胶结充填体的宏细观力学特性及蠕变模型

摘要

胶结充填体的力学特性对煤层充填开采区上覆岩层移动和地表沉陷产生直接影响，研究胶结充填体力学特性的影响机制、探索胶结充填体稳定性的无损测试方法、认识胶结充填体细观结构演变规律、分析胶结充填体蠕变变形的损伤机理是采区上覆岩层和地表建筑结构安全评估的基础性研究课题，对煤矿安全绿色开采具有重要的科学意义和工程价值。本文综合运用试验测试、理论分析和数值模拟等方法对胶结充填体的宏细观力学特性及蠕变模型开展系统研究。取得以下主要成果： （1）通过单轴压缩、常规三轴压缩和声发射监测试验研究了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体扩容特征参量、声发射响应特征和抗压强度的影响规律。建立了含八个决策参量的胶结充填体抗压强度随围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数变化的关系式，并构建了优化决策参量的遗传算法，继而实现了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体抗压强度耦合影响的空间（四维空间）可视化。 （2）利用PFC3D建立了胶结充填体的三维颗粒流数值模型，模拟再现了单轴压缩和常规三轴压缩条件下胶结充填体的裂纹演化和颗粒破坏，并分析了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对裂纹总数、裂纹分布和颗粒破坏模式的影响规律。 （3）通过超声波探测试验研究了胶结充填体的超声波响应特征，分析了胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体超声波脉冲速度的影响规律，建立了胶结充填体抗压强度与超声波脉冲速度的关系，提出了胶结充填体抗压强度的预测模型。 （4）建立了一种由非线性粘壶、粘塑性体和Burgers体串联的胶结充填体非线性粘弹塑性蠕变模型，构建了优化该蠕变模型中七个决策参量的遗传算法，并推导了该蠕变模型的三维形式。分析了蠕变引起胶结充填体损伤的机理，提出了一种考虑损伤的非线性粘弹塑性蠕变模型。 （5）采用FLAC3D模拟了煤层的充填开采过程，得到了满足最优充填效果的胶结充填材料的骨料颗粒级配Talbot指数，并对该最优胶结充填体蠕变条件下的数值模型进行了模拟，研究了煤层上覆关键岩层和地表沉陷的时变演化规律。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义 (Research Background and Significance)

1.2 国内外研究现状 (Research Status at Home and Abroad)

1.3 研究内容与技术路线 (Research Contents and Technical Routes)

1.4 主要创新点 (Main Innovations)

2 试验材料的基本性质和胶结充填体试样的制备方法

2.1 试验材料的物理化学特性 (Physical and chemical properties of experimental materials)

2.2 胶结充填体试样的制作装置 (Production device of cemented waste rock backfill specimen)

2.3 胶结充填体试样的制备方法和配制方案 (Preparation method of cemented waste rock backfill specimen)

2.4 本章小结 (Chapter Summary)

3 胶结充填体的力学特性和声发射响应特征

3.1 胶结充填体的单轴压缩、常规三轴压缩和声发射监测试验 (Uniaxial Compression, Conventional Triaxial Compression and Acoustic Emission Monitoring Tests of Cemented Waste Rock Backfill)

3.2 胶结充填体的应力应变行为与声发射响应特征 (Stress-strain Behavior and Acoustic Emission Response Characteristics of Cemented Waste Rock Backfill)

3.3 胶结充填体的抗压强度 (Compressive Strength of Cemented Waste Rock Backfill)

3.4 胶结充填体的粘聚力与内摩擦角 (Cohesive Force and Internal Friction Angle of Cemented Waste Rock Backfill)

3.5 胶结充填体的抗压强度影响因素空间可视化 (Spatial Visualization of Factors Affecting Compressive Strength of Cemented Waste Rock Backfill)

3.6 本章小结 (Chapter Summary)

4 胶结充填体的微观结构分析和颗粒流数值模拟

4.1 胶结充填体的微观结构分析 (Microstructure Analysis of Cemented Waste rock Backfill)

4.2 胶结充填体颗粒流模型的建立 (Establishment of Particle Flow Model for Cemented Waste Rock Backfill)

4.3 胶结充填体裂纹演化规律及影响因素分析 (Crack Evolution Law and Influencing Factor Analysis of Cemented Waste Rock Backfill)

4.4 胶结充填体颗粒破坏特征及影响因素分析 (Particle Fragment Characteristic and Influencing Factor Analysis of Cemented Waste Rock Backfill)

4.5 本章小结 (Chapter Summary)

5 胶结充填体的超声波响应特征及抗压强度预测模型

5.1 胶结充填体的超声波探测试验 (Ultrasonic Detection Test of Cemented Waste Rock Backfill)

5.2 胶结充填体抗压强度的预测模型 (Compressive Strength Prediction Model of Cemented Waste Rock Backfill)

5.3 本章小结 (Chapter Summary)

6 胶结充填体的蠕变特性及蠕变本构模型

6.1 胶结充填体的蠕变试验 (Creep Test of Cemented Waste Rock Backfill)

6.2 胶结充填体的蠕变特性及影响因素分析 (Creep Property and Influencing Factor Analysis of Cemented Waste Rock Backfill)

6.3 胶结充填体的线性粘弹性蠕变模型研究 (Linear Visco-Elastic Creep Model of Cemented Waste Rock Backfill)

6.4 胶结充填体的非线性粘弹塑性蠕变模型研究 (Nonlinear Visco-Elastic-Plastic Creep Model of Cemented Waste Rock Backfill)

6.5 胶结充填体的非线性粘弹塑性蠕变损伤模型研究 (Nonlinear Visco-Elastic-Plastic Creep Damage Model of Cemented Waste Rock Backfill)

6.6 本章小结 (Chapter Summary)

7 充填开采对岩层移动和地表沉陷的影响研究

7.1 充填开采区域地质条件及工况简介 (Geological Conditions and Working Conditions of Filling Mining Area)

7.2 胶结充填体控制岩层移动的优选分析 (Optimal Analysis of Controlling Stratum Movement by Cemented waste rockBackfill)

7.3 基于最优胶结充填体充填的关键岩层及地表沉陷的时变演化规律(Time-varying evolutions of key strata and surface subsidence based on the condition using the optimal cemented waste rock backfill to filling)

7.4 本章小结 (Chapter Summary)

8 结论与展望

8.1 主要结论 (Main Conclusions)

8.2 研究展望 (Research Prospects)

参考文献

作者简历

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