地下储气条件下煤矿采空区顶板岩系蠕变特性与试验模型研究.pdf

学 校 代 码 10459 学号或申请号 201212222506 密 级 硕 士 学 位 论 文 地下储气条件下煤矿采空区顶板岩系蠕变 特性与试验模型研究 （国家自然科学基金面上项目资助） 作 者 姓 名靳建市 导 师 姓 名王志荣 教授 学 科 门 类工 学 专 业 名 称岩土工程 培 养 院 系水利与环境学院 完 成 时 间2015 年 5 月 万方数据 A Thesis ted to Zhengzhou University for the Degree of Master The creep characteristics of coal mine gob roof rock series and test model under condition of underground gas storage By Jianshi Jin Supervisor Prof. Zhirong Wang Geotechnical Engineering School of Water Conservancy and Environment May 2015 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者 日期 年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者 日期 年 月 日 万方数据 摘要 I 摘要 煤矿采空区顶板岩系的稳定性是地下储气库可储性的关键地质问题，失稳 不仅会造成重大的经济损失，而且会对采矿人员的生命安全及生态环境产生严 重的威胁。煤矿采空区顶板中泥岩、砂岩及砂质泥岩等顶板岩石所占的比例越 大，其变形就越大，气体储藏条件就越复杂。顶板岩石的蠕变变形会对煤矿采 掘过程中采空区顶板的稳定性产生重大的影响。 本文针对地下储气条件下煤矿采空区顶板岩系蠕变失稳问题，利用 RLW-20 00 型岩石三轴流变仪对砂质泥岩、砂岩和泥岩这三种顶板岩石进行分级加载条 件下的单轴压缩蠕变试验，得到了这三种顶板岩石的蠕变试验数据。通过对经 典流变组合模型的分析及 Matlab 最小二乘迭代法的拟合，确定了适合于顶板岩 系的经典组合模型，在此基础上结合顶板岩系流变的特点，对这种经典组合模 型进行改进和组合，最终得到了更适合描述顶板岩系蠕变全过程的七元件非线 性黏弹塑性本构模型。最后再利用 Matlab 最小二乘迭代法对三种顶板岩石的蠕 变试验数据和得到的七元件非线性黏弹塑性本构模型进行拟合验证。主要研究 成果为 （1） 、当外界荷载值的大小小于顶板岩石的屈服强度时，顶板岩石在经历 初始蠕变阶段之后便进入到稳定蠕变阶段，微观孔隙和裂纹的不断闭合及微观 团粒的不断分解产生新的微观裂纹，这两者逐渐趋于平衡，随着时间的发展， 顶板岩石的应变变化逐渐变小，趋于稳定状态。当外界荷载超过其屈服强度时， 顶板岩石的蠕变开始出现加速现象，出现了可以反映顶板岩系蠕变性质的第三 阶段，试样开始产生微观裂纹且发生闭合，微团粒被破坏，颗粒间的连接被严 重削弱，大量的微观裂纹汇聚成宏观裂纹，最终导致顶板岩石产生破坏。 （2） 、由这三种顶板岩石的单轴压缩蠕变试验数据可以得出砂岩的强度 最大，泥岩次之，砂质泥岩最小。造成砂质泥岩强度相比于砂岩和泥岩更小的 原因是砂质泥岩位于砂岩和泥岩的夹层中，两种大小不同的颗粒混合在一起， 无法胶结密实，导致了强度的损耗，使得混合有砂岩和泥岩的砂质泥岩强度反 而比泥岩的强度还小。 （3） 、通过对鲍埃丁-汤姆逊模型、广义开尔文模型、伯格斯模型和西原模 型等采用最小二乘迭代法进行蠕变试验数据的拟合，可以得出伯格斯模型的拟 万方数据 摘要 II 合效果最好，所以，伯格斯模型是描述顶板岩系蠕变特性最理想的基本组合模 型。伯格斯模型虽然能较好的模拟顶板岩系蠕变过程中的前两个阶段，但它与 实际情况存在一定的偏差，为了更好的模拟顶板岩系的蠕变，在伯格斯模型的 基础上对其进行改进，得到了改进的伯格斯模型。 （4） 、当外界荷载大于顶板岩石的屈服应力时，顶板岩石的蠕变会随着时 间的发展出现加速现象，为了更好的表达顶板岩系蠕变的加速阶段，需要建立 顶板岩系的非线性黏弹塑性流变本构模型，将黏塑性模型与改进的伯格斯模型 进行串联，得到了一个能够全面地反映顶板岩系蠕变特性的改进的非线性黏弹 塑性模型，即七元件非线性黏弹塑性模型。 （5） 、对七元件非线性黏弹塑性模型的一维蠕变方程进行推导，得到了含 系数的七元件非线性黏弹塑性一维蠕变本构模型的方程，并利用方程和试验数 据对七元件非线性黏弹塑性模型进行拟合验证。拟合结果表明试验数据基本 位于拟合曲线之上，七元件非线性黏弹塑性模型能够很好地模拟顶板岩系的蠕 变发展全过程。对比砂质泥岩、砂岩和泥岩的蠕变曲线拟合情况可以看到，砂 质泥岩的和方差最小，泥岩其次，砂岩最大。这说明七元件非线性黏弹塑性模 型不仅可以很好的模拟顶板岩系的蠕变过程，而且对于越软岩石的拟合效果越 好，越能够反映其蠕变特性。 关键词关键词采空区顶板；顶板岩系蠕变；蠕变试验；蠕变模型；Matlab；最小二 乘法；数据拟合；黏弹塑性 万方数据 Abstract III Abstract Accident in coal mine gob roof is one of the main disasters in mining process, it may cause significant economic losses and put ecological environment and life safety of workers on threat. The greater the percentage of roof rock such as mudstone, sandstone and sandy mudstone, the greater the deation of roof rock, and the more sophisticated the gas storage conditions. Roof rock creep has great impact on the stability of gob roof. In terms of the creep instability of gob roof rock series under condition of underground gas storage, uniaxial compression creep test of mudstone, sandstone and sandy mudstone were conducted by using RLW-2000 rock microcomputer-controlled