冲击地压灾害结构失稳机理的组合体试验研究

煤矿冲击地压的发生机理极其复杂,是煤岩体非线性破坏、失稳矿山压力显现的总称。在分析煤岩体破坏机理和采动影响的基础上,应用能量积聚-释放诱发冲击地压的原理设计了煤岩体组合力学模型及模拟煤岩体突出的结构失稳加载试验系统试验,并配制、筛选大变形突出倾向性相似材料等方面进行了组合体结构加载失稳试验,获得了煤岩结构失稳与位移突出的特征。试验表明:组合体试件在加卸载过程中和破坏失稳时表现为稳定态能量积蓄、非稳态释放特征,是应力环境、材料强度与结构等多种因素影响的非线性动力学过程。     

水与煤岩蠕变影响试验研究

为了解决煤岩体具有的流变性,而蠕变是流变的主要形式;遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。采用静载油压三轴试验机,测定不同含水率对煤岩体试件蠕变特性规律;根据含水状态对煤岩体蠕变特性影响,对煤岩蠕变模型以及参数进行了确定。该成果为含水状态下煤岩体的长期稳定性研究提供理论依据。     

煤岩体蠕变-渗流耦合数值模拟

针对煤岩体具有流变性,蠕变是流变的主要形式问题,遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。基于等效连续介质模型和流变学的理论,建立煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的流变模型,推导相应的直接耦合总体控制方程,并应用于解决煤岩体层状边坡长期稳定性;基于FEPG软件平台,编制蠕变破裂-渗流耦合模块,分析煤岩体层状边坡各设定监测点随时间演化应力变化规律,以及其监测点水压随时间的变化,位移的变化规律,并对模型监测点在蠕变破裂和蠕变破裂-渗流耦合两种情况下的水压变化进行了对比分析,为煤岩工程的长期稳定性提供理论方法和实际预测依据。     

含瓦斯煤岩流变特性研究

在打通煤样流变实验基础上，研究了含瓦斯煤岩在不同的孔隙压力下不同应力级别的变形与时间关系，提出的广义西原模型能考虑到煤岩体蠕变加速阶段的非等加速特性，真实描述煤岩体蠕变的全过程曲线，最后利用非线性回归方法一最小二乘法中的Marquardt法对实验结果进行了拟合，获取了煤岩的流变参数。理论分析结果和实验结果对比，两者之间有较好的吻合性。广义西原模型为使用电磁辐射法预测煤与瓦斯延迟突出提供了理论基础。     

岩石高边坡弯曲破坏的力学分析

采用梁的受力模型,结合燕子垭岩石高边坡的现场实际,分析顺层岩石高边坡的破坏机理。指出岩体的自重和静水压力是致使岩石高边坡发生弯曲破坏的主要因素,风化和蠕变的发展减小了岩体强度和岩层的粘接力,促进了岩体边坡的破坏,是使岩体高边坡发生弯曲破坏的次要因素。根据论文分析,提出了对该类边坡做挂网喷射混凝土封闭和安设灌浆锚杆、预应力锚索的加固建议。     

板裂介质围岩的流变屈曲研究

针对板裂和似板裂介质结构围岩体的流变特性，建立了粘弹性围岩岩层的屈曲模型。给出了可描述巷道围岩蠕变特征的岩板松弛模数，及在一定载荷作用下粘弹性岩板的屈曲和后屈曲，临界载荷特性曲线。分析计算表明，当岩板的压应力水平增大到亚临界屈曲状态时，由于材料的非稳定蠕变特征将引起岩层的分岔失稳，围岩发生后屈曲破坏。后屈曲模态幅值可作为岩层破坏的位移判据及时间判据。     

基于岩体蠕变试验的Burgers改进模型

以湖北潘口水电站进水口边坡岩体为研究对象进行室内蠕变试验,得到岩样的应力-应变曲线和相应的力学参数;对本构模型进行分析,提出改进方法。在Mohr-Coulomb准则(M-C准则)基础上引入新的M-C塑性元件,提出Burgers改进蠕变模型。研究结果表明:白云石英片岩和绿泥钠长片岩具有明显的蠕变特性,在不同级别的荷载力加载下,加载应力与应变以比例方式增大;这2种岩体材料同时具有黏塑、瞬塑、瞬弹和黏弹特性,这4种特性随着应力增大也呈增强趋势;这2种岩体材料在饱和状态下蠕变现象更明显;Burgers改进蠕变模型能够对黏弹塑性偏量特征及弹塑性体积进行模拟。     

