煤系砂岩渗流-蠕变损伤破裂机理及其分数阶模型研究

摘要

随着煤矿进入深部开采阶段，复杂地质环境条件下煤岩体流变特性显著，巷道围岩稳定控制更加困难，煤矿安全生产所面临的挑战更加严峻。特别地，对于一些处于富水区域的煤矿，地下水渗流作用加快了巷道围岩的变形，围岩内部裂隙发育极易导致地下水涌入巷道，诱发突水等矿井灾害事故。煤岩介质渗流-蠕变损伤破裂特征及其蠕变模型研究是实现巷道围岩稳定性控制的理论基础。本文设计并组建适合完整岩石试样渗流-蠕变耦合试验系统，以典型煤层顶板砂岩为研究对象，结合扫描电镜SEM试验，从宏观与细观两个层面系统研究渗流作用下砂岩蠕变损伤破裂机理，基于分数阶微积分理论，建立相应的渗流-蠕变模型。主要取得以下研究成果：
　　（1）对煤系砂岩开展四种情况下的渗流-蠕变耦合试验，获得砂岩蠕变特性曲线，研究渗透压力与围压对砂岩蠕变特性及渗透特性的影响，明确砂岩最大蠕变量、不同阶段蠕变变形速率、渗透速率、渗透率等参数的变化规律。
　　（2）系统研究砂岩渗流-蠕变破坏的宏观特征，如宏观破坏方式、破裂面粗糙度等；基于扫描电镜SEM试验，获得不同条件下砂岩渗流-蠕变破坏断口细观特征形貌，分析砂岩损伤断裂模式随围压与渗透压力的演化规律；建立砂岩局部细观断裂与宏观破坏之间的联系，揭示渗流作用下砂岩蠕变断裂机制。
　　（3）基于岩石蠕变理论、分数阶微积分理论，以基本力学元件为基础，按照串并联法则，建立煤系砂岩整数阶与分数阶非线性粘弹塑性三维蠕变模型，基于太沙基应力原理，建立煤系砂岩整数阶与分数阶渗流-蠕变模型，利用最小二乘法确定模型参数，对整数阶与分数阶模型的精度进行评价。
　　（4）基于分布阶微积分理论，应用单元网络思想，以分布阶粘壶为基础，建立分布阶三参量固体模型，通过具体算例分析岩石材料的流变特性；以单个含损伤的分数阶粘壶为基础，提出含损伤分布阶粘壶，以整数阶西原模型为基础，建立含损伤的分布阶西原模型，通过具体算例，分析煤系砂岩的损伤蠕变特性。
　　研究结论可为深部富含水域煤矿巷道围岩稳定性控制及突水灾害等防治提供理论依据。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义 (Research Background and Significance)

1.2 国内外研究现状 (Present Research Status)

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

1.4 主要创新点 (Main Innovative Points)

2 煤系砂岩渗流-蠕变耦合试验

2.1 完整试样渗流-蠕变试验系统 (Seepage-Creep Coupling Testing System of Complete Sample)

2.2 试样制备及试验方案 (Specimen Preparation and Test Programs)

2.3 砂岩渗流-蠕变试验载荷分级 (Load Grading in Seepage-Creep Coupling Test of Sandstone)

2.4 自然与饱和状态下砂岩蠕变特性 (Creep Properties of Sandstone under Natural State and Saturation State)

2.5 不同围压下砂岩渗流-蠕变特性 (Seepage-Creep Properties of Sandstone under Different Confining Pressure)

2.6 不同渗透压力下砂岩渗流-蠕变特性 (Seepage-Creep Properties of Sandstone under Different Seepage Pressure)

2.7 本章小结 (Summary)

3 煤系砂岩渗流-蠕变宏细观损伤破坏机制

3.1 煤系砂岩渗流-蠕变宏观破坏特征 (Macroscopic Characteristics of Coal Measure Sandstone Rupture under Seepage-Creep Coupling)

3.2 煤系砂岩渗流-蠕变细观损伤测试 (Micro-Crack Damage Measurement of Coal Measure Sandstone under Seepage-Creep Coupling)

3.3 煤系砂岩渗流-蠕变细观损伤断裂特征 (Microscopic Characteristics of Coal Measure Sandstone Rupture under Seepage-Creep Coupling)

3.4 煤系砂岩渗流-蠕变宏细观破坏特征联系 (Connection between Macroscopic and Microscopic Mechanism on Coal Measures Sandstone Rupture under Seepage-Creep Coupling)

3.5 本章小结 (Summary)

4 基于分数阶微积分的煤系砂岩渗流-蠕变模型

4.1 分数阶微积分理论及蠕变模型 (Fractional Calculus and Creep Model)

4.2 煤 系 砂 岩 整 数 阶 渗 流 - 蠕 变 模 型 (Integer-order Seepage-Creep Coupling Model for Coal Measures Sandstone)

4.3 煤系砂岩分数阶渗流-蠕变模型 (Fractional order Seepage-Creep Coupling Model for Coal Measures Sandstone)

4.4 模型参数识别与模型验证 (Model Parameter Identification and Model Verification)

4.5 本章小结 (Summary)

5 基于分布阶微积分的煤系砂岩损伤蠕变模型

5.1 分布阶微积分理论基础 (Theoretical Basis of Distributed Calculus)

5.2 煤系砂岩分布阶流变模型 (Distributed order Rheological Model of Coal Measures Sandstone)

5.3 煤系砂岩分布阶损伤蠕变模型 (Distributed order Coal Measures Sandstone Damage Creep Model)

5.4 本章小结 (Summary)

6 主要研究结论

参考文献

作者简历

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