深部煤体流变—渗流—温度耦合模型研究

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:cxz2004
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深部含瓦斯煤体物理力学行为是多相共存多场耦合共同作用的结果。在高应力环境下,煤体流变成为不可忽视的因素,深部煤体流变-渗流-温度耦合模型不仅是深部岩体力学的重要基础,而且为深部煤体及伴生资源开采提供理论支撑和安全保障。煤体渗透率作为多场耦合过程的中间变量,需考虑流变渗流条件下其演化规律。本论文以平煤神马集团1000m以深采煤工作面的开采条件为背景,提出了以采动应力为基础的深部煤体开采扰动因子,将Abel粘壶引入流变元件模型中,基于分数阶微积分理论以及利用扰动因子表征加速流变阶段的损伤程度,推导了描述流变三阶段的分数阶导数流变本构方程,并通过卸围压流变实验对其参数进行了拟合分析和敏感性研究;然后开展了分级卸围压流变渗流实验,发现了卸围压流变下渗透率在扩容点后随体积应变由压缩变为膨胀过程中先降低后增大的规律;基于真实的渗透网络使流体耗能最小的假设建立了双曲函数型渗透率方程,能综合反映体积应变、采动应力、温度变化及吸附解吸各要素的影响规律;推导了考虑流变特征的变形场平衡方程、渗流场状态方程以及温度变化引起的能量守恒方程,从而建立了深部煤体流变-渗流-温度耦合模型,并通过数值软件模拟了深部抽采钻孔周围煤体变形和渗流特征。本文主要的研究工作和成果如下:(1)进行了采动应力路径的三向应力实验,发现深部煤样峰前段应力-应变关系主要为非线性规律,压缩体积应变最大值相比常规三轴压缩条件较小,应力状态未达到峰值时煤样体积便从压缩变形转换为膨胀变形。基于损伤演化方程提出了深部煤体采动应力扰动因子。采动应力扰动因子既可反映煤体赋存深度(即原岩应力状态)对采动应力扰动的影响规律,又可呈现在同一赋存环境条件下不同应力状态的扰动情况。当煤体在采动应力条件下,主应力差越大,煤体受扰动强度越大,差值越小,煤体受扰动强度越小。深部煤体扰动数值模拟表明,保护层开采后,受扰动煤体应力卸压明显,呈现区域性应力扰动;上保护层未采煤体保持高应力状态,受本煤层巷道布置的影响,呈现局部强扰动特征。采动应力扰动因子与受扰动强度呈正相关。(2)针对深部煤体蠕变特征描述,基于分数阶导数推导出一维蠕变本构模型,在此基础上建立了分数阶导数三维蠕变本构方程,同时在该模型中考虑了体积蠕变特性。在分析深部煤体所赋存应力场的实际情况下,通过室内实验模拟了深部煤体在三轴应力卸围压条件下蠕变特征。煤样试件的轴向和环向应变随时间变化规律相似,然而每一级卸围压蠕变条件下两者应变值不尽相同;在同围压条件下,轴向和环向应变随轴压的变化规律不一致;在偏应力相等条件下,随着围压的增加,轴向应变和环向应变随时间而减小。(3)分析煤体常规三轴渗流实验和采动条件下渗流实验结果可知,在不同的应力路径下,煤体应力-应变曲线和体应变-轴向应变曲线形状类似,但是渗透率-体积应变曲线则表现出差异性。以体积应变扩容点为界,采动应力路径下,当煤体达到扩容点后,渗透率随体积应变从压缩变为膨胀呈现先降低后增加的过程。基于煤体在采动应力路径下真实渗透网络使得流体耗能最低的假设,推导得出以体积应变为自变量的双曲函数型渗透率表达式。根据卸围压渗流实验数据和蠕变渗流实验数据对双曲函数型渗透率表达式进行拟合,结果表明该模型可以很好地展现渗透率随体积应变(轴向应变)先减小后增大的规律,为深部煤体采动应力-渗流耦合模型提供了理论基础。(4)明确了强时效特征的科学内涵。强时效是指深部环境下采动岩体具有与采掘活动相关的、明显的流变效应,对多场多相渗流产生耦合影响。岩石的时效特性包含流变产生的三阶段、脆延转换和岩石物理力学特性的弱化。提出了强时效特征的临界损伤阈值判据和流变微分方程稳定性判据。临界损伤阈值判据可由非弹性体积应变、孔隙度或声发射数据判定;流变微分方程稳定性可根据Lyapunov稳定性定理判定。通过煤体三轴流变实验确定了强时效发生的起始位置,并给出了强时效条件下应变加速度与应变率存在的相关方程。通过三轴卸围压蠕变实验发现强时效阶段煤体渗透率会急剧增大的特点。(5)开展了深部原位单轴压缩试验,发现煤体在采动影响之前呈现缓慢的阶梯式加载,基于此,将工作面前方煤体划分为应变软化区、强时效流变区、分级扰动流变区和原岩应力流变区。将分数阶流变本构模型与应力场方程结合推导出表征流变过程的变形场方程,采用提出的渗透率方程,建立了深部煤体流变-渗流-温度耦合模型。借助有限元软件COMSOL对深部煤体抽采钻孔进行数值分析,得出考虑流变影响的多场耦合模型会增加煤体变形和降低渗透能力的规律。
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