深部煤体流变—渗流—温度耦合模型研究

论文摘要

深部含瓦斯煤体物理力学行为是多相共存多场耦合共同作用的结果。在高应力环境下,煤体流变成为不可忽视的因素,深部煤体流变-渗流-温度耦合模型不仅是深部岩体力学的重要基础,而且为深部煤体及伴生资源开采提供理论支撑和安全保障。煤体渗透率作为多场耦合过程的中间变量,需考虑流变渗流条件下其演化规律。本论文以平煤神马集团1000m以深采煤工作面的开采条件为背景,提出了以采动应力为基础的深部煤体开采扰动因子,将Abel粘壶引入流变元件模型中,基于分数阶微积分理论以及利用扰动因子表征加速流变阶段的损伤程度,推导了描述流变三阶段的分数阶导数流变本构方程,并通过卸围压流变实验对其参数进行了拟合分析和敏感性研究;然后开展了分级卸围压流变渗流实验,发现了卸围压流变下渗透率在扩容点后随体积应变由压缩变为膨胀过程中先降低后增大的规律;基于真实的渗透网络使流体耗能最小的假设建立了双曲函数型渗透率方程,能综合反映体积应变、采动应力、温度变化及吸附解吸各要素的影响规律;推导了考虑流变特征的变形场平衡方程、渗流场状态方程以及温度变化引起的能量守恒方程,从而建立了深部煤体流变-渗流-温度耦合模型,并通过数值软件模拟了深部抽采钻孔周围煤体变形和渗流特征。本文主要的研究工作和成果如下:（1）进行了采动应力路径的三向应力实验,发现深部煤样峰前段应力-应变关系主要为非线性规律,压缩体积应变最大值相比常规三轴压缩条件较小,应力状态未达到峰值时煤样体积便从压缩变形转换为膨胀变形。基于损伤演化方程提出了深部煤体采动应力扰动因子。采动应力扰动因子既可反映煤体赋存深度（即原岩应力状态）对采动应力扰动的影响规律,又可呈现在同一赋存环境条件下不同应力状态的扰动情况。当煤体在采动应力条件下,主应力差越大,煤体受扰动强度越大,差值越小,煤体受扰动强度越小。深部煤体扰动数值模拟表明,保护层开采后,受扰动煤体应力卸压明显,呈现区域性应力扰动;上保护层未采煤体保持高应力状态,受本煤层巷道布置的影响,呈现局部强扰动特征。采动应力扰动因子与受扰动强度呈正相关。（2）针对深部煤体蠕变特征描述,基于分数阶导数推导出一维蠕变本构模型,在此基础上建立了分数阶导数三维蠕变本构方程,同时在该模型中考虑了体积蠕变特性。在分析深部煤体所赋存应力场的实际情况下,通过室内实验模拟了深部煤体在三轴应力卸围压条件下蠕变特征。煤样试件的轴向和环向应变随时间变化规律相似,然而每一级卸围压蠕变条件下两者应变值不尽相同;在同围压条件下,轴向和环向应变随轴压的变化规律不一致;在偏应力相等条件下,随着围压的增加,轴向应变和环向应变随时间而减小。（3）分析煤体常规三轴渗流实验和采动条件下渗流实验结果可知,在不同的应力路径下,煤体应力-应变曲线和体应变-轴向应变曲线形状类似,但是渗透率-体积应变曲线则表现出差异性。以体积应变扩容点为界,采动应力路径下,当煤体达到扩容点后,渗透率随体积应变从压缩变为膨胀呈现先降低后增加的过程。基于煤体在采动应力路径下真实渗透网络使得流体耗能最低的假设,推导得出以体积应变为自变量的双曲函数型渗透率表达式。根据卸围压渗流实验数据和蠕变渗流实验数据对双曲函数型渗透率表达式进行拟合,结果表明该模型可以很好地展现渗透率随体积应变（轴向应变）先减小后增大的规律,为深部煤体采动应力-渗流耦合模型提供了理论基础。（4）明确了强时效特征的科学内涵。强时效是指深部环境下采动岩体具有与采掘活动相关的、明显的流变效应,对多场多相渗流产生耦合影响。岩石的时效特性包含流变产生的三阶段、脆延转换和岩石物理力学特性的弱化。提出了强时效特征的临界损伤阈值判据和流变微分方程稳定性判据。临界损伤阈值判据可由非弹性体积应变、孔隙度或声发射数据判定;流变微分方程稳定性可根据Lyapunov稳定性定理判定。通过煤体三轴流变实验确定了强时效发生的起始位置,并给出了强时效条件下应变加速度与应变率存在的相关方程。通过三轴卸围压蠕变实验发现强时效阶段煤体渗透率会急剧增大的特点。（5）开展了深部原位单轴压缩试验,发现煤体在采动影响之前呈现缓慢的阶梯式加载,基于此,将工作面前方煤体划分为应变软化区、强时效流变区、分级扰动流变区和原岩应力流变区。将分数阶流变本构模型与应力场方程结合推导出表征流变过程的变形场方程,采用提出的渗透率方程,建立了深部煤体流变-渗流-温度耦合模型。借助有限元软件COMSOL对深部煤体抽采钻孔进行数值分析,得出考虑流变影响的多场耦合模型会增加煤体变形和降低渗透能力的规律。