rheology servo test system. The combined model which is suitable for roof rock series is determined by analysis of classic rheological model and Matlab least-square fitting operation. Based on the characteristics of roof rock series rheology and improvement of classic model, the seven-element nonlinear elastic-plastic constitutive model was established. Finally the model was proved by the experimental data by Matlab least-squares iteration , and the main results are as follows 1 When the external load is less than the yield strength, the creep of roof rock includes initial creep and stable creep, micro porosity closed while new crack is generated by the break down of micro particles. With tine goes on the deation of roof rock changes very small and be stable gradually. When external load is greater than yield strength, the creep of roof rock accelerates, the particles are destroyed and the connection between particles are severely weakened, micro cracks eventually develop into macro cracks and lead to the broken of roof rock. 2 It can be seen from the experimental data that the strength of sandstone is biggest, mudstone comes the second and sandy mudstone is minimal. The reason is that the sandy mudstone is between sandstone and mudstone, two kind of particles with different size could not cement compactly. 3 Least-squares iteration was conducted on Poynting Thomson model, 万方数据 Abstract IV generalized Kelvin model, Burgers model and Kormanura model based on experimental data, the results show that Burgers model has better fitting effect. Burgers model can describe the initial creep and stable creep of roof rock series very well, but it has some deviation with actual situation. In order to simulate the creep of roof rock series, Burgers model was improved. 4 When external load is greater than yield strength, the creep of roof rock accelerates. In order to describe the accelerate stage of roof rock series, nonlinear viscous elastic-plastic rheological model of roof rock series is necessary. A new seven-element model can be get from the series of sticky plastic model and improved Burgers model which can comprehensively reflect the creep property of roof rock series. 5 The one dimensional creep equation of the seven-element model is derived and the model was proved by the fitting operation of experimental data. The results show that the data is basically above the fitting curve and the mew model could describe the whole process of the creep of roof rock series. It can be seen from the comparison of the three fitting curves that variance of sandy mudstone is minimal while that of mudstone maximal. This indicates that the seven-element model could describe the creep of roof rock series very well, the softer the rock the better fitting effect and the description of creep property. Key words gob roof; roof rock series