地下儲氣條件下煤礦采空區(qū)頂板巖系蠕變特性與試驗模型研究.pdf

1、煤礦采空區(qū)頂板巖系的穩(wěn)定性是地下儲氣庫可儲性的關(guān)鍵地質(zhì)問題，失穩(wěn)不僅會造成重大的經(jīng)濟損失，而且會對采礦人員的生命安全及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重的威脅。煤礦采空區(qū)頂板中泥巖、砂巖及砂質(zhì)泥巖等頂板巖石所占的比例越大，其變形就越大，氣體儲藏條件就越復雜。頂板巖石的蠕變變形會對煤礦采掘過程中采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響。
　　本文針對地下儲氣條件下煤礦采空區(qū)頂板巖系蠕變失穩(wěn)問題，利用RLW-2000型巖石三軸流變儀對砂質(zhì)泥巖、砂巖和泥巖這三種

2、頂板巖石進行分級加載條件下的單軸壓縮蠕變試驗，得到了這三種頂板巖石的蠕變試驗數(shù)據(jù)。通過對經(jīng)典流變組合模型的分析及Matlab最小二乘迭代法的擬合，確定了適合于頂板巖系的經(jīng)典組合模型，在此基礎上結(jié)合頂板巖系流變的特點，對這種經(jīng)典組合模型進行改進和組合，最終得到了更適合描述頂板巖系蠕變?nèi)^程的七元件非線性黏彈塑性本構(gòu)模型。最后再利用Matlab最小二乘迭代法對三種頂板巖石的蠕變試驗數(shù)據(jù)和得到的七元件非線性黏彈塑性本構(gòu)模型進行擬合驗證。主要研

3、究成果為：
　?。?）、當外界荷載值的大小小于頂板巖石的屈服強度時，頂板巖石在經(jīng)歷初始蠕變階段之后便進入到穩(wěn)定蠕變階段，微觀孔隙和裂紋的不斷閉合及微觀團粒的不斷分解產(chǎn)生新的微觀裂紋，這兩者逐漸趨于平衡，隨著時間的發(fā)展，頂板巖石的應變變化逐漸變小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當外界荷載超過其屈服強度時，頂板巖石的蠕變開始出現(xiàn)加速現(xiàn)象，出現(xiàn)了可以反映頂板巖系蠕變性質(zhì)的第三階段，試樣開始產(chǎn)生微觀裂紋且發(fā)生閉合，微團粒被破壞，顆粒間的連接被嚴重削弱，大

4、量的微觀裂紋匯聚成宏觀裂紋，最終導致頂板巖石產(chǎn)生破壞。
　?。?）、由這三種頂板巖石的單軸壓縮蠕變試驗數(shù)據(jù)可以得出：砂巖的強度最大，泥巖次之，砂質(zhì)泥巖最小。造成砂質(zhì)泥巖強度相比于砂巖和泥巖更小的原因是砂質(zhì)泥巖位于砂巖和泥巖的夾層中，兩種大小不同的顆粒混合在一起，無法膠結(jié)密實，導致了強度的損耗，使得混合有砂巖和泥巖的砂質(zhì)泥巖強度反而比泥巖的強度還小。
　　（3）、通過對鮑埃丁-湯姆遜模型、廣義開爾文模型、伯格斯模型和西原模型等

5、采用最小二乘迭代法進行蠕變試驗數(shù)據(jù)的擬合，可以得出伯格斯模型的擬合效果最好，所以，伯格斯模型是描述頂板巖系蠕變特性最理想的基本組合模型。伯格斯模型雖然能較好的模擬頂板巖系蠕變過程中的前兩個階段，但它與實際情況存在一定的偏差，為了更好的模擬頂板巖系的蠕變，在伯格斯模型的基礎上對其進行改進，得到了改進的伯格斯模型。
　　（4）、當外界荷載大于頂板巖石的屈服應力時，頂板巖石的蠕變會隨著時間的發(fā)展出現(xiàn)加速現(xiàn)象，為了更好的表達頂板巖系蠕變的

6、加速階段，需要建立頂板巖系的非線性黏彈塑性流變本構(gòu)模型，將黏塑性模型與改進的伯格斯模型進行串聯(lián)，得到了一個能夠全面地反映頂板巖系蠕變特性的改進的非線性黏彈塑性模型，即七元件非線性黏彈塑性模型。
　?。?）、對七元件非線性黏彈塑性模型的一維蠕變方程進行推導，得到了含系數(shù)的七元件非線性黏彈塑性一維蠕變本構(gòu)模型的方程，并利用方程和試驗數(shù)據(jù)對七元件非線性黏彈塑性模型進行擬合驗證。擬合結(jié)果表明：試驗數(shù)據(jù)基本位于擬合曲線之上，七元件非線性黏彈