地下儲(chǔ)氣條件下煤礦采空區(qū)頂板巖系蠕變特性與試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?pdf

1、煤礦采空區(qū)頂板巖系的穩(wěn)定性是地下儲(chǔ)氣庫可儲(chǔ)性的關(guān)鍵地質(zhì)問題，失穩(wěn)不僅會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)對(duì)采礦人員的生命安全及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)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(chǔ)藏條件就越復(fù)雜。頂板巖石的蠕變變形會(huì)對(duì)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(duì)地下儲(chǔ)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(duì)砂質(zhì)泥巖、砂巖和泥巖這三種

2、頂板巖石進(jìn)行分級(jí)加載條件下的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，得到了這三種頂板巖石的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。通過對(duì)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(chǔ)上結(jié)合頂板巖系流變的特點(diǎn)，對(duì)這種經(jīng)典組合模型進(jìn)行改進(jìn)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(duì)三種頂板巖石的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)和得到的七元件非線性黏彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行擬合驗(yàn)證。主要研

3、究成果為：
　?。?）、當(dāng)外界荷載值的大小小于頂板巖石的屈服強(qiáng)度時(shí)，頂板巖石在經(jīng)歷初始蠕變階段之后便進(jìn)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(tuán)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(shí)間的發(fā)展，頂板巖石的應(yīng)變變化逐漸變小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外界荷載超過其屈服強(qiáng)度時(shí)，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(tuán)粒被破壞，顆粒間的連接被嚴(yán)重削弱，大

4、量的微觀裂紋匯聚成宏觀裂紋，最終導(dǎo)致頂板巖石產(chǎn)生破壞。
　　（2）、由這三種頂板巖石的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)可以得出：砂巖的強(qiáng)度最大，泥巖次之，砂質(zhì)泥巖最小。造成砂質(zhì)泥巖強(qiáng)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?；旌显谝黄穑瑹o法膠結(jié)密實(shí)，導(dǎo)致了強(qiáng)度的損耗，使得混合有砂巖和泥巖的砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度反而比泥巖的強(qiáng)度還小。
　　（3）、通過對(duì)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(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)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(gè)階段，但它與實(shí)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(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，得到了改進(jìn)的伯格斯模型。
　　（4）、當(dāng)外界荷載大于頂板巖石的屈服應(yīng)力時(shí)，頂板巖石的蠕變會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展出現(xiàn)加速現(xiàn)象，為了更好的表達(dá)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(jìn)的伯格斯模型進(jìn)行串聯(lián)，得到了一個(gè)能夠全面地反映頂板巖系蠕變特性的改進(jìn)的非線性黏彈塑性模型，即七元件非線性黏彈塑性模型。
　?。?）、對(duì)七元件非線性黏彈塑性模型的一維蠕變方程進(jìn)行推導(dǎo)，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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)七元件非線性黏彈塑性模型進(jìn)行擬合驗(yàn)證。擬合結(jié)果表明：試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本位于擬合曲線之上，七元件非線性黏彈