岩石高边坡弯曲破坏的力学分析

采用梁的受力模型，结合燕子垭岩石高边坡的现场实际，分析顺层岩石高边坡的破坏机理。指出岩体的自重和静水压力是致使岩石高边坡发生弯曲破坏的主要因素，风化和蠕变的发展减小了岩体强度和岩层的粘接力，促进了岩体边坡的破坏，是使岩体高边坡发生弯曲破坏的次要因素。根据论文分析，提出对该类边坡做挂网喷射混凝土封闭和安设灌浆锚杆、预应力锚索的加固建议。     

岩体蠕变裂纹起裂与扩展的损伤力学分析方法

将损伤力学与断裂理论相结合，通过对近裂尖瞬态应力场近似表达的推导，提出了岩体蠕变裂纹起裂与扩展的损伤力学分析理论，建立了岩体蠕变裂纹扩展的损伤累积模型．这一分析理论和模型可用于蠕变主裂纹起裂时间的预测以及裂纹时效扩展特征的分析．     

岩体蠕变裂纹起裂与扩展的损伤软科学分析方法

将损伤力学与断裂理论相结合，通过对近裂尖瞬态应力场近似表达的推导，提出了岩体蠕变裂纹起裂与扩展的损伤力学分析理论，建立了岩体蠕变裂纹扩展的损伤累积模型，这一分析理论和模型可用于蠕变主裂纹起裂时间的预测以及裂纹时效扩展特征的分析。     

限制性剪切蠕变的渐进式破坏发育模式与本构方程分析

以标准红砂岩方形试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩剪切蠕变试验设备和煤岩细观力学特性测控软件、超声波检测设备,对红砂岩限制性剪切、限制性剪切蠕变过程的破坏过程、破坏模式、渐变特性进行了分析。结果表明:红砂岩试样在限制性剪切、限制性剪切蠕变条件下表现出明显的渐变破坏特性;大部分试验过程中试样内部的超声波速减小幅度较小,仅在临近破坏处有明显减小;红砂岩限制性剪切蠕变破坏发育过程表现为先形成主控破裂面,又在其附近区域形成丰富微裂隙,并发育、相互贯通,最后克服剪切面摩擦力并发生突发式破坏,且伴有较大断裂声;其破坏模式发育过程呈渐进式,破坏模式呈突发式;建立了一种可以表征红砂岩剪切蠕变渐进式破坏发育过程的本构模型。     

软岩蠕变特性的数值分析

为了对高应力条件下岩石的变形特性进行准确的预测和预报,根据软岩蠕变特征,基于伯格(M-K)蠕变模型,考虑材料的粘弹性应力偏量特性与弹塑性体积变化特性,假定粘弹性和塑性应变分量经串联方式共同作用,建立了软岩蠕变特性的数值模型,并对Ⅴ类围岩的蠕变特性进行了数值模拟。结果表明,在高应力条件下,蠕变使围岩变形加剧,且蠕变变形随主应力差的增加而增大。     

一种改进的岩石黏弹塑性加速蠕变力学模型

为了全面描述岩石蠕变全过程,克服线性牛顿体不能准确描述加速蠕变的不足,在引入非线性蠕变体模型基础上,结合流变力学模型理论,定义应力与试件长期强度的比值为加速蠕变速率幂级数n,模型发生加速蠕变时的总蠕变量为蠕变特征长度εc,进而得到一种改进的能够描述岩石黏弹塑性加速蠕变的力学模型。结合东乡铜矿砂质页岩单轴压缩下分级增量循环加卸载蠕变试验,对模型参数的辨识进行解释,并将该模型的蠕变拟合曲线与实验的蠕变曲线进行对比。研究结果表明:该模型能很好地描述了岩石的加速蠕变特性。     

