深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

含瓦斯煤体爆破损伤模型研究

含瓦斯煤体是一种复杂的力学介质,瓦斯气体的存在使煤体的物理力学性质发生改变,对煤体的爆破作用具有积极作用。爆破作用下煤体将发生变形并改变瓦斯气体的赋存状态,这都引起煤体的孔隙率发生相应的改变。在Taylor方法的基础上,利用孔隙率定义含瓦斯煤体爆破损伤变量并确定其损伤演化方程,利用有效应力原理建立了含瓦斯煤体动态本构方程和爆破损伤模型。     

基于改进的Poyting-Thomson蠕变损伤模型研究

针对原Poyting-Thomson模型不能很好地反映软岩受载蠕变过程中的加速蠕变阶段问题,在原Poyting-Thomson模型的基础上,串联了一个非线性元件,依据能量损伤理论中弹性模量的变化定义损伤变量,构建了一个在软岩受载时,能描述软岩全蠕变变形特征的新蠕变模型,并通过对砂岩的单轴压缩实验来验证构建出的模型的合理性。研究表明,以砂岩试件蠕变时间35 h为分界点,35 h前实验蠕变曲线处于衰减与等速蠕变阶段,35 h后实验蠕变曲线处于加速蠕变阶段,采用ORIGIN绘图软件分别对2个阶段进行模型函数拟合,得出了拟合曲线能够较好地吻合实验蠕变曲线,函数拟合精度高,证明了该模型的合理性。     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:(1)不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;(2)不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;(3)对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;(4)构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试...     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

含夹层盐岩蠕变特性试验及其本构关系

为了解某拟建盐穴储库围岩含夹层盐岩的蠕变特性,对该库址含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行了不同围压下三轴压缩蠕变试验,分析了其蠕变变形规律。实验结果表明：含夹层盐岩初始蠕变阶段的持续时间大于泥岩试件而与盐岩试件基本相同,即第1蠕变阶段的持续时间主要由层状盐岩试件中盐岩体部分决定;第2蠕变阶段的稳定蠕变速率则随着泥质夹层含量的不同呈现较大的差异,在相同应力条件下,含泥质夹层盐岩试件的蠕变速率小于盐岩而大于泥岩。根据3种岩样第2蠕变阶段的蠕变特性,基于含泥质夹层盐岩试件中泥质夹层的体积分数,推导了含夹层盐岩蠕变力学参数与纯盐岩及纯泥岩蠕变参数的关系。     

基于瓦斯涌出条件下采动煤体蠕变理论研究

为了研究瓦斯涌出导致采动煤体蠕变失稳的问题,应用非线性模型理论和线性叠加原理,建立了动载荷条件下的非线性蠕变方程来模拟含瓦斯煤体失稳过程。结果显示:新蠕变方程能够很好地描述瓦斯涌出过程中含瓦斯煤体蠕变失稳过程;当应力接近屈服应力时,仅需一个较小的动载荷就可以使煤体在较短时间内失稳。这对煤矿煤与瓦斯突出防治具有一定的参考意义。     

裂隙岩体蠕变断裂损伤本构模型的开发与应用

为了研究在长期应力作用下,因岩体内部裂隙的开裂和扩展,而造成岩体的损伤,将蠕变裂隙岩体视为损伤的连续介质,通过分析蠕变裂纹的扩展演化,将初始裂隙的损伤张量、裂纹起裂和扩展的损伤张量、蠕变裂纹扩展的损伤张量相累加,描述岩体的蠕变损伤演化过程。将累加后的损伤张量引入到本构模型中,利用C++编译,开发出可模拟蠕变裂纹扩展的自定义本构模型动态链接库(DLL)。以某矿8106工作面为工程背景,利用该模型对停采线煤柱进行模拟,分析在不同时间段的损伤区和应力演化规律。结果表明:新的本构模型可以用于分析蠕变条件下裂隙损伤演化过程的规律;在考虑蠕变裂纹扩展的情况下,8106工作面的90 m宽保护煤柱可以满足安全生产要求。     

