多级扩孔条件下构造煤变形研究

摘要

本文以构造煤为研究对象，通过室内模拟试验、理论分析、数值模拟等方法，研究了多级扩孔条件下构造煤损伤变形特征。通过三轴试验研究了构造煤的基本力学性质。推导了三轴条件下构造煤损伤本构模型，并对本构模型参数进行了讨论。配制了相似材料，利用自制的多级扩孔模拟钻具研究了多级扩孔条件下构造煤中钻孔井壁围岩变形特征和变形机理。利用FLAC3D数值模拟软件对钻孔井壁围岩位移和应力分布进行了分析。得到了如下主要结论： （1）构造煤的应力-应变曲线可以分为压密变形、弹性变形、屈服变形、破坏、残余变形五个变形阶段。二次密实会导致煤样的密实阶段越来越不明显。围压增加是构造煤煤样刚度增加的主要原因。构造煤煤样的泊松比并不是定值比一般岩石的泊松比略大。 （2）利用统计学理论，假设构造煤微元强度符合Weibull分布，得到了构造煤统计损伤本构模型，求出了模型参数，并确定了其物理意义。得到了围压增加会使构造煤由脆性特征趋向于塑性特征且平均强度增加的结论。 （3）得到了钻孔井壁围岩各方向的变形特征。第一次钻进后，第一次扩孔钻进后90°方向影响最大，其次为0°方向和180°方向，再次为45°方向和135°方向，再次为225°方向和315°方向，270°方向影响范围最小。第二次钻进（第一次扩孔）后，第二次钻进后270°方向影响最大，其次为225°方向和315°方向，再次为45°方向和135°方向，再次为180°方向和0°方向，90°方向影响范围最小。第三次钻进（第二次扩孔）后，第三次钻进后270°方向影响最大，其次为225°方向和315°方向，再次为45°方向和135°方向，再次为180°方向和0°方向，90°方向影响范围最小。通过数值模拟对试验模拟的位移分布进行了验证，结果证明有较好的吻合性。 （4）揭示了多级扩孔条件下钻孔井壁围岩变形机理：钻孔井壁围岩变形是构造煤的材料属性、岩体重力作用、应变软化现象、岩体受压后的扩容现象四者者综合作用的结果。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.1.1 构造煤水平井多级扩孔的研究背景

1.1.2 研究意义

1.2.1 构造煤基本力学性质测试研究现状

1.2.2 构造煤损伤本构模型研究现状

1.2.3 构造煤中钻孔井壁围岩变形及弹塑性分析研究现状

1.3 目前研究中存在的主要问题

1.4主要研究内容

（1）构造煤物理力学性质试验

（2）构建构造煤基于三轴条件下的统计损伤本构模型

（3）设计往复式可变径多级扩孔钻具模拟装置和配比相似材料

（4）多级扩孔模拟试验与分析

（5）基于FLAC3D数值模拟对钻孔变形特征开展研究

1.5 技术路线图

2 构造煤基本力学性质测试

2.1 构造煤样品来源

2.1.1.区域地层概况

2.1.2.构造及演化

2.2 构造煤样品处理

2.2.1 制样过程

2.2.2 基本物理性质

2.3 构造煤基本力学性质测试

2.3.1三轴试验设备介绍

2.3.2 三轴试验过程

2.4 构造煤力学性质试验结果与分析

2.4.1 构造煤应力-应变曲线特征

2.4.2 不同围压下构造煤弹性特征

2.4.3 不同围压下构造煤强度特征

2.5 本章小结

3 构造煤统计损伤本构模型研究

3.1 构造煤统计损伤本构模型

3.1.1 岩石的本构关系

3.1.2 损伤变量的定义

3.1.3 构造煤损伤本构模型的构建

3.2 统计损伤本构模型参数确定

3.2.1 m和F0的确定方法

3.2.2 统计损伤本构模型的简化

3.3 构造煤统计损伤本构模型的图像检验和参数分析

3.3.1 统计损伤本构模型的图像检验

3.3.2 统计损伤本构模型参数分析

3.4 本章小结

4 多级扩孔条件下构造煤的变形特征

4.1 往复式可变径多级扩孔钻具模拟装置简介

4.1.1 功能介绍

4.1.2 主要技术参数

4.2 相似材料的确定和配比试验

4.2.1 相似材料的确定原则

4.2.2 相似材料配比试验

4.2.3 相似材料配比试验过程及结果

4.3 构造煤中多级扩孔模拟试验

4.3.1 试验设备简介

4.3.2 多级扩孔模拟实验操作步骤

4.4 多级扩孔条件下构造煤围岩各区域变形分析

4.4.1 钻孔水平方向多级扩孔条件下的变形

4.4.2 钻孔垂直方向多级扩孔条件下的变形

4.4.3 钻孔45°和135°方向多级扩孔条件下的变形

4.4.4 钻孔225°和315°方向多级扩孔条件下的变形

4.5 多级扩孔条件下构造煤围岩变形规律与变形机理

4.5.1 变形规律

4.5.2 变形机理

4.6 构造煤围岩变形范围的理论计算模型

4.6.1 塑性区的应变和位移

4.6.2 弹性区应变和位移

4.6.3 塑性区的半径

4.7 本章小结

5 基于FLAC3D数值模拟的多级扩孔条件下围岩变形特征研究

5.1 数值模拟模型的建立

5.1.1 数值模拟方法

5.1.2 模型尺寸的确定

5.1.3 本构模型的选择和力学参数

5.2 钻孔井壁围岩位移模拟结果分析

5.2.1 钻孔井壁围岩位移方向分析

5.2.2 钻孔井壁围岩位移大小分析

5.3 钻孔井壁围岩应力分布模拟结果分析

5.4 多级扩孔条件下井壁围岩变形的试验模拟和数值模拟对比研究

5.4.1 钻孔井壁围岩位移方向的试验模拟和数值模拟对比研究

5.4.2 钻孔井壁围岩位移大小的试验模拟和数值模拟对比研究

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 进一步研究的建议

参 考 文 献

作者简历