地壳岩石半脆性非均匀蠕变破坏-失稳的判别

本文通过分析地壳半脆性域岩石蠕变破坏-失稳的复杂性,提出应该建立能够判别地壳岩石半脆性蠕变破坏-失稳基本规律的准则,以便尽可能准确地预测地壳半脆性域岩石蠕变破坏-失稳的类型及其与温度压力等环境条件的关系。     

机场高填方蠕变沉降的数值反演预测

将考虑时间效应UH模型编写用户材料子程序（UMAT）并嵌入到有限元软件ABAQUS中,再结合多岛遗传算法搭建了数值反演平台。在实际工程中降雨、融雪和临时堆载等因素都会扰乱常态蠕变的沉降规律,使得沉降加快形成突变沉降,进而影响数值反演的预测结果。通过引入非常态蠕变概念并分析突变期间沉降加速的机制,提出了考虑非常态蠕变的反演预测方法。此外,当填方体缺乏分区依据且以多个监测点的沉降数据作为反演目标时,引入了反演参数的分布函数来代替几何模型的分区。并在此基础上进一步考虑沉降突变期间的非常态蠕变影响,进而提出多监测点下考虑非常态蠕变的沉降预测方法。最后,通过河北省承德机场高填方含有沉降突变的监测数据,验证了多监测点数据下考虑非常态蠕变的数值反演的准确性和实用性。     

塔里木盆地深部煤层失稳机理及防塌钻井液技术

针对塔里木盆地深部煤层钻井过程中钻井液漏失和井壁垮塌等井下复杂问题,采用镜质体反射率分析、X射线衍射、扫描电镜等方法测试了煤的微观结构和理化性能。明确了煤层的失稳机理：煤中固定碳质量分数平均超过60%,镜质体反射率大于1.0%,煤化程度高、性脆、易破碎;黏土矿物总的体积分数低于25%,黏土中不含强水敏性矿物蒙脱石;煤层割理呈网状分布,其宽度主要集中在1~10 μm,易漏失。综合判定煤层失稳类型为力学失稳。以煤层微观结构为目标,结合钻井液材料粒度分布,优选沥青类封堵剂,设计出适用于煤层的沥青质聚磺防塌钻井液体系,其性能测试结果表明：沥青质聚磺防塌钻井液滤失量低、泥饼薄,能有效封堵煤的绝大部分割理,减少钻井液侵入量,防止煤层垮塌。研究成果一定程度上为塔里木盆地深部煤层的安全高效钻井提供技术保障。     

冲击扰动诱发蠕变岩石加速失稳破坏试验

矿山开采中,岩石长期处于蠕变状态,开采扰动会诱发此类岩石的加速失稳破坏。但破坏往往晚于开采活动,表现出明显的时间滞后效应,这给预报工程灾害的发生时间带来了极大困难。针对这一问题,在岩石流变?冲击试验机上对岩石试样进行了多次循环落锤冲击?蠕变试验。分析岩样应变变化规律,探讨岩石蠕变状态、落锤冲击次数和冲击能量对蠕变岩石变形破坏特征的影响,从能量角度阐述了蠕变岩石在冲击扰动作用下的破坏规律。试验结果表明：在相同的岩石蠕变状态下,随冲击能量和冲击次数的增加,岩石内部损伤逐渐增多,加速损伤区的形成,岩样吸收更多能量,使岩样发生加速蠕变破坏。冲击扰动使岩样内集聚的弹性能沿着损伤区发生定向释放,发生破坏。研究结果为滞后型冲击工程灾害的预测提供了理论依据。     

高填方边坡失稳时间预测的实用模型

建立一种准确可靠的方法来预测高填方边坡因蠕变破坏而发生滑坡的时间是困难的,但对防止财产和生命损失又至关重要。在总结高填方土质边坡蠕变破坏过程中的位移、速度特征的基础上,通过改进Saito模型的应变率公式,提出了基于改进人工蜂群算法的滑坡中短期预测的实用模型。将进入加速变形阶段后的滑坡位移时间序列作为输入,通过人工蜂群算法反演实用模型参数后输出预测的滑坡时间。以3个高填方滑坡为实例,应用滑坡位移监测点的测量数据,验证了该方法在滑坡时间预测上的准确性和可靠性。同时,将该方法预测的滑坡时间结果与传统的Saito系列模型预测的滑坡时间结果进行了比较。结果表明,在通过滑坡位移的时间序列进行滑坡时间预测时,所提出的实用模型比两种Saito模型更准确可靠。     

k0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过 固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100～200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。     