基于能量守恒定律对西原模型的改进与验证

在油气钻井工程中,由岩石蠕变引起的井眼缩径或井壁坍塌时有发生,本文基于能量守恒定律分析岩石蠕变的3个阶段,阐述传统的蠕变模型难以研究岩石加速蠕变阶段的原因。为此,在西原模型的基础上串联了一个绕组元件,建立改进西原模型及相应的本构方程。根据油气开发过程中所钻遇地层部分岩心的蠕变实验数据,对建立的改进西原模型进行验证,表明该模型能够很好地反映出岩石的蠕变特性,尤其是在岩石所受荷载大于长期强度的情况下,对凸显岩石加速蠕变阶段效果明显。该改进西原模型的提出可为进一步揭示岩石蠕变的客观规律提供理论依据。     

煤岩与瓦斯微元体破坏突出机理

煤岩与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力、煤体结构破坏、孔洞内煤屑与瓦斯压力及时间效应等共同作用的结果。文中从煤与瓦斯突出发生的整个过程出发,结合现有的煤岩与瓦斯突出机理的研究成果,通过建立煤岩微元体破坏模型,计算煤岩微元体区域破坏概率、煤与瓦斯突出所必须的能量条件,分析煤与瓦斯突出区域的形成与发生,最后,提出了煤岩与瓦斯的突出是从煤岩体微元的破坏开始的,其发展、发育过程是众多煤岩体微元连续破坏的结果,得到了突出区域煤岩体破坏概率的平均强度以及发生突出的必须能量条件关系式,为煤与瓦斯突出的研究提出了一个新的模式与思路,对于防治煤岩与瓦斯突出事故、灾害的发生具有一定的实践与理论指导意义。     

盐岩夹层蠕变特性实验研究与理论分析

通过对湖北应城盐岩夹层160 d的单轴压缩蠕变试验研究,可知湖北应城盐岩夹层具有良好的蠕变特性,盐岩夹层蠕变来自两部分,一部分为盐岩蠕变,另一部分来自夹层蠕变,且纯盐岩蠕变率高于夹层,横向应变率大于夹层。根据试验结果,拟合试验曲线得出了盐岩夹层蠕变经验公式,由最小二乘法得到盐岩夹层蠕变经验公式拟合参数;并分析了曲线特征,建立了盐岩夹层蠕变理论模型,得出了盐岩夹层的粘弹塑性本构方程,为盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据。     

层状盐岩力学特性与蠕变机理研究

对层状盐岩力学特性进行实验与分析,获取相应的力学特征参数,是盐岩地下溶腔蠕变特性数值模拟的必要步骤,是数值计算中力学模型的组成要素。本文通过单轴压缩、三轴压缩和压缩蠕变等实验,获取层状盐岩短期强度特性和长期蠕变特性的力学特征参数,为盐岩蠕变模拟提供必要的参数支持。在此基础上,本文对层状盐岩蠕变机理进行分析,并将对盐岩蠕变率方程进行解析,为构建盐岩蠕变本构模型作铺垫。     

考虑裂隙塑性的岩石非线性分数阶蠕变模型

为了有效地描述岩石蠕变的加速阶段考虑岩石裂隙压密闭合效应,基于分数阶微积分理论,在模型中加入裂隙塑性元件,并引入变截面黏壶和塑性元件并联成一个非线性黏塑性体,建立五元件非线性蠕变模型。推导出模型的蠕变本构方程,并利用该模型对岩石蠕变试验数据进行拟合,确定模型的蠕变参数。结果表明,该模型能够很好地描述岩石蠕变的三阶段,具有合理性和可行性。     

考虑损伤的岩石非线性蠕变模型

蠕变行为广泛地存在于岩石类材料中,并对岩体的稳定性有着重要的影响。因此,对岩石类材料的蠕变行为进行深入的研究是很有必要的。为了更好地揭示岩石的蠕变机制,结合分数微积分理论,建立了一个考虑损伤的蠕变模型。通过推导元件的蠕变方程,得到了整个模型的蠕变本构方程;并基于广义塑性力学理论对此方程进行了三维应力状态下的扩展。结合一系列的煤岩、泥岩和盐岩三轴蠕变实验,对此模型进行了验证。将此新模型的验证结果和西原正夫模型进行了对比研究。结果表明,此模型能够更好地模拟岩石蠕变的全过程,尤其是加速蠕变。