温压耦合作用下深部岩石力学行为的智能预测研究
发布时间：2021-03-06 17:20
浅部地表资源逐渐耗尽,深部资源开采势在必行。对于深部地下工程而言,其高压与高温环境的共同作用将对深部岩体力学行为产生显著影响。为探究深部地下岩体在高温高压条件下力学行为演化规律,本研究以室内岩石三轴试验数据为依托,讨论温度和围压两个主要外部条件因素对岩体峰值强度、峰值应变以及弹性模量三个典型力学参数的影响规律。采集大量不同温度、不同围压条件下的岩石三轴压缩试验数据构建参数样本数据库,并进行温度和围压对岩体力学行为的规律分析,认为温度以及围压对岩体力学行为的影响呈现出高度的非线性特征,难以采用单一数学函数进行定量化表征。故采用BP（Back Propagation）神经网络算法构建考虑温压耦合作用的岩体力学性质智能预测模型,利用所构建力学参数样本库进行模型训练以获得精确预测模型,进而对处于高温高围压环境下的深部岩体力学特性进行数值模拟预测,获得不同温度以及围压条件下岩体力学行为演化规律特征,可为深部地下工程提供理论依据。本文主要研究工作如下:（1）阐明岩体温度及围压随深度的变化规律,结合深部地下工程“三高一扰动”环境,探究深部岩体赋存温度和围压范围。定义参数“岩体结构”排除温度、围压以外...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
南非姆波尼格矿井(图片来源于网络)
湘潭大学硕士学位论文2而言，深部岩体则过于复杂，其力学行为较浅部岩体大相径庭，也就导致了地下深部工程灾害的多样性。由于深部地下工程成灾机理的复杂程度，人们无法确切预测工程灾害并进行防治，较浅部工程而言，深部工程面临的主要理论问题可概括为图1.2所示十个方面[3]：图1.2深部工程主要理论问题示意图[3]深部岩体力学行为较浅部岩体大相径庭，而深部的工程实践已远超过理论基础，也就导致了地下深部工程灾害的多样性，具体表现包括：岩爆频次增多且程度加剧；突水事故日趋严峻，不仅巨大的经济损失接踵而至，还会对地质环境产生负面影响；深部岩体自重应力及构造应力的增大导致围岩变形加剧，巷道失稳进而引起顶板大面积破坏。现今世界不竭向地球深部发展，远远达不到实际发展需求，由于深部地下工程成灾机理的复杂程度，无法确切预测工程灾害并进行防治，故深部岩体力学行为理论发展的研究迫在眉睫。将深部岩体所处环境拟作高温高围压状态下的岩石三轴压缩试验，纵观前人关于岩石三轴压缩试验，多为温度或围压单一变量的试验，少有考虑温压耦合的试验，且在考虑温压耦合的实验中，温度或是围压大小不足以达到深部岩体赋存环境。这是由于一般的试验达不到模拟深部岩体赋存环境的要求。本文将构建模型，针对处于高温高围压环境下的深部岩体力学特性(强度特性和变形特性)进行数值模拟预测，获得不同温度以及围压条件下岩体力学行为演化规律特征，可为深部地下工程的设计、安全施工提供理论基础，这对于有关开采资源的岩体工程有非常重大的影响。
温压耦合作用下深部岩石力学行为的智能预测研究31.2深部岩体力学行为研究现状1.2.1深部岩体赋存环境相较于浅部岩体，深部岩体的物理力学性质有很大的差异，如深部岩体具有块系结构，呈现不均匀、不连续；变形不协调、不连续；有很大的初始应力，储存有能量。深部岩体赋存环境[3-5]可总结为“三高一扰动”，即高地温、高地应力、高岩溶水压及高扰动。(1)高地温据量测，地下深度越深，地温变得越高。一般而言，每往下1km，地温增加30℃至50℃；有的特殊局部地区，每往下1km，地温甚至增加200℃；当岩体所处温度变化1℃时，其地应力会改变0.4-0.5MPa；与较浅部岩体不同，深部岩体的力学性质呈现与地温关联的行为特征。(2)高地应力地应力由自重应力和构造应力叠加构成，其中自重应力由岩体自重产生，构造应力为长期存在于地壳促进构造运动产生及发展的一种力。当岩体所处深度逾千米甚至数千米时，岩体内部会产生很大的原岩应力常如南非某处深地，当深度达到3500-5000m时，其地应力大小高达95-135MPa[4]。由于具有很大的地应力，深部岩体内部往往储存着很大的变形能量，当开挖扰动时变形能会转变为动能，导致深部岩体工程难以进行。(3)高岩溶水压随着深度的增大，增加的不仅有温度和地应力，还有岩溶水压，当开采深度超过一千米时，岩体受到的岩溶水压将达到7MPa[4]。岩溶水压的增大，将会导致岩体受到的有效应力增加，还会促进岩体裂隙变大，进而引发矿井突水工程灾害。(4)高扰动高扰动主要是指在深部地下开采过程中对深部岩体造成的高强度卸荷载效应。扰动示意图如图1.3所示，其中IEZ表示弹性区域，IDZ表示塑性软化区域，PDZ表示塑性残余区域，UDZ表示塑性破坏区域，EFZ表示断裂贯通区域。图1.3深部地下扰动圈示意图[5]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation of mechanical behaviour of a quasi-brittle material using Karagozian and Case concrete （KCC） model[J]. Aria Mardalizad,Marco Caruso,Andrea Manes,Marco Giglio. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019(06)
