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。     

含瓦斯煤岩三维蠕变模型与稳定性分析

研究含瓦斯煤岩的蠕变特性是认识煤矿井下煤与瓦斯延迟突出机理的重要手段.为确定含瓦斯煤岩的蠕变规律,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变试验装置,对含瓦斯煤样进行了系统的三轴蠕变试验.利用西原模型与能描述非牛顿流体的粘弹塑性体相结合,建立了改进的含瓦斯煤岩三维蠕变模型,并根据实验结果拟合出了模型的参数.根据含瓦斯煤岩在不同的载荷条件下的三维蠕变试验结果对蠕变模型进行了验证.结果表明,所提出的含瓦斯煤岩三维蠕变模型能很好地描述含瓦斯煤岩各蠕变阶段的变形特性,尤其是加速蠕变阶段.此外还根据微分方程解的稳定性理论,讨论了含瓦斯煤岩蠕变模型的失稳条件.     

煤岩不同应力水平的蠕变及破坏特性

对韩城地区3#和5#煤岩在9 MPa围压下进行三轴蠕变试验,通过分级加载试验获取不同应力水平下煤岩的蠕变曲线。建立不同应力水平下煤岩的蠕变本构方程,并根据试验数据进行参数识别。结果表明:当3#和5#煤岩样的轴向应力分别小于其瞬时抗压强度的60%、40%时,蠕变曲线仅包含瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,在等速蠕变阶段应变速率几乎为零;当3#和5#煤岩样的轴向应力分别介于其瞬时抗压强度的60%～80%、40%～80%时,等速蠕变阶段的应变速率近似为一常值;而当3#及5#煤岩样的轴向应力均为其瞬时抗压强度的80%以上,蠕变试验曲线分别表现出蠕变脆性破坏特性和蠕变韧-脆性破坏特性。     

煤岩非线性损伤蠕变模型探析

为了研究煤岩蠕变特性,分析前人煤岩蠕变特性实验结果,在广义Kelvin模型的基础上建立了煤岩非线性损伤蠕变理论模型。假定煤岩损伤演化是应力和时间的函数,同时引入非线性硬化函数推导了煤岩非线性损伤衰减蠕变方程和蠕变全过程方程。任意给定方程中材料参数和加载条件,理论得到了煤岩衰减蠕变和蠕变全过程随时间变化曲线,对比前人煤岩蠕变实验结果,验证了用理论模型去研究煤岩的蠕变特性是可行的。     

含瓦斯煤岩流固耦合渗流数值模拟

为研究含瓦斯煤岩体长时效应及变形规律,采用理论推导与数值模拟的方法,利用含瓦斯煤岩变形理论与瓦斯渗流的基本理论,假定煤岩渗透率与体积应变正相关,推导获得体积应变与渗透率理论关系;利用COSOL Multiphysics软件,数值模拟研究了含瓦斯煤岩流固耦合的全过程,得到了含瓦斯煤岩渗流特性.研究结果表明:理论推导的体积应变与渗透率的关系式是合理的;当含瓦斯煤岩处于弹性阶段,煤岩体的渗透率随体积应变的增大而增大.研究结果对煤层瓦斯抽采参数设计具有重要的理论意义.     

含瓦斯煤岩三轴蠕变特性及本构关系

通过不同载荷水平的含瓦斯煤岩常规三轴蠕变试验,得到含瓦斯成型煤样常规三轴蠕变特性,并对实验曲线进行了数学拟合研究;在对广义西元模型进行了改进的基础上,建立含瓦斯煤岩三轴蠕变本构模型.结果显示,含瓦斯煤岩的蠕变特性与所选载荷水平密切相关且围压、瓦斯压力明显延缓煤样的蠕变变形;三阶曲线-ε(t)可以较好地表征含瓦斯煤岩常规三轴蠕变的3个阶段;建立的改进广义西元模型可以较好表征含瓦斯煤岩三轴蠕变本构关系.     

煤岩蠕变声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验系统和AE21C声发射监测系统对煤岩进行了分级加载声发射试验.试验结果分析表明,煤岩分级加载过程存在蠕变应力阈值,在达到该阈值之前,各个应力水平上的煤岩变形很不明显,当加载水平大于该阈值时才发生明显蠕变变形.在瞬态蠕变阶段,煤岩内微孔隙、裂隙逐渐扩展,声发射活动逐渐增强;在稳定蠕变阶段煤岩蠕变变形速率趋于平稳,新生裂隙较少,声发射事件少且能量低;在加速蠕变阶段煤体内产生大量裂隙并逐渐发育至宏观破裂失稳,储存的能量在较短的时间内快速释放,声发射事件数及能量均达到最大值.煤岩的声发射特征较好地反映了其蠕变过程中的损伤演化过程.     

