温度对深部泥岩物理力学特性影响试验研究

发布时间：2017-08-09 16:03

  本文关键词：温度对深部泥岩物理力学特性影响试验研究

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【摘要】：本文为研究温度对深部矿井煤系共生泥岩物理力学特性的影响,首先对取自深部工程矿井的煤系共生泥岩进行单轴压缩实验提取关键的物理力学实验参数,继而根据参数模拟制作能够在力学特性、组分结构上高度拟合目标泥岩的泥岩-水泥混合试件用以取代结构不均、构造多变的泥岩进行不同温度下力学实验,同时结合相应条件下的泥岩微细观演化试验,综合分析探索了深部巷道煤系泥岩物理力学性质、微细观特征以及破坏形态随温度的变化特征,得到了重要结论：(1)试验用RMT-150 B岩石力学试验系统和GD—65/150高低温环境箱对泥岩-水泥混合试件在25℃-60℃温度下进行单轴压缩实验,得到泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量等重要参数；各级温度梯度下的泥岩单轴压缩应力-应变全过程曲线变化形态一致,曲线在不同试验阶段分为压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。通过比较各组曲线,随着温度的升高,试件的峰值应力、峰值应变逐渐减小,在全过程应力-应变上则表现为曲线的峰值点逐渐往左下方移动。随着温度升高,混合试件峰值应力、峰值应变及弹性模量减小,变形模量增大。(2)试验采用高倍显微镜对泥岩试件进行不同温度下的不同断面拍摄微观结构照片,记录分析泥岩试件的颗粒面积比、颗粒分布分维、颗粒圆度以及孔隙定向度四组表征参数在不同温度下的变化规律。泥岩试件加热破坏微观实验结果与泥岩单轴压缩实验结果有着一致性,随着温度的增加,泥岩颗粒面积比、颗粒圆度减小,孔隙面积比、孔隙圆度相应增大,泥岩微观的变化显现为宏观上泥岩试件微裂纹不断增加,试件整体结构遭到破坏,弱化材料力学特性,单轴抗压强度呈下降趋势。(3)结合泥岩单轴压缩力学实验结果和关键参数,通过分析确定泥岩弹性模量和材料参数与温度的函数方程,推导泥岩本构方程合理的比例系数,以岩石常温下本构方程出发结合岩石损伤理论和强度理论,通过数理分析最终建立了泥岩在25℃到60℃下考虑温度效应的泥岩材料损伤统计本构模型,推进了对泥岩本质特性及变化的更深层探索和认识。
【关键词】：岩石力学 不同温度 煤系泥岩 物理力学特性 微观结构 本构模型
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD313
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-22
• 1.1 课题的提出及研究意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 岩石本构方程受温度影响的研究16-17
• 1.2.2 岩石物理力学性质受温度影响的研究17-18
• 1.2.3 岩石微观特性受温度影响实验研究18-19
• 1.3 目前存在的问题19
• 1.4 研究的意义19
• 1.5 本论文的研究目的和研究内容19-20
• 1.5.1 研究目的19-20
• 1.5.2 研究内容20
• 1.6 本文研究的技术路线20-22
• 2 力学试验方案和试验装置22-28
• 2.1 试验方案22-23
• 2.2 高温试验装置23-24
• 2.2.1 高低温环境箱23-24
• 2.2.2 温度控制系统24
• 2.3 岩石力学性质试验系统24-25
• 2.3.1 RMT-150B型岩石力学伺服控制系统24-25
• 2.3.2 试验系统技术性能指标25
• 2.4 原岩破碎装置25-26
• 2.4.1 微机屏显式液压万能试验机WAW-600D25-26
• 2.4.2 XA-3固体样品粉碎机26
• 2.5 本章小结26-28
• 3 温度对泥岩力学特性试验研究28-52
• 3.1 泥岩-水泥混合试件的制备28-35
• 3.1.1 泥岩力学参数测定28
• 3.1.2 原岩块体粉碎28-30
• 3.1.3 泥岩-水泥配合比确定30-34
• 3.1.4 泥岩-水泥混合试件制作34-35
• 3.2 高温下泥岩的破坏模式35-37
• 3.2.1 泥岩的破坏机理和形态35-36
• 3.2.2 温度对泥岩力学特性影响机理分析36-37
• 3.3 不同温度下泥岩单轴压缩试验结果分析37-49
• 3.3.1 泥岩的不同温度应力-应变全过程曲线38-45
• 3.3.2 泥岩的变形特征45-46
• 3.3.3 泥岩的峰值应力46-47
• 3.3.4 泥岩的峰值应变47-48
• 3.3.5 泥岩的弹性模量和变形模量48-49
• 3.4 本章小结49-52
• 4 温度对泥岩微细观结构影响试验研究52-62
• 4.1 试验内容52-54
• 4.1.1 泥岩试件的切割选取52-53
• 4.1.2 泥岩试件的加热处理53
• 4.1.3 试件参照点拍照记录53-54
• 4.2 试验结果分析54-59
• 4.2.1 颗粒面积比例变化特征56-57
• 4.2.2 颗粒分布分维变化特征57-58
• 4.2.3 颗粒圆度变化特征58
• 4.2.4 孔隙定向度变化特征58-59
• 4.3 泥岩力学试验与微观试验同一性分析59-60
• 4.4 本章小结60-62
• 5 温度效应泥岩的本构模型62-70
• 5.1 损伤本构模型的建立62-64
• 5.2 泥岩热损伤本构模型推导64
• 5.3 泥岩热损伤本构模型的建立和验证64-69
• 5.4 本章小结69-70
• 6 泥岩力学特性的数值模拟70-76
• 6.1 引言70
• 6.2 数值模型的建立70-71
• 6.3 模拟结果分析71-74
• 6.3.1 泥岩的位移随温度变化特征71-73
• 6.3.2 泥岩的应力随温度变化特征73-74
• 6.4 本章小结74-76
• 7 结论及展望76-80
• 7.1 主要结论76-77
• 7.2 主要创新点77-78
• 7.3 不足及亟须待研究的问题78-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-86
• 作者简介及读研期间主要科研成果86

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