深部软弱围岩流变应力恢复法地应力测试与分析方法研究

发布时间：2017-11-05 12:10

  本文关键词：深部软弱围岩流变应力恢复法地应力测试与分析方法研究

  更多相关文章： 地应力测量 流变应力恢复法 岩体流变 恢复应力 三向压应力传感器

【摘要】：地应力是地下工程中最重要的参数之一,针对煤矿深部软弱围岩地应力难以测量的技术难题,基于深部围岩在高应力作用下具有强流变性的特点,提出了-种地应力测试新方法——流变应力恢复法地应力测试技术。该方法的提出基于如下假设：在深部巷道软弱围岩中钻孔埋设岩体压应力传感器,由于围岩的强流变特性,传感器附近围岩的应力会随时间逐渐恢复,传感器感受到的应力随时间逐渐上升并最终趋于稳定,可以根据传感器的实测应力来分析围岩的初始应力状态和巷道围岩应力分布的演化。流变应力恢复法中传感器测得应力的恢复规律,传感器测试的准确性及测量特性等是需要深入研究的重要问题,它将影响流变应力恢复法的深入发展以及广泛应用。本文在搜集和整理国内外原地应力测量方法研究现状的基础上,详细介绍了流变应力恢复法地应力测试技术的基本理论、测试流程和相关设备,重点开展了传感器所测应力恢复规律的理论分析及数值模拟研究,以及传感器测量特性的试验研究,并且将流变应力恢复法地应力测试技术在平顶山一矿、十一矿进行了初步应用,分析了流变应力恢复法的可靠性和相关影响因素,主要的研究工作和进展如下：1.在搜集和回顾国内外地应力测量方法研究现状的基础上,提出了适用于深部软弱围岩的新的地应力测试方法——流变应力恢复法。系统整理了流变应力恢复法的测试理论、测试设备以及测试流程,给出了流变应力恢复法在测点处应力张量的计算方法及三维主应力大小和方向的计算方法。详细介绍了流变应力恢复法的主要测量设备——三向压应力传感器的设计制造过程,推导了三向压应力传感器的工作原理公式,得到了传感器输出信号与所受应力的相互关系。2.传感器所测应力恢复规律是流变应力恢复法地应力测量的关键。对流变应力恢复法的测量过程进行了二维平面理论分析,采用两种不同岩体粘弹性模型(包括三参数固体模型和Burgers模型),研究了不同浆液凝固时间、不同注浆材料和不同岩体参数情况下传感器所测应力的恢复规律。围岩采用Burgers模型,在注浆材料较合适、传感器尺寸及钻孔大小较合理的情况下,传感器测得的最终恢复应力大小不受围岩力学性质影响,与初始应力之比接近于1,误差在5%以内。围岩采用三参数固体模型,最终恢复应力大小主要受到围岩长期模量与初始模量比的影响,围岩长期模量越小,最终恢复应力越大,对于不同的围岩,其最终恢复应力也不相同。并且注浆材料需与围岩及传感器相匹配,为使恢复应力尽快稳定或使恢复应力达到较高的水平,需尽量缩短注浆材料凝固达到预期强度的时间。3.建立了流变应力恢复法地应力测试过程的有限元模型,搜集国内外文献中不同岩石的流变试验结果,使用三参数固体模型以及Burgers模型对试验曲线进行拟合得到计算参数,对不同围岩粘弹性模型、不同围岩参数下三向压应力传感器所测恢复应力进行了计算,研究了流变应力恢复法中不同地应力状态、不同注浆材料模量、不同传感器与注浆材料的模量比对恢复应力的影响。围岩采用三参数固体模型,对于Ⅳ,V级围岩,传感器所测得的最终恢复应力较大,为初始应力的40%～70%之间；而对于Ⅰ,Ⅱ围岩传感器所测的最终恢复应力较小,基本只在初始应力的5%左右；并且对于Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩来说,随着围岩等级的提高,恢复应力到达稳定所需的时间逐渐减少。当围岩采用Burgers模型,在不同等级围岩情况下,最终恢复应力都相差不大,最终应力恢复率接近于1,只是到达稳定阶段的所需时间不同。围岩稳定性越差,流变性能越好,对传感器所测应力的恢复越有利。地应力状态的不同对于恢复应力有一定影响,但通过分析可以使测得应力校正到正确范围内。4.三向压应力传感器在介质中的嵌入效应是影响流变应力恢复法测试准确性的另一个关键。开展三向压应力传感器嵌入效应的数值模拟和模型试验研究,了解三向压应力传感器在介质中的测量特性。采用三维数值软件,模拟三向压应力传感器嵌入后的应力场分布,考虑不同应力状态和弹性模量比(三向压应力传感器与介质)条件下介质主应力场的重分布特征以及三向压应力传感器的受力特性,建立三向压应力传感器实测应力与介质初始应力状态及弹性模量比的数学关系。通过模型试验,验证了三向压应力传感器测得应力与无嵌入扰动应力关系公式的正确性。5.以流变应力恢复法地应力测量在平顶山矿区的初步应用为背景,简要介绍了流变应力恢复法现场实测地应力所使用的一些装置及相应的测试流程,给出了平顶山一矿及十一矿测点的流变应力恢复法地应力测试结果,通过与流变应力恢复法地应力测试同时进行的套芯应力解除法地应力测量结果的对比分析,发现流变应力恢复法取得的原地应力量值基本与套芯应力解除法结果吻合,两种方法的最大主应力方向接近于NW-SE方向,与平顶山地区近期的构造运动相一致,验证了流变应力恢复法的有效性。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD315