三轴压缩下突出煤粘弹塑性蠕变模型

煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的灾害之一,研究突出煤的蠕变特性是认识煤与瓦斯延迟突出机理的重要方向。采用自行研制的突出煤蠕变渗流试验装置,对取自松藻煤矿的煤样进行了突出煤三轴蠕变试验。蠕变试验数据分析表明,突出煤在低于其长期强度载荷条件下表现出一种衰减蠕变特性,在高于其长期强度载荷条件下则表现出非衰减蠕变特性。通过引入能描述非牛顿流体变形特性的粘弹塑性体,结合鲍埃丁-汤姆逊体建立了突出煤粘弹塑性蠕变模型。利用Matlab编程拟合出了模型的相关参数,并根据突出煤的三维蠕变试验结果对蠕变模型进行了验证。试验结果与理论结果对比表明,所提出的突出煤的蠕变模型能有效地反映突出煤各种蠕变阶段的变形特性,尤其是加速蠕变阶段,充分体现了所建立的突出煤粘弹塑性蠕变模型的正确性与合理性。     

考虑含水劣化的泥质粉砂岩单轴蠕变特性研究

基于不同含水状态下T2b2泥质粉砂岩蠕变特性的试验研究结果,建立蠕变模量与含水率之间的数学关系式,表明含水率越大蠕变模量越小.将岩石的含水损伤定义为瞬间弹性损伤和长期蠕变损伤,结合试验结果确立了损伤变量和损伤演化方程,并基于泥质粉砂岩非线性蠕变方程建立了可考虑含水损伤的岩石蠕变模型.针对含水率恒定与变化两种情况下的理论和试验结果分别进行了对比分析,结果表明:①含水率恒定情况下,理论曲线和实验曲线的变化趋势是一致的;②变含水率情况下,理论曲线是介于饱和状态和干燥状态蠕变曲线之间的一种特殊曲线,不同吸水速率对应的瞬间弹性应变与干燥状态相等;吸水速率越大,初始蠕变速率越大,蠕变应变量也越大;吸水速率越小,岩石进入稳定蠕变阶段所需时间越长.     

不同加载路径下盐岩蠕变特性试验

为了研究加载路径对盐岩蠕变特性的影响,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了3种不同加载路径的蠕变试验,分析了盐岩在不同加载路径下的蠕变变形规律。结果表明,在恒围压、分级增加轴压加载路径下,随着轴向应力增加,盐岩瞬时应变、蠕变应变和蠕变速率均逐渐增大,衰减蠕变阶段持续的时间也逐渐延长;在恒轴压、分级卸围压加载路径下,当围压小于某个特定值时,围压的变化对盐岩蠕变特性产生一定的影响,当围压高于该值时,盐岩的蠕变特性似乎与围压无关,且从试验结果来看,该值应在4 MPa以上;在恒轴压、循环围压加载路径下,围压及其循环周期对盐岩蠕变特性的影响非常大,降围压阶段盐岩蠕变速率明显高于升围压阶段,且围压循环周期越小,降围压阶段蠕变速率与升围压阶段蠕变速率的比值越大,周期越大,该比值越小。     

碎裂板岩不同含水状态下蠕变特性试验

为了认识不同含水状态下碎裂板岩的蠕变特性,利用Instron全数控电液伺服力学试验机对贵州黔东南地区隧道洞口的碎裂板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究其自然风干、不完全饱和和饱和试样的蠕变特性。实验研究结果表明：（1）碎裂板岩蠕变过程主要包括衰减蠕变和稳态蠕变过程,超过一定应力后,在极短的时间内破坏,因此可由广义开尔文模型描述其蠕变过程;（2）自然风干试样蠕变破坏应力为66.2 MPa,为自然风干试样瞬时单轴抗压强度的71.7%,不完全饱和试样蠕变破坏应力为56.1 MPa,饱和试样蠕变破坏应力为38.2 MPa;（3）不完全饱和试样的最大蠕变应变为自然风干试样的2.7倍,而饱和试样的最大蠕变应变值是自然风干试样的4.3倍。     

含水状态下硬脆性泥页岩蠕变特性实验研究

对岩石进行不同含水率下三轴蠕变实验,试样在整个加载过程中,经历了衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个蠕变阶段。根据不同含水率岩样的等时应力应变曲线,可以看出泥页岩的蠕变是非线性的;并且随含水率和应力水平的提高,应力应变的非线性程度也增大。在相同的外载条件下,随着含水率的增加,泥页岩的蠕变变形增加、蠕变进入稳定阶段所需的时间越长;而岩石长期强度呈减小的趋势。说明对于泥页岩地层的钻井施工,需要考虑泥页岩的时效变形行为及流变效应。     

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。     

采空区顶板蠕变损伤断裂分析

为了改进采空区顶板管理方式,必须掌握顶板断裂的滞后性.顶板断裂的滞后性是顶板岩层蠕变损伤的结果.基于Kachanov蠕变损伤理论对采空区项板的蠕变损伤过程进行了解析分析.采空区顶板的蠕变损伤断裂经历断裂孕育和裂隙扩展两个阶段.断裂孕育时间随材料的蠕变指数、上覆岩层压力的增大而减小;裂隙扩展时间也随材料的蠕变指数、上覆岩层压力的增大而减小,但随岩石的抗拉强度增大而增加.     

软岩蠕变过程中单相渗流固流耦合及数学模型

针对隧道开挖后因渗流路径的增加而改变围岩的含水状态，使围岩的蠕变变形规律发生改变的现象，根据岩土流变力学和渗流力学理论，对含水率的变化对软岩蠕变变形规律及其本构方程的影响进行了研究，并在此基础上建立了单相流体在蠕变变形多孔介质(均质、各相同性的Bu体软岩)中流动时的固流耦合模型。结果表明，固流耦合是软岩蠕变变形非线性的重要影响因素。     

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。