温度、压力及地下岩溶水作用下软岩蠕变规律的影响研究

论文摘要

随着开采强度的不断增大,浅部资源的逐渐减少或枯竭,地下开采开始趋向于深部开采。深部岩体处于“三高一扰动”的复杂力学环境中,其开采导致了一系列的安全问题,比如岩层移动、支架破坏、岩爆等。因此,研究深部开采过程中的软岩力学问题具有重要的意义。对软岩在温度、压力和地下岩溶水耦合环境下的蠕变规律进行研究,对于深部开采支护的设计和维护有重要价值。应力场、温度场以及考虑岩溶水化学腐蚀耦合下的数学模型是研究软岩在地下所处复杂环境下蠕变规律的理论基础。本文从质量守恒方程、平衡方程、能量守恒方程以及相应的物性方程(状态方程和本构方程)等方面推导出了软岩在地下复杂环境耦合下的数学模型。通过对考虑温度和岩溶水酸碱度的软岩进行单轴和三轴蠕变实验,得出了软岩弹性模量随着酸碱度的增大而减小,泊松比随酸碱度的增大而增大的结论;软岩蠕变值和蠕变速率随酸碱度的增大而增大,且在酸性环境下变化最大。结合流变的基本力学模型,利用Matlab对实验数据进行不同模型的拟合并比较,得出了软岩在应力、温度及岩溶水腐蚀下的最佳元件组合力学模型,并用Matlab对模型进行不同pH和不同应力差下的拟合,得到了模型参数,进一步验证了实验数据与模型的一致性。利用ANSYS对实验条件下的软岩巷道进行仿真计算,得到了巷道围岩的蠕变规律,进一步验证了理论计算与实验结论的相符性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 岩石蠕变试验的研究现状
• 1.2.2 岩石蠕变本构模型的研究现状
• 1.2.3 压力-温度-水耦合蠕变的研究现状
• 1.3 有待于进一步研究的问题
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 2 温度、压力及岩溶水耦合作用下软岩数学模型的推导
• 2.1 基本理论
• 2.2 基本假设
• 2.3 本文研究的耦合作用方式
• 2.4 温度、压力及岩溶水耦合下软岩数学模型推导思路及过程
• 2.4.1 耦合数学模型推导思路
• 2.4.2 岩体变形控制方程
• 2.4.3 岩溶水腐蚀下的渗流场控制方程
• 2.4.4 温度场控制方程
• 2.4.5 边界条件
• 2.5 温度、压力、岩溶水耦合下的数学模型
• 3 温度、压力及岩溶水耦合作用下石灰岩的试验研究
• 3.1 实验试件与仪器
• 3.1.1 试件的选取与处理
• 3.1.2 实验仪器
• 3.2 实验设计方案
• 3.3 耦合作用下石灰岩蠕变实验结果记录
• 3.3.1 单轴抗压实验结果
• 3.3.2 不同pH、不同应力差下软岩三轴蠕变实验数据
• 3.4 耦合作用下石灰岩蠕变实验的结果分析
• 3.4.1 不同岩溶水酸碱度下软岩的弹性模量E 和泊松比μ
• 3.4.2 不同岩溶水酸碱度、相同应力差下的蠕变-时间曲线
• 3.4.3 相同岩溶水酸碱度，不同应力差下的蠕变-时间曲线
• 3.4.4 瞬时弹性增量数据表及曲线图
• 3.5 岩溶水侵蚀作用对石灰岩力学性能及蠕变的影响
• 3.6 温度、压力及岩溶水作用下石灰岩蠕变过程中的变形规律分析
• 4 温度、压力及岩溶水作用下石灰岩本构模型的拟合与验证
• 4.1 基本力学模型及其本构方程
• 4.2 低应力下、介入温度和岩溶水腐蚀的石灰岩力学拟合模型及验证
• 4.2.1 低应力下、介入温度和岩溶水腐蚀的石灰岩的力学拟合模型
• 4.2.2 实验数据与蠕变模型的一致性验证
• 4.2.3 不同岩溶水酸碱度、不同应力差下模型参数的确定
• 5 温度、压力及岩溶水作用下软岩蠕变的有限元分析
• 5.1 有限元法基本概述
• 5.2 有限元法基本步骤
• 5.3 ANSYS 有限元软件分析流程
• 5.4 工程仿真计算
• 5.4.1 工程背景与仿真参数的计算、拟合
• 5.4.2 ANSYS 模拟与仿真计算
• 6 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间成果