不同含水率孔周煤岩体蠕变试验及蠕变模型研究

为探究不同含水条件下孔周煤岩体蠕变特性,制作不同含水率含孔方形试样,开展分级加载蠕变破坏试验,获取蠕变加载下试样轴向应变曲线;同时基于改进西原模型,引入含水煤岩体蠕变损伤变量D_w和时效损伤变量D_t,建立不同含水率孔周煤岩体蠕变模型;对比分析试验结果和模型计算值,验证蠕变模型合理性。研究结果表明：同一加载应力水平下,所有试样进入稳定蠕变阶段的时间均在1 h左右,但干燥试样轴向应变量较小,到达加速蠕变阶段的时间也较高,表明水对煤岩体具有物理侵蚀和软化作用;所建蠕变模型参数与含水率之间呈指数关系,且模型理论曲线与试验数据曲线有较好的吻合性。     

动静组合加载下煤体损伤及力学特性研究

为了揭示动力扰动下煤体的冲击失稳机理,对动静组合加载下煤体损伤机制及力学响应特征进行定性研究。首先进行冲击矿井煤体力学性质测定试验,继而运用RFPA2D-DynamicStatic软件模拟分析了静力水平和动力扰动波形对煤体裂隙发育、损伤单元分布及声发射特征的影响,研究了动力扰动对煤体力学性能和能量演化特征的影响。研究结果表明:(1)动静组合加载下,煤体抗压强度与损伤度呈线性负相关性,弹性能储能极限与损伤度呈负指数关系。(2)在动力扰动作用下,煤体内部损伤不断加剧,煤体弹性能储能极限以[]13.71ln 36.33eU (28)-D (10)的趋势不断降低,冲击破坏损耗能不断减少,原本积聚在煤体内的弹性能会瞬间释放,导致煤体冲击破坏。(3)提出了增加煤柱的抗扰动能力和减少煤体中积聚的弹性能2种防治震动型冲击地压措施。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

温度-应力耦合作用下无烟煤的蠕变特性与本构关系研究

为了研究无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变特性,采用自主研发的多功能三轴岩石力学试验机,通过理论分析与物理试验相结合的方法,进行了轴压20 MPa、围压4 MPa、不同温度(30、60、90℃)条件下的三轴蠕变试验。研究结果表明:瞬时应变随温度的升高而非线性增大,30℃、60℃、90℃条件下的瞬时应变分别为0.666%、0.908 4%、1.272 7%;温度的上升可以增加煤体减速蠕变和稳态蠕变的损伤过程,在72 h的蠕变过程中,30℃、60℃、90℃条件下的蠕变应变分别为0.503%、0.581 6%、0.686 3%。基于非线性流变力学理论,建立了1个非线性的黏弹塑性本构模型,根据蠕变试验结果,采用曲线拟合法对该模型进行拟合。结果发现吻合效果良好,说明该模型可以较好的描述无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变过程。     

巷道围岩蠕变特性及非定常蠕变模型研究

为研究巷道围岩在不同围压特性条件下的蠕变特性,采用MTS812.02试验系统对取自阜新恒大煤矿的砂岩进行三轴蠕变试验。以西原模型为基础,通过引入影响损伤程度系数对蠕变模型的参数非定常化,分别对弹性蠕变、黏弹性蠕变和黏塑性蠕变进行积分求解,运用流变模型串联理论得到改进后的西原蠕变模型,将模型代入到Origin拟和软件中,采用最小二乘法对蠕变模型的参数进行识别,对试验数据和模型曲线进行对比,验证建立蠕变模型的正确性。结果表明:围压的增大,提升了岩石的蠕变承载能力,使加速蠕变启动时间延后,并且延长了岩石的破坏持续时间;当轴向荷载较小时,只有衰减蠕变阶段存在,蠕变迅速趋于稳定;当轴向荷载较大时,蠕变曲线经过先上凸后转变为直线,衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段都比较明显;当轴向荷载加大到破坏荷载时,蠕变的3个阶段都出现;围压为10 MPa和15 MPa时,岩石的轴向等时应力-应变曲线在应力水平分别在为60 MPa和80MPa时开始出现明显的发散,说明了蠕变由线性转变为非线性;建立的非定常蠕变本构模型不仅可以很好地对砂岩的蠕变三阶段进行描述,而且也弥补了西原体难以描述加速蠕变特性的缺点;试验数据和模型曲线具有较好的拟合度,说明了通过对西原体参数的非定常化改进是正确的、合理的。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