[2]基于BP神经网络的岩土胶结材料速率敏感效应预测研究[J]. 旷杜敏,龙志林,周益春,闫超萍,陈佳敏. 岩土力学. 2019(S1)
[3]深部岩体力学与开采理论研究进展[J]. 谢和平. 煤炭学报. 2019(05)
[4]加强地下空间高质量开发,促进新时代城市可持续发展[J]. 龚剑明. 地学前缘. 2019(03)
[5]热损伤大理岩三轴力学特性及强度模型[J]. 侯迪,彭俊. 岩石力学与工程学报. 2019(S1)
[6]冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及强度预测模型研究[J]. 杨更社,魏尧,申艳军,王磊,刘慧,董西好,李晓晋. 岩石力学与工程学报. 2019(04)
[7]高温水冷后花岗岩物理力学特性研究[J]. 操旺进,亢军杰. 南方农机. 2018(18)
[8]单试件重复加载法测定岩石残余强度指标[J]. 邓华锋,张恒宾,李建林,段玲玲,支永艳,潘登. 岩土工程学报. 2019(02)
[9]北山花岗岩热损伤力学特性试验研究[J]. 李二兵,王永超,陈亮,刘阳,谭跃虎,段建立,濮仕坤,王健. 中国矿业大学学报. 2018(04)
[10]华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究[J]. 姚吉康,王志亮. 水利水运工程学报. 2018(03)
博士论文
[1]围压作用下红砂岩轴向卸荷—拉伸力学特性及本构模型研究[D]. 曾彬.重庆大学 2018
[2]高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究[D]. 张连英.中国矿业大学 2012
硕士论文
[1]淮南煤田潘集煤矿外围山西组岩石物理力学性质试验研究[D]. 靳拓.安徽理工大学 2018
[2]不同应力路径下斜长花岗岩力学及声发射试验[D]. 王晨辉.成都理工大学 2018
[3]深埋隧洞围岩性质及岩爆机理研究[D]. 刘翌晨.河北工程大学 2018
[4]热—水—力耦合作用下岩石损伤模型研究[D]. 姜秀玲.武汉理工大学 2016
[5]饱水度及围压对岩石力学特性影响的三轴实验研究[D]. 徐晓攀.河北科技大学 2014
本文编号：3067494
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
南非姆波尼格矿井(图片来源于网络)
湘潭大学硕士学位论文2而言，深部岩体则过于复杂，其力学行为较浅部岩体大相径庭，也就导致了地下深部工程灾害的多样性。由于深部地下工程成灾机理的复杂程度，人们无法确切预测工程灾害并进行防治，较浅部工程而言，深部工程面临的主要理论问题可概括为图1.2所示十个方面[3]：图1.2深部工程主要理论问题示意图[3]深部岩体力学行为较浅部岩体大相径庭，而深部的工程实践已远超过理论基础，也就导致了地下深部工程灾害的多样性，具体表现包括：岩爆频次增多且程度加剧；突水事故日趋严峻，不仅巨大的经济损失接踵而至，还会对地质环境产生负面影响；深部岩体自重应力及构造应力的增大导致围岩变形加剧，巷道失稳进而引起顶板大面积破坏。现今世界不竭向地球深部发展，远远达不到实际发展需求，由于深部地下工程成灾机理的复杂程度，无法确切预测工程灾害并进行防治，故深部岩体力学行为理论发展的研究迫在眉睫。将深部岩体所处环境拟作高温高围压状态下的岩石三轴压缩试验，纵观前人关于岩石三轴压缩试验，多为温度或围压单一变量的试验，少有考虑温压耦合的试验，且在考虑温压耦合的实验中，温度或是围压大小不足以达到深部岩体赋存环境。这是由于一般的试验达不到模拟深部岩体赋存环境的要求。本文将构建模型，针对处于高温高围压环境下的深部岩体力学特性(强度特性和变形特性)进行数值模拟预测，获得不同温度以及围压条件下岩体力学行为演化规律特征，可为深部地下工程的设计、安全施工提供理论基础，这对于有关开采资源的岩体工程有非常重大的影响。