creep; creep test; creep model; Matlab; least square ; data fitting; visco-elastoplastic 万方数据 目录 V 目录 摘要 ............................................................................................................ I Abstract .................................................................................................... III 1 绪论 ..................................................................................................... 1 1.1 研究背景及研究意义 ................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................... 3 1.2.1 煤矿采空区顶板研究现状.............................................................................. 3 1.2.2 顶板岩系蠕变模型研究现状 .......................................................................... 4 1.2.3 顶板岩系蠕变试验研究现状 .......................................................................... 5 1.3 本文的主要研究内容及技术路线 ............................................................. 6 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................................. 6 1.3.2 技术路线 ......................................................................................................... 7 2 顶板岩系的单轴压缩蠕变试验 ......................................................... 9 2.1 引言 ............................................................................................................. 9 2.2 工程背景 ..................................................................................................... 9 2.3 试验目的和意义 ....................................................................................... 10 2.4 试样的选取 ............................................................................................... 10 2.5 试验设备 ................................................................................................... 11 2.6 试验方法 ................................................................................................... 12 2.7 试验数据的处理 ....................................................................................... 16 2.8 试验数据的分析 ....................................................................................... 16 2.9 本章小结 ................................................................................................... 21 3 顶板岩系蠕变模型的分析研究 ....................................................... 23 3.1 引言 ........................................................................................................... 23 3.2 岩石的流变理论 ....................................................................................... 23 3.2.1 岩石的流变特性 ........................................................................................... 23 3.2.2 岩石流变的基本元件 ................................................................................... 24 万方数据 目录 VI 3.3 岩石流变的组合模型 ............................................................................... 27 3.3.1 弹塑性模型 ................................................................................................... 