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘万辉;鲍爱莲;;热压缩7075铝合金流变应力特征[J];热加工工艺;2006年04期

2 王火生;傅高升;陈文哲;陈永禄;;易拉罐用铝材高温流变应力的方程描述[J];机械工程材料;2006年12期

3 王冠;李落星;刘波;李晓青;;6061铝合金高温流变应力方程参数反求[J];中国有色金属学报;2011年12期

4 蔺永诚;陈明松;钟掘;;42CrMo钢的热压缩流变应力行为[J];中南大学学报(自然科学版);2008年03期

5 周滨;申昱;陈军;崔振山;;高温流变应力曲线修正方法[J];上海交通大学学报;2009年05期

6 朱国辉;肖湖福;隋凤利;;纯铝和纯镍的冷变形流变应力模型及应用[J];安徽工业大学学报(自然科学版);2011年03期

7 张艳,党紫九;影响流变应力曲线测试的因素[J];北京科技大学学报;1997年01期

8 林高用,张辉,郭武超,彭大暑;7075铝合金热压缩变形流变应力[J];中国有色金属学报;2001年03期

9 林启权,张辉,彭大暑,林高用,王振球;热压缩2519铝合金流变应力特征[J];矿冶工程;2002年02期

10 李雄,张鸿冰,阮雪榆,罗中华,张艳;40Cr钢流变应力的分析及模拟[J];材料工程;2004年11期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 沙庆云;王道远;范丹宇;黄浩东;沙孝春;杨旭;;低碳钢热连轧过程中的平均流变应力的分析[A];中国金属学会2003中国钢铁年会论文集（4）[C];2003年

2 朱振华;袁鸽成;李仲华;吴其光;吴锡坤;;5A30铝合金热变形的流变应力及材料常数[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年

3 李锡武;熊柏青;张永安;华成;王锋;朱宝宏;熊益民;;新型Al-Zn-Mg-Cu合金热变形流变应力特征[A];中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集[C];2007年

4 李俊鹏;沈健;;7050高强铝合金高温塑性变形的流变应力研究[A];中国有色金属学会合金加工学术委员会2008学术年会论文集[C];2008年

5 陈孙艺;;屈服极限和流变应力以及塑性极限载荷的确定方法综述[A];第三届全国管道技术学术会议压力管道技术研究进展精选集[C];2006年

6 王沁峰;傅高升;王火生;陈永禄;陈文哲;;变形条件对易拉罐用铝材高温流变应力的影响[A];福建省科协第三届学术年会装备制造业专题学术年会论文集[C];2003年

7 袁晓波;张军良;李中奎;郑欣;张小明;周军;付洁;张廷杰;;一种新型Ni基电阻合金的热模拟加工流变应力[A];第十届全国青年材料科学技术研讨会论文集（C辑）[C];2005年

8 陈永禄;傅高升;陈文哲;;熔体处理对易拉罐用铝材高温压缩流变应力特征的影响[A];全国第十三届轻合金加工学术交流会论文集[C];2005年

9 闫飞昊;李士凯;王美娇;杨辉;;TB6合金热压缩流变应力行为[A];第十四届全国钛及钛合金学术交流会论文集（上册）[C];2010年

10 张青;李萍;薛克敏;;Ti-15-3合金的高温流变应力行为[A];第三届华东六省一市塑性工程学术年会论文集[C];2005年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 蒋景东;深部软弱围岩流变应力恢复法地应力测试与分析方法研究[D];武汉大学;2016年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 杨柳;CNTs/Al-Cu复合材料热加工变形行为的研究[D];重庆大学;2015年

2 蔡钢;BT25钛合金热变形行为研究[D];贵州大学;2015年

3 朱俊峰;IN718合金热连轧过程流变应力模型研究[D];安徽工业大学;2016年

4 王火生;易拉罐用铝材高温变形的流变应力行为及微观组织特征[D];福州大学;2004年

5 周继锋;中碳马氏体组织温压缩的流变应力及微观组织与力学性能[D];燕山大学;2006年

6 王小巩;抗大变形管线钢热变形行为及流变应力模型研究[D];燕山大学;2013年

7 葛磊;45~#、65Mn温变形流变应力及组织特性的研究[D];燕山大学;2012年

8 王沁峰;熔体处理对易拉罐用铝材热变形的流变应力与微观组织的影响[D];福州大学;2005年

9 曹秋野;棒材热连轧奥氏体再结晶过程及流变应力模拟研究[D];昆明理工大学;2006年

10 赖静;含氢BT20合金热变形流变应力和组织演变的ANN模型[D];哈尔滨工业大学;2006年

，

本文编号：1144124