智能煤层瓦斯含量快速预测系统

针对现有煤层瓦斯含量预测过程中数据记录、处理设备存在的多种不足,研究了原有曲线拟合方法的误差产生原因。利用大量数学建模计算,通过两种曲线拟合算法优化,并综合考虑现场测试需求,完成了智能煤层瓦斯含量快速测定系统的上、下位机设计。其中下位机具有多组存储、时间设定、解吸速率曲线显示、逻辑推导、损失量拟合等多项功能。上位机通过基于VC++的程序设计完成了包括界面开发、数据库多功能查询以及拟合算法处理等多项功能。结果表明,智能系统在可操作性和数据拟合准确性方面都有了很大提高。     

松软煤层瓦斯钻孔失稳分析及动态密封技术

松软煤层钻孔在钻进及抽采瓦斯过程中,容易发生钻孔形变、缩径、坍塌甚至堵孔等工程问题,造成瓦斯钻孔成孔率低、密封性差、服务时间短及瓦斯抽采阻力大等抽采问题。针对上述技术难题,基于松软煤层的构造演化过程,分析了自重应力、构造应力、采动应力及瓦斯应力等因素对松软煤层瓦斯钻孔稳定性的影响,得出了松软煤层钻孔的多应力耦合作用失稳机制。同时,针对松软煤层瓦斯钻孔失稳规律,提出以护孔为基础,自适应动态密封为关键的\     

漳州软土蠕变特性的试验研究

软土变形具有显著的时效性,弄清软土蠕变性状及机理,对于正确描述软土的工程性状具有重要意义。利用室内试验对漳州软土进行不同围压、不同偏应力、不同排水条件的三轴蠕变试验,分析了应变-时间,偏应力-应变,孔隙水压力-时间关系及排水条件对软土蠕变的影响,对试验数据利用Singh-Mitchell经验模型进行了参数拟合,给出了固结不排水条件下的软土蠕变方程。     

孔隙水压力对锯齿状结构面剪切蠕变特性的影响

为探究孔隙水压对岩体结构面剪切蠕变特性的影响,自主研制了结构面一体化制作模具和多功能剪切流变仪,开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验,分析了孔隙水压对结构面蠕变变形、蠕变速率和长期强度的影响。试验结果表明：不同孔隙水压力下的结构面先后经历了瞬时变形阶段、减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段,并且孔隙水压力的增大促进了结构面非线性特征的发展;随着孔隙水压力的增大,结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低的趋势。根据试验结果,考虑孔隙水压力对模型参数的影响,将蠕变模型中的瞬时剪切模量、黏性剪切模量以及黏性系数替换为孔隙水压力的函数,构建了能够反映孔隙水压力影响的结构面蠕变模型,并对模型参数进行辨识,将试验曲线和理论模型曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。研究成果对富水区岩体长期稳定性分析提供一定的理论指导。     

软弱结构面剪切蠕变特性与含水率关系研究

软弱结构面往往控制着岩体的蠕变变形,含水率又是影响软弱结构面蠕变特性的重要因素,通过开展不同含水率条件下砂岩软弱结构面剪切蠕变试验,得到了不同含水率条件下剪切蠕变曲线,并考虑加载历史对试验曲线进行了修正。在此基础上,通过模型辨识选取Burgers模型描述砂岩软弱结构面蠕变的黏弹性特性。分析了含水率对砂岩软弱结构面剪切蠕变特性的影响,并对含水率影响软弱结构面剪切蠕变特性的机制进行了探讨。     

绿片岩软弱结构面剪切蠕变本构模型研究

基于岩石双轴流变试验机得到的具有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩剪切蠕变试验曲线,对绿片岩软弱结构面的长期强度特性和加速蠕变特性进行研究,并在此基础上提出了1个新的非线性剪切流变元件,将该元件与西原模型串联起来,建立1个新的非线性黏弹塑性剪切流变模型,以充分描述绿片岩软弱结构面的剪切流变特性,采用绿片岩软弱结构面加速蠕变曲线,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行了辨识,得到了绿片岩软弱结构面非线性黏弹塑性流变模型的参数,对流变模型与试验结果进行比较,结果表明,所建立模型是正确合理的。     