温压耦合作用下深部岩石力学行为的智能预测研究31.2深部岩体力学行为研究现状1.2.1深部岩体赋存环境相较于浅部岩体，深部岩体的物理力学性质有很大的差异，如深部岩体具有块系结构，呈现不均匀、不连续；变形不协调、不连续；有很大的初始应力，储存有能量。深部岩体赋存环境[3-5]可总结为“三高一扰动”，即高地温、高地应力、高岩溶水压及高扰动。(1)高地温据量测，地下深度越深，地温变得越高。一般而言，每往下1km，地温增加30℃至50℃；有的特殊局部地区，每往下1km，地温甚至增加200℃；当岩体所处温度变化1℃时，其地应力会改变0.4-0.5MPa；与较浅部岩体不同，深部岩体的力学性质呈现与地温关联的行为特征。(2)高地应力地应力由自重应力和构造应力叠加构成，其中自重应力由岩体自重产生，构造应力为长期存在于地壳促进构造运动产生及发展的一种力。当岩体所处深度逾千米甚至数千米时，岩体内部会产生很大的原岩应力常如南非某处深地，当深度达到3500-5000m时，其地应力大小高达95-135MPa[4]。由于具有很大的地应力，深部岩体内部往往储存着很大的变形能量，当开挖扰动时变形能会转变为动能，导致深部岩体工程难以进行。(3)高岩溶水压随着深度的增大，增加的不仅有温度和地应力，还有岩溶水压，当开采深度超过一千米时，岩体受到的岩溶水压将达到7MPa[4]。岩溶水压的增大，将会导致岩体受到的有效应力增加，还会促进岩体裂隙变大，进而引发矿井突水工程灾害。(4)高扰动高扰动主要是指在深部地下开采过程中对深部岩体造成的高强度卸荷载效应。扰动示意图如图1.3所示，其中IEZ表示弹性区域，IDZ表示塑性软化区域，PDZ表示塑性残余区域，UDZ表示塑性破坏区域，EFZ表示断裂贯通区域。图1.3深部地下扰动圈示意图[5]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation of mechanical behaviour of a quasi-brittle material using Karagozian and Case concrete （KCC） model[J]. Aria Mardalizad,Marco Caruso,Andrea Manes,Marco Giglio. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019(06)
[2]基于BP神经网络的岩土胶结材料速率敏感效应预测研究[J]. 旷杜敏,龙志林,周益春,闫超萍,陈佳敏. 岩土力学. 2019(S1)
[3]深部岩体力学与开采理论研究进展[J]. 谢和平. 煤炭学报. 2019(05)
[4]加强地下空间高质量开发,促进新时代城市可持续发展[J]. 龚剑明. 地学前缘. 2019(03)
[5]热损伤大理岩三轴力学特性及强度模型[J]. 侯迪,彭俊. 岩石力学与工程学报. 2019(S1)
[6]冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及强度预测模型研究[J]. 杨更社,魏尧,申艳军,王磊,刘慧,董西好,李晓晋. 岩石力学与工程学报. 2019(04)
[7]高温水冷后花岗岩物理力学特性研究[J]. 操旺进,亢军杰. 南方农机. 2018(18)
[8]单试件重复加载法测定岩石残余强度指标[J]. 邓华锋,张恒宾,李建林,段玲玲,支永艳,潘登. 岩土工程学报. 2019(02)
[9]北山花岗岩热损伤力学特性试验研究[J]. 李二兵,王永超,陈亮,刘阳,谭跃虎,段建立,濮仕坤,王健. 中国矿业大学学报. 2018(04)
[10]华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究[J]. 姚吉康,王志亮. 水利水运工程学报. 2018(03)
博士论文
[1]围压作用下红砂岩轴向卸荷—拉伸力学特性及本构模型研究[D]. 曾彬.重庆大学 2018
[2]高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究[D]. 张连英.中国矿业大学 2012
硕士论文
[1]淮南煤田潘集煤矿外围山西组岩石物理力学性质试验研究[D]. 靳拓.安徽理工大学 2018
[2]不同应力路径下斜长花岗岩力学及声发射试验[D]. 王晨辉.成都理工大学 2018
[3]深埋隧洞围岩性质及岩爆机理研究[D]. 刘翌晨.河北工程大学 2018
[4]热—水—力耦合作用下岩石损伤模型研究[D]. 姜秀玲.武汉理工大学 2016
[5]饱水度及围压对岩石力学特性影响的三轴实验研究[D]. 徐晓攀.河北科技大学 2014
本文编号：3067494
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