胶结充填体的宏细观力学特性及蠕变模型

发布时间：2020-05-16 08:23

【摘要】：胶结充填体的力学特性对煤层充填开采区上覆岩层移动和地表沉陷产生直接影响,研究胶结充填体力学特性的影响机制、探索胶结充填体稳定性的无损测试方法、认识胶结充填体细观结构演变规律、分析胶结充填体蠕变变形的损伤机理是采区上覆岩层和地表建筑结构安全评估的基础性研究课题,对煤矿安全绿色开采具有重要的科学意义和工程价值。本文综合运用试验测试、理论分析和数值模拟等方法对胶结充填体的宏细观力学特性及蠕变模型开展系统研究。取得以下主要成果:(1)通过单轴压缩、常规三轴压缩和声发射监测试验研究了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体扩容特征参量、声发射响应特征和抗压强度的影响规律。建立了含八个决策参量的胶结充填体抗压强度随围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数变化的关系式,并构建了优化决策参量的遗传算法,继而实现了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体抗压强度耦合影响的空间(四维空间)可视化。(2)利用PFC3D建立了胶结充填体的三维颗粒流数值模型,模拟再现了单轴压缩和常规三轴压缩条件下胶结充填体的裂纹演化和颗粒破坏,并分析了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对裂纹总数、裂纹分布和颗粒破坏模式的影响规律。(3)通过超声波探测试验研究了胶结充填体的超声波响应特征,分析了胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体超声波脉冲速度的影响规律,建立了胶结充填体抗压强度与超声波脉冲速度的关系,提出了胶结充填体抗压强度的预测模型。(4)建立了一种由非线性粘壶、粘塑性体和Burgers体串联的胶结充填体非线性粘弹塑性蠕变模型,构建了优化该蠕变模型中七个决策参量的遗传算法,并推导了该蠕变模型的三维形式。分析了蠕变引起胶结充填体损伤的机理,提出了一种考虑损伤的非线性粘弹塑性蠕变模型。(5)采用FLAC3D模拟了煤层的充填开采过程,得到了满足最优充填效果的胶结充填材料的骨料颗粒级配Talbot指数,并对该最优胶结充填体蠕变条件下的数值模型进行了模拟,研究了煤层上覆关键岩层和地表沉陷的时变演化规律。该论文有图124幅,表37个,参考文献360篇。
【图文】：

环境问题,采动破坏,绪论,种植土

1 绪论duction背景与意义 (Research Background and Significance)源开采引发了一系列采动损害和环境问题[1-3]，如图 1-1 所示，包括和减少可种植土地[4-6]，，采动破坏含水层资源乃至诱发突水灾害[7]，表环境污染以及额外的安全和经济问题等[8-10]。且这些问题随着煤部而日趋严重[11-12]。

下胶,充填体,初始温度,胶结充填体

（5）工程条件对胶结充填体力学特性的影响胶结充填体力学特性的影响因素不外乎两个，即内在因素和外在因素。内在因素主要包括上述四方面（胶结材料、骨料颗粒、辅助添加材料和孔隙结构），外在因素则包含温度、湿度、腐蚀环境和应力状态等。工程条件的差异造成胶结充填体所处外在环境的巨大差异，严重影响胶结充填体的力学特性。目前，关注最多的就是胶结充填体与周围环境间的热传递。由于这种热传递较难实时测量，通常采用养护温度和养护时间来间接表征，养护温度越高、养护时间越长表征外界对胶结充填体传递能量越多。Barnett 等和 Fall 等通过试验分析了养护温度对胶结充填体力学特性的影响机制，认为更高的养护温度不仅加快了胶结材料的水化进程，其更完全的水化产物也具备更高的强度，同时减小了胶结充填体结构内部的孔隙[128]。Fall 等和 Ghirian 则探讨了养护时间对胶结充填体力学特性的影响规律，认为更长的养护时间可以促进未完全水化的胶结材料完全水化，形成强度更高、结构更致密的胶结充填体[129-130]。在这两方面的基础上，Wu 等利用 COMSOL 多物理场耦合模拟了不同水化条件和不同养护条件下胶结充填体结构内部的能量场、温度场以及胶结材料的水化过程，并分析了水化条件和养护条件对胶结充填体力学特性的耦合影响机制[131]。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD823.7

【参考文献】