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《中国矿业大学》 2018年
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围压作用下岩石塑性与流固耦合特性研究及其应用

李浩  
【摘要】:由于特殊的地质构造,晚古生代华北型煤田在承压水以及采动诱发的循环荷载过程中易受到底板突水威胁。防治水害的基础在于研究这种应力路径下岩石的性能,特别是围压作用下材料在塑性阶段的变形和流固耦合特性。基于广义塑性力学理论,本文采用了循环加卸载实验和理论推导方法,着重研究了加载面非等向演化和弹塑性耦合对弹塑性刚度矩阵的影响,由此导出了渗透系数、有效应力系数与围压、塑性应变的数学表达式,构建了双屈服面弹塑性耦合力学模型及相应的流固耦合模型。由实测数据验证了理论模型的合理性,并实现了参数反演。数值模拟了工程现场,深入研究了煤层赋存环境和开采扰动引发的底板突水机制,取得了创新性成果如下:(1)摒弃了传统的加载面硬化和总量型流动法则假设。通过三轴压缩循环加卸载试验以及相应的数据处理方法,得到了加载面随塑性应变呈现“三段式不等向硬化”现象。同一应力状态下第三塑性主应变会优先产生,其值大于第一塑性主应变,解释了初始各向同性岩石在塑性变形阶段的各向异性行为。通过采动应力实测数据得到了开采过程中底板主应力几乎不发生旋转结果,验证了双屈服面弹塑性耦合力学模型的合理性。(2)定量描述了岩石的弹塑性耦合特性。塑性段岩石的弹性模量随围压的增加而增加(但增速减小),广义泊松比随围压的增加而减小(但速率减小)。二个弹性参数受到加载面影响而呈现“二段式演化”特征,根据实验提出了弹性参数随塑性应变和围压的简化计算曲线。推导了弹塑性刚度矩阵,建立了双屈服面弹塑性耦合本构模型增量迭代表达式,采用Fortran语言实现了UMAT子程序二次开发。(3)推导了水力学参数的表达式,创建了相应的试验方法。通过最小耗能原理得到了含多条裂隙岩样的渗透性基本由主控裂隙控制,结合了本文塑性力学模型与宏观唯象损伤力学理论,推导了塑性应变、裂隙宽度与损伤变量的关系,基于立方定律,得到了渗透系数随围压、主应变的演化规律。以热力学基本理论为基础,根据微积分的思想,推导围压、水压、应变与有效应力系数的关系式,提出了有效应力系数简化计算曲线,创新了低孔隙水压条件下的有效应力系数试验方法。(4)解释了底板塑性区深度二次加深现象。结合具体工程实际,通过本文流固耦合模型数值计算了采动底板的响应,阐述了软-中硬顶板条件下底板塑性区深度在剪切破坏基础上二次加深,是由悬顶距增减引发循环荷载进而导致材料弹塑性耦合引起的。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU45

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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2 徐星;采场底板突水判测系统及水害防治应用研究[D];山东科技大学;2010年
3 李颖;基于支持向量机的煤层底板突水预测方法研究[D];煤炭科学研究总院;2007年
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