论文目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤岩体流变理论研究进展

1.2.2 流体渗流方程研究进展

1.2.3 渗透率模型研究进展

1.2.4 煤体应力-渗流-温度耦合实验及模型进展

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

2 深部煤体物理力学性质及采动应力扰动特征研究

2.1 矿井地质概况

2.2 深部煤岩体物理力学实验

2.2.1 煤岩体单轴压缩实验

2.2.2 煤体三向应力实验

2.2.3 煤体孔隙特征及物性分析

2.3 深部煤体扰动强度判别

2.3.1 岩体工程扰动强度判别

2.3.2 基于采动应力的扰动强度判别

2.3.3 采深对煤体扰动强度的影响规律

2.4 深部煤体采动应力场的数值模型

2.4.1 深部煤岩体本构模型

2.4.2 深部煤体开采模型及参数确定

2.5 深部煤体采动应力扰动特征

2.5.1 保护层及邻近工作面扰动后应力场分布规律

2.5.2 深部采动应力扰动强度特征

2.5.3 强扰动煤体蠕变条件下体积应变规律

2.5.4 深部巷道围岩支承压力实测结果对比分析

2.6 本章小结

3 深部煤体扰动条件下非线性流变模型及实验研究

3.1 分数阶微积分简介

3.2 采动条件下分数阶导数流变本构模型

3.2.1 基于西原模型的分数阶导数本构模型

3.2.2 三维流变本构模型推导

3.2.3 考虑体积蠕变的分数阶蠕变本构方程

3.3 深部煤体三向应力卸围压蠕变实验

3.3.1 煤样选取及实验设计

3.3.2 三向应力-应变规律分析

3.3.3 恒轴压卸围压蠕变规律研究

3.3.4 恒轴压卸围压单级蠕变规律研究

3.4 煤体三维流变本构方程参数分析

3.4.1 参数拟合

3.4.2 参数敏感性分析

3.5 本章小结

4 深部扰动煤体流变-渗流实验及渗透率模型研究

4.1 深部煤体流变-渗流实验方法

4.1.1 实验应力路径分析

4.1.2 实验过程

4.1.3 渗透率计算方法

4.2 深部扰动煤体卸围压流变-渗流实验规律研究

4.2.1 多级卸围压流变条件下渗透率演化规律

4.2.2 单级蠕变条件下渗透率和蠕变应变演化规律

4.2.3 渗透率随体积应变演化规律

4.2.4 裂纹扩展对渗透率的影响

4.3 深部煤体渗透率随体积应变变化机制分析

4.4 深部煤体双曲函数型渗透率模型

4.4.1 基于Kozeny-Carman方程的渗透率模型

4.4.2 双曲函数型渗透率模型

4.4.3 考虑体积蠕变的渗透率表达式

4.5 深部煤体渗透率模型验证

4.5.1 蠕变条件下渗透率演化模型验证

4.5.2 采动应力下渗透率演化模型验证

4.5.3 温度对渗透率演化的影响

4.6 本章小结

5 深部扰动煤体强时效特征及对渗透率影响规律研究

5.1 深部煤体强时效概念的提出

5.1.1 深部强时效含义

5.1.2 强流变表征强时效的科学内涵

5.2 深部煤体非稳态流变判别准则

5.2.1 临界损伤阈值判据

5.2.2 流变微分方程稳定性判据

5.2.3 深部强时效失稳条件

5.3 深部煤体强时效下渗透率特征

5.3.1 煤体流变实验的强时效标定

5.3.2 强时效下渗透率演化规律

5.4 本章小结

6 深部煤体流变-渗流-温度耦合模型建立及应用研究

6.1 深部煤体原位单轴压缩试验

6.1.1 原位单轴压缩试验过程

6.1.2 原位单轴压缩试验应力演化规律

6.1.3 深部工作面煤体流变分区研究

6.2 流变-渗流-温度耦合模型建立

6.2.1 考虑流变的变形场状态方程

6.2.2 渗流场状态方程

6.2.3 温度场状态方程

6.2.4 耦合方程

6.3 深部煤体流变-渗流耦合模型的数值模拟

6.3.1 初始条件和边界条件

6.3.2 孔壁变形和渗透率演化规律

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 不足与展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王路军

导师: 周宏伟

关键词: 深部煤体,扰动特征,分数阶,流变本构,渗透率模型,温度,多场耦合

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,矿业工程,安全科学与灾害防治

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: TD712.6;O357.3

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000065

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