27 3.3.2 黏弹性模型 ................................................................................................... 28 3.3.3 黏塑性模型 ................................................................................................... 31 3.3.4 黏弹塑性模型 ............................................................................................... 32 3.4 顶板岩系蠕变模型参数的辨识及确定 ................................................... 33 3.4.1 顶板岩系蠕变模型参数的辨识 ...................................................................... 33 3.4.2 顶板岩系蠕变模型参数的确定 ...................................................................... 34 3.5 本章小结 ................................................................................................... 35 4 顶板岩系蠕变模型的分析及数据拟合 ........................................... 36 4.1 引言 ........................................................................................................... 36 4.2 流变模型对顶板岩系蠕变的适用性探讨 ............................................... 36 4.3 顶板岩系蠕变模型的推导 ....................................................................... 44 4.4 顶板岩系蠕变模型的数据拟合 ............................................................... 47 4.5 采空区围岩稳定性评价 ........................................................................... 51 4.6 本章小结 ................................................................................................... 52 5 结论与展望 ....................................................................................... 53 5.1 结论 ........................................................................................................... 53 5.2 展望 ........................................................................................................... 54 参考文献 ................................................................................................. 57 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果 ............................. 60 致谢 ......................................................................................................... 61 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及研究意义 煤层气又称瓦斯，是煤化过程中的烃类产物，以甲烷为主要成分，一般占 成烃总量的 80左右，其次为乙烷，约占成烃总量的 20左右。甲烷是大气中 主要的温室气体之一，对红外线的吸收能力极强，其温室效应是二氧化碳的 20 多倍，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的 7 倍。煤层气具有资源性和灾害性双 重特点，一方面作为非常规性天然气，它是一种潜力巨大的新型环保能源。另 一方面一旦作为废气排入大气后即造成严重温室效应。 近年来，我国工业废气的排放造成了严重的空气污染，大气环境状况持续 恶化，暖温与雾霾等极端气候的日益严重。首先，由于技术原因，目前国内煤 层气开发利用率极低，矿井大量瓦斯作为废气排入大气后即可造成严重温室效 应。其次，人们在生活生产过程中所使用的煤炭、石油等化石燃料，在经过错 综复杂的化学反应之后会形成硫氧化物SOx和氮氧化物NOx， 进而形成硫酸和 硝酸，最终以酸雨的形式降落到地球表面，危害极大。因此，可以利用地下空 穴，将排放出来的目前不易利用的煤层气重新储存起来，待将来技术成熟时再 重新利用。或者可以将含有各类污染成分的工业气体注入地下，并与地下矿物 产生固化反应，形成新的稳定的化合物。因此，地下空间因其安全经济的特点， 在能源存储和有毒工业废气的处置方面具有良好的应用前景，目前已经逐步成 为全球地下工程领域的研究热点。 充填采煤是一种有效减小开采沉陷与防治瓦斯地质灾害的新型采煤方法。 该采煤法不留煤柱，利用砂、石和炉渣等局部致密充填采空区，对围岩进行支 撑。与此同时，消除了煤层边缘因受挤压而形成瓦斯排放屏障的危险，从而创 造了工作面迅速排放瓦斯的有利条件。事实上，充填采煤在采空区留下大面积 空顶部分，客观上为地下储藏提供了广袤空间。