地下储气条件下煤矿采空区顶板岩系蠕变特性与试验模型研究

摘要

煤矿采空区顶板岩系的稳定性是地下储气库可储性的关键地质问题，失稳不仅会造成重大的经济损失，而且会对采矿人员的生命安全及生态环境产生严重的威胁。煤矿采空区顶板中泥岩、砂岩及砂质泥岩等顶板岩石所占的比例越大，其变形就越大，气体储藏条件就越复杂。顶板岩石的蠕变变形会对煤矿采掘过程中采空区顶板的稳定性产生重大的影响。
　　本文针对地下储气条件下煤矿采空区顶板岩系蠕变失稳问题，利用RLW-2000型岩石三轴流变仪对砂质泥岩、砂岩和泥岩这三种顶板岩石进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验，得到了这三种顶板岩石的蠕变试验数据。通过对经典流变组合模型的分析及Matlab最小二乘迭代法的拟合，确定了适合于顶板岩系的经典组合模型，在此基础上结合顶板岩系流变的特点，对这种经典组合模型进行改进和组合，最终得到了更适合描述顶板岩系蠕变全过程的七元件非线性黏弹塑性本构模型。最后再利用Matlab最小二乘迭代法对三种顶板岩石的蠕变试验数据和得到的七元件非线性黏弹塑性本构模型进行拟合验证。主要研究成果为：
　　（1）、当外界荷载值的大小小于顶板岩石的屈服强度时，顶板岩石在经历初始蠕变阶段之后便进入到稳定蠕变阶段，微观孔隙和裂纹的不断闭合及微观团粒的不断分解产生新的微观裂纹，这两者逐渐趋于平衡，随着时间的发展，顶板岩石的应变变化逐渐变小，趋于稳定状态。当外界荷载超过其屈服强度时，顶板岩石的蠕变开始出现加速现象，出现了可以反映顶板岩系蠕变性质的第三阶段，试样开始产生微观裂纹且发生闭合，微团粒被破坏，颗粒间的连接被严重削弱，大量的微观裂纹汇聚成宏观裂纹，最终导致顶板岩石产生破坏。
　　（2）、由这三种顶板岩石的单轴压缩蠕变试验数据可以得出：砂岩的强度最大，泥岩次之，砂质泥岩最小。造成砂质泥岩强度相比于砂岩和泥岩更小的原因是砂质泥岩位于砂岩和泥岩的夹层中，两种大小不同的颗粒混合在一起，无法胶结密实，导致了强度的损耗，使得混合有砂岩和泥岩的砂质泥岩强度反而比泥岩的强度还小。
　　（3）、通过对鲍埃丁-汤姆逊模型、广义开尔文模型、伯格斯模型和西原模型等采用最小二乘迭代法进行蠕变试验数据的拟合，可以得出伯格斯模型的拟合效果最好，所以，伯格斯模型是描述顶板岩系蠕变特性最理想的基本组合模型。伯格斯模型虽然能较好的模拟顶板岩系蠕变过程中的前两个阶段，但它与实际情况存在一定的偏差，为了更好的模拟顶板岩系的蠕变，在伯格斯模型的基础上对其进行改进，得到了改进的伯格斯模型。
　　（4）、当外界荷载大于顶板岩石的屈服应力时，顶板岩石的蠕变会随着时间的发展出现加速现象，为了更好的表达顶板岩系蠕变的加速阶段，需要建立顶板岩系的非线性黏弹塑性流变本构模型，将黏塑性模型与改进的伯格斯模型进行串联，得到了一个能够全面地反映顶板岩系蠕变特性的改进的非线性黏弹塑性模型，即七元件非线性黏弹塑性模型。
　　（5）、对七元件非线性黏弹塑性模型的一维蠕变方程进行推导，得到了含系数的七元件非线性黏弹塑性一维蠕变本构模型的方程，并利用方程和试验数据对七元件非线性黏弹塑性模型进行拟合验证。拟合结果表明：试验数据基本位于拟合曲线之上，七元件非线性黏弹塑性模型能够很好地模拟顶板岩系的蠕变发展全过程。对比砂质泥岩、砂岩和泥岩的蠕变曲线拟合情况可以看到，砂质泥岩的和方差最小，泥岩其次，砂岩最大。这说明七元件非线性黏弹塑性模型不仅可以很好的模拟顶板岩系的蠕变过程，而且对于越软岩石的拟合效果越好，越能够反映其蠕变特性。

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容及技术路线

2 顶板岩系的单轴压缩蠕变试验

2.1 引言

2.2 工程背景

2.3 试验目的和意义

2.4 试样的选取

2.5 试验设备

2.6 试验方法

2.7 试验数据的处理

2.8 试验数据的分析

2.9 本章小结

3 顶板岩系蠕变模型的分析研究

3.1 引言

3.2 岩石的流变理论

3.3 岩石流变的组合模型

3.4 顶板岩系蠕变模型参数的辨识及确定

3.5 本章小结

4 顶板岩系蠕变模型的分析及数据拟合

4.1 引言

4.2 流变模型对顶板岩系蠕变的适用性探讨

4.3 顶板岩系蠕变模型的推导

4.4 顶板岩系蠕变模型的数据拟合

4.5 采空区围岩稳定性评价

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