巖石熱破裂影響因素分析及其工程應(yīng)用的數(shù)值模擬研究.pdf

1、溫度場作用下的巖石熱破裂問題作為巖石力學的一部分，隨著地下礦物深部開采、核廢料的存儲、石油開采、地熱資源開發(fā)等方面發(fā)展日益顯示其重要的作用。巖石是由多種礦物顆粒、空隙等組成的一種非均勻性材料，在受熱作用的情況下，這些顆粒在熱學上表現(xiàn)出熱應(yīng)力的不匹配性，使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化，當這些變化超過巖石自身的強度極限時，其內(nèi)部就會產(chǎn)生微裂紋，進而引起巖石的物性參數(shù)(如孔隙度、滲透率等)的變化，這一特性涉及到核廢料的泄漏、石油開采量的提升、地

2、熱開發(fā)的機理等方面，說明研究巖石的熱破裂具有重要的現(xiàn)實意義。 隨著地下礦物開采深度的加大，地下巷道中通風的作用使圍巖處于一個變化的溫度場中，隨著風流速度和季節(jié)性溫度的變化，導致巷道圍巖在某一深度內(nèi)產(chǎn)生周期性的熱應(yīng)力，這勢必對圍巖的穩(wěn)定性造成一定的影響。因此，開展巖石破裂的熱一力耦合問題研究對深部開采巷道圍巖穩(wěn)定性影響及巷道支護具有重要的意義。 目前，巖石熱破裂研究大部分以現(xiàn)場測試、物理實驗和利用經(jīng)典力學等理論建立簡單熱力

3、耦合模型研究某一特性問題，很難找到解決普遍的巖石熱破裂問題的方法。由于巖石的非線性、非均勻性、非連續(xù)性以及結(jié)構(gòu)的復雜多變性，導致利用當前經(jīng)典理論方法建立的巖石破裂熱—力耦合模型的解析理論時顯得非常困難。這是解析理論和物理實驗中普遍存在的問題。隨著計算機技術(shù)高速發(fā)展、計算力學有效算法的提出，數(shù)值計算方法逐漸顯示出求解和處理復雜力學以及力學耦合問題的強大能力。本文就是從巖石的細觀結(jié)構(gòu)層次出發(fā)，應(yīng)用統(tǒng)計損傷力學和熱彈性理論，開發(fā)的RFPA熱—

4、力(TM model)耦合模型對熱—力耦合作用下巖石熱破裂過程進行數(shù)值模擬研究。 1．應(yīng)用RFPA熱—力耦合模型對巖石熱破裂的部分影響因素進行數(shù)值模擬分析，分別考慮巖石外在的一些因素(傳導方式，加熱速度)和巖石本身的結(jié)構(gòu)(顆粒粒徑大小，孔隙度)對巖石熱破裂的影響，分析分別在穩(wěn)態(tài)熱傳導和非穩(wěn)態(tài)熱傳導、加熱速度不同、顆粒粒經(jīng)大小不同以及孔隙度不同的條件下對巖石破壞的程度和閥值溫度的影響，得到一些大體趨勢性的規(guī)律，為巖石熱破裂的基礎(chǔ)性

5、實驗研究提供參考。 2．運用熱—力耦合數(shù)值模型對深部巷道在溫度作用下穩(wěn)定性進行模擬分析。首先，從理論上和數(shù)值方法對深部圓形巷道理想假設(shè)下，計算在圍壓和溫度共同作用下的應(yīng)力分布進行了求解驗證。然后將圓形巷道圍巖進行非均勻性假設(shè)，考慮了帶初始圍壓和溫度共同作用下圓形巷道的破壞模式。進而，對深部隧洞在溫度變化時圍巖應(yīng)力變化情況分析，得到隧洞應(yīng)力集中區(qū)在溫度長期循環(huán)變化作用的情況下容易疲勞破壞。最后，研究在熱力耦合作用下深部兩相鄰豎直井