不失为一种符合我国当前产业 政策和环保政策的煤矿绿色开采方法。 河南省是我国采煤大省，全河南省煤田是典型的华北型石炭-二叠系煤田， 其最主要煤系有上石炭世太原群、下二迭世山西组、中侏罗世义马组以及上二 迭世上石盒子组。全省突出矿井共计 30 对，且均发生在主采二1煤层中。据统 万方数据 1 绪论 2 计表明，二1煤层的顶板岩性主要为砂岩、泥岩或砂质泥岩。该煤层顶板岩石致 密且透气性差，特别是泥岩遇水后迅速成流动状，对煤层气的保存十分有利。 但煤层顶板中泥岩、砂岩及砂质泥岩等顶板岩石所占的比例越大，盖层的变形 就越大，气体储藏条件就变得越为复杂。 煤层顶板岩系的蠕变特性是地下采空区储气库围岩失稳的主要因素。国内 外自上个世纪中期以来，众多学者便对顶板岩系流变本构模型及其规律做了大 量深入的研究[1-8]。从已有的研究成果来看，通过胡克体、圣维南体和牛顿体这 3 个基本元件所组合而成的复合流变元件模型，来拟合通过试验得到的顶板岩 系蠕变数据，以得到顶板岩系流变本构模型的方法，能够把顶板岩系较为复杂 的流变性质简单直观地表达出来。而且顶板岩系的蠕变、应力松弛和稳定变形 可以用其数学表达式直接进行描述，因此，该方法被众多的专家学者所接受并 采用。但这种由上述 3 种基本线性元件组成的复合流变元件模型只能描述顶板 岩系蠕变的衰减阶段和等速阶段，不能描述顶板岩系蠕变的加速阶段。在实际 工程中，顶板岩系的蠕变破坏现象随处可见，加速蠕变现象的确存在[9-10]，且其 对煤矿的采掘、采空区顶板掉落的研究及矿区的稳定等有着重要的影响。所以， 建立一种能够较完整地描述顶板岩系蠕变全过程，尤其是描述蠕变过程加速阶 段的顶板岩系流变力学模型，对顶板岩系工程有着极其重要的现实意义。 大量研究表明， 煤体对二氧化碳具有优先吸附、 滞后解吸的特性 Stevens et al，1999；Clarkson et al，2000；Reeves，2002；吴建光等，2004。因此，有学 者提出可以将二氧化碳储存在采空区的残留煤层中，以此来减少向大气的排放 Jack et al，2001。更有人们设想，将矿井排放的瓦斯在地下储存起来，待将来 技术成熟时再重新利用，或者将含有各类污染成分的工业气体注入地下，并与 地下矿物产生固化反应，形成新的稳定的化合物。近年来，地下空间因其安全 经济的特点，在能源存储和有毒工业废气的处置方面得到广泛应用，目前已经 逐步成为全球能源与环境领域的研究热点，从而开辟了一条温室气体减排和煤 层气远景开发的新途径。 由此可见，煤矿采空区具有独特的地下储气功能。而采空区顶板岩系的蠕 变研究，既是地下空间围岩稳定分析的基础，也是煤矿安全生产评价的重要依 据[11]。鉴于我国在采空区空间再利用方面的研究尚处于初始阶段，本文结合河 南省煤田二1煤的复杂沉积特点， 针对工业气体储存中围岩变形机理及地质可储 性等关键问题开展基础性研究，进而推动国内地下层状大型空间可储性理论向 万方数据 1 绪论 3 前发展。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤矿采空区顶板研究现状 采空区顶板事故是煤矿的五种主要灾害之一，根据统计，顶板大面积垮落 是其中最为危险的形式之一。采空区顶板的大面积垮落会产生严重的冲击破坏， 不仅危及着矿区的安全生产，而且威胁着人们的生命安全和自然生态环境[12]。 随着采空区顶板事故的愈发频繁，越来越多的学者开始致力于这一课题的研究。 慎乃齐等[13]通过 BP 神经网络模型的建立来预测和分析采空区的塌陷， 并运 用人工智能方法对采空区进行了时间上的分析和类似情况的预测。G. M. Swift 和 D. J. Reddish [14]在将采空区顶板看作为弹性梁的基础上，得到了影响采空区 顶板稳定性的主要因素及其变化规律。中南大学[15]以河南洛钼集团工程采空区 为实例进行计算，并将三维数值模拟结果和实例计算结果进行对比，得到了采 空区顶板的安全厚度临界值与采空区跨度之间所对应的关系，对采空区的安全 评价具有非常重要的意义。吴爱群等[16]以具体采空区为例，采用拉格朗日法来 计算采空区顶板受冲击波后的掉落问题，为今后采场人员的安全提供了保障。 北京科技大学的学者[17]将矿柱和顶板分别等效为均布弹簧和弹性薄板，以此建 立了矿柱总面积和顶板力学状态之间的关系，并考虑了采空区顶板稳定性受剥 落矿柱面积大小和风化强弱的影响。张向阳[18]为了对采空区顶板蠕变损伤断裂 过程进行分析，通过 kachanov 蠕变损伤理论将影响采空区顶板蠕变的因素做了 详细规律解析，得出了断裂孕育时间和裂隙扩展时间的规律，该成果对顶板管 理方式的改进具有现实意义。王金安等[19]建立并确定了采空区顶板的流变力学 模型和积分常数，得到了采空区顶板位移控制方程并对采空区的稳定时间进行 了估计，为今后采空区力学状态的研究以及稳定时间的预测等方面提供了新的 方法。赵延林等[20]通过提出了采空区顶板安全系数的概念，得到了顶板稳定性 强度折减法，建立起了尖点突变模型，并以此作为判定采空区顶板失稳与否的 根据，为今后采空区顶板的研究提供了新的途径和方法。王树仁等[21]基于 Reissner 厚板理论， 考虑了采空区的动荷载作用， 推导出了采空区顶板安全厚度， 对今后类似的工程实践具有重大的指导和借鉴意义。王金安[22]通过对采空区顶 板的变形分析得到了采空区顶板的变形挠度与时间，位移与时间的变化关系与 万方数据 1 绪论 4 特性， 并结合具体的案例分析验证了方法的可行性。 柳小波等[23]将通过 ABAQUS 有限元软件模拟得出的采空区顶板安全厚度数值解与推导得出的理论解进行对 比，得到了采空区的顶板安全跨度和厚度的方程及回归曲线。 1.2.2 顶板岩系蠕变模型研究现状 本文所研究的采空区顶板上的砂质泥岩、砂岩和泥岩都属于顶板岩系中所 含的岩石。顶板岩系的蠕变与许多实际的工程问题密切相关，许多学者致力于 解决这些问题，建立了众多的顶板岩系蠕变模型[24]。 近年来，国内众多学者对顶板岩系的流变本构模型进行了近一步的研究和 探讨。邓荣贵等[25]根据传统模型只能用来描述岩石蠕变的减速阶段和等速阶段 这个特点，提出了一种新的黏滞阻尼元件，以此来描述岩石加速蠕变过程中的 力学特性。并将传统模型与该阻尼元件相结合，组合成了一种新型综合流变力 学模型。曹树刚等[26]将岩石蠕变模型中的粘滞系数进行修正，得到了非线性的 组合模型，即为改进的西原正夫模型，此模型能够完整地表达岩石蠕变全过程， 特别是非线性的加速蠕变阶段。韦立德等[27]根据岩石的流变机理及其黏聚力在 流变过程中所起的作用提出并建立了一种一维黏弹塑性本构模型，它可以反映 岩石蠕变的整个过程。陈沅江等[28]首先引进了 CYJ 体和裂隙塑性体这两种新的 非线性元件，并建立了非线性流变模型