基于混沌理论的煤与瓦斯突出前兆时序预测研究

煤与瓦斯突出的预测研究通常是通过监测对煤与瓦斯突出的启动比较敏感的指标来进行,指标监测数据的大小和变化规律是进行预测的基础。首先介绍了一步预测和多步预测的基本原理,然后对2组瓦斯浓度数据序列利用全域法、零阶局域法和一阶局域法进行了对比计算;计算结果表明,加权一阶局域法的预测精度相对较高,该方法对混沌性强的数据序列的预测精度高于混沌性弱的数据序列的预测精度。     

含瓦斯煤体一维渗透失稳模拟试验

为了研究煤层瓦斯渗透作用对煤与瓦斯突出的影响,研制了一维渗透失稳试验装置并进行了试验。试验装置包括煤样室、模拟巷道、煤样压实装置、注气系统以及气压测量系统。煤样室采用多节拼装的形式,以方便煤样室气压梯度的观测以及保证每节煤样室的煤样有相同的压实度。煤样的粒径小于4.75 mm,经15 MPa的压力压实,煤样室的内径为199 mm,煤样室总长度为1 000 mm,采用球阀作为揭煤装置,球阀孔径为40 mm,揭煤时未对煤样施加轴向压力。试验结果表明:煤层发生渗透失稳时的临界气压梯度为3.12 MPa/m。基于渗透失稳的观点,分析了\     

煤岩蠕变模型与破坏特征试验研究

在MTS岩石伺服试验机上对山东某矿3煤进行了短时流变试验,并对试验结果进行了分析。结果表明：该煤岩蠕变门槛系数为0.915、流变系数为0.383;煤岩流变破坏呈现空间不均匀性,整体以塑性破坏为主,但存在剪切主导破坏面;煤岩流变过程中有微破裂破坏即损伤存在,并且这种损伤在较低的应力水平就有所发生,大量微破坏的积累与贯通导致了煤岩试件破坏;煤岩蠕变过程中不仅存在损伤软化,而且存在蠕变硬化,蠕变的过程取决于这两种机制竞争的综合结果;可以用3次多项式经验蠕变模型较好地描述该煤岩的蠕变特性,西原模型可以较好地描述该煤岩的初始蠕变和等速蠕变阶段,但不能描述加速蠕变阶段。     

巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出模拟试验系统

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力−应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20 MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明：(1) 含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2) 当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。(3) 能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4) 围压16、20 MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5) 煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

     

基于西原加速模型的煤体蠕变特性试验

为克服传统西原模型无法描述煤体加速蠕变特征的缺陷,针对煤体加速蠕变阶段中黏-弹-塑性流动特征,利用一个非线性的黏-弹-塑性模型来代替传统西原体模型中的理想黏-塑体,得到改进的西原加速模型,并推导该模型在等围压三轴条件下的蠕变方程。通过开展煤样三轴蠕变试验,采用模型辨识的方法,利用改进的西原加速蠕变模型对煤体蠕变试验数据进行了拟合分析。结果表明,拟合结果与试验数据基本吻合,较好地反映出了煤体非衰减蠕变特征;并对改进模型的稳定性进行讨论,加速蠕变模型中的弹性模量E₃具有明确的物理意义,可将E₃<0作为煤体发生蠕变失稳的判断依据。     

石门揭煤突出模拟实验台的设计与应用

基于石门揭煤过程中采掘应力场与瓦斯突出关系研究的需要,针对目前石门揭煤突出模型还处在实验室研究的阶段,而大部分都未能综合考虑瓦斯压力、地应力、煤的物理力学性质等对突出的影响,研制出一套能够综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的石门揭煤突出模拟试验系统。为取得准确、客观的试验效果,进行了密封、快速开启装置及氮气平衡系统等关键技术的设计,介绍了试验系统的主要组成结构、功能。利用该实验台进行石门揭煤突出试验,试验结果反映出在突出过程中地应力和瓦斯压力的变化情况,可为研究和揭示煤与瓦斯突出机制、突出过程中地应力和瓦斯压力的变化规律提供新的技术手段。