矿用富水充填材料的蠕变特性及损伤演化

为探讨富水充填材料稳定性与时间的关系及其在荷载作用下的失稳破坏特征与损伤发展规律,文中制备了一定水固比的富水充填材料,通过蠕变试验对不同应力水平下富水充填材料的蠕变性能进行测试,研究蠕变过程中应变速率衰减、稳定及加速3个蠕变阶段应变随时间的变化特征,提出充填体失稳的临界荷载。根据蠕变试验数据,引入损伤变量,建立符合富水充填材料的蠕变损伤模型,推导出应力、应变、时间及损伤因子等力学参量之间的相关关系。结果表明:水固比2.0的富水充填材料失稳破坏的临界荷载为其强度的90%;改进后的Burgers模型,综合考虑了蠕变参数受时间和应力水平的影响,反映了参数随时间弱化的现象,拟合后发现该模型可以描述富水充填材料失稳破坏前的损伤劣化规律。     

膏体充填开采胶结体的蠕变本构模型

为分析膏体充填开采胶结体的蠕变特性,进行了三轴蠕变试验。在试验基础上推导了考虑时间和应力2个变量的损伤演化方程,将损伤变量引入改进的西原模型中,建立了新的本构模型,推导了胶结体的三维蠕变本构方程。根据试验数据对该模型的蠕变参数进行拟合,将理论计算的蠕变曲线与试验得到的蠕变曲线进行了对比。研究结果表明：膏体充填开采胶结体属于黏弹塑性材料,具有明显的流变特性。在偏差应力值较小的应力水平下仅有衰减蠕变和稳态蠕变2个蠕变过程,在偏差应力较大时有加速蠕变阶段,蠕变值随偏差应力值的增加而增加,蠕变值增大速率随偏差应力值的增加而减弱。引入损伤的改进西原模型能较好地反映胶结体的蠕变规律。     

考虑煤体非线性弹性力学行为的弹塑性本构模型

煤巷开挖时瞬间围岩即出现异常的、较大的弹性变形行为,难以用胡克定律解释。这表明即便是弹性变形阶段,煤体也表现出强烈的非线性行为。这是由于煤体与其他岩石相比,分布着大量的孔隙、裂隙、层理、割理等诸多类型的缺陷,具有更加明显的非均质性。首先分析了煤体的非线性弹性特征,而后给出了其非线性弹性力学行为的本构方程,并进行了数值编程,实现了可以考虑煤体非线性弹性阶段的弹塑性NLEPS本构模型,最后进行了有效的数值验证,并在大尺度的煤巷开挖中进行了应用可行性分析。计算结果表明基于NLEPS本构模型的计算结果更为准确地反映了煤层巷道开挖卸载诱发的围岩非线性变形行为。     

基于分数阶微积分理论的泥岩蠕变损伤本构模型

泥岩在吸水膨胀时,其各力学参数均会发生明显变化。建立泥岩分数阶损伤蠕变模型结构图,引入描述岩石损伤程度的损伤变量,当应力水平超过岩石的长期强度时,在泥岩加速应变率加载情况下,建立基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型,基于蠕变模型建立加速应变率加载情况下的泥岩蠕变本构模型。通过本构模型得到,在加速蠕变阶段,应变与时间呈指数函数关系。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明,分数阶β为岩体固有参数并且能够反映岩体硬度,在加速蠕变阶段,分数阶损伤蠕变本构模型能够较好地描述泥岩蠕变的应力—应变关系。