qiáng)度最大,泥巖次之,砂質(zhì)泥巖最小。造成砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度相比于砂巖和泥巖更小的原因是砂質(zhì)泥巖位于砂巖和泥巖的夾層中,兩種大小不同的顆粒混合在一起,無法膠結(jié)密實(shí),導(dǎo)致了強(qiáng)度的損耗,使得混合有砂巖和泥巖的砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度反而比泥巖的強(qiáng)度還小。(3)、通過對(duì)鮑埃丁-湯姆遜模型、廣義開爾文模型、伯格斯模型和西原模型等采用最小二乘迭代法進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)的擬合,可以得出伯格斯模型的擬合效果最好,所以,伯格斯模型是描述頂板巖系蠕變特性最理想的基本組合模型。伯格斯模型雖然能較好的模擬頂板巖系蠕變過程中的前兩個(gè)階段,但它與實(shí)際情況存在一定的偏差,為了更好的模擬頂板巖系的蠕變,在伯格斯模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),得到了改進(jìn)的伯格斯模型。(4)、當(dāng)外界荷載大于頂板巖石的屈服應(yīng)力時(shí),頂板巖石的蠕變會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展出現(xiàn)加速現(xiàn)象,為了更好的表達(dá)頂板巖系蠕變的加速階段,需要建立頂板巖系的非線性黏彈塑性流變本構(gòu)模型,將黏塑性模型與改進(jìn)的伯格斯模型進(jìn)行串聯(lián),得到了一個(gè)能夠全面地反映頂板巖系蠕變特性的改進(jìn)的非線性黏彈塑性模型,即七元件非線性黏彈塑性模型。(5)、對(duì)七元件非線性黏彈塑性模型的一維蠕變方程進(jìn)行推導(dǎo),得到了含系數(shù)的七元件非線性黏彈塑性一維蠕變本構(gòu)模型的方程,并利用方程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)七元件非線性黏彈塑性模型進(jìn)行擬合驗(yàn)證。擬合結(jié)果表明:試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本位于擬合曲線之上,七元件非線性黏彈塑性模型能夠很好地模擬頂板巖系的蠕變發(fā)展全過程。對(duì)比砂質(zhì)泥巖、砂巖和泥巖的蠕變曲線擬合情況可以看到,砂質(zhì)泥巖的和方差最小,泥巖其次,砂巖最大。這說明七元件非線性黏彈塑性模型不僅可以很好的模擬頂板巖系的蠕變過程,而且對(duì)于越軟巖石的擬合效果越好,越能夠反映其蠕變特性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD327.2

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本文編號(hào)：2471688

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