深部开采的岩石流变模型及力学机理研究.pdf

黑龙江科技学院 硕士学位论文 深部开采的岩石流变模型及力学机理研究 姓名李玉琳 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师毕贤顺 20070601 黑龙江科技学院硕士学位论文 捅要 随着煤矿开采不断地向深部发展，岩石的流变性也越来越明显，特别 表现在煤矿深部开采过程中。本文在国内外前人有关研究成果的基础上， 围绕岩石的流变性质，从流变模型的构建和深部开采沉陷力学机理方面进 行了研究。 本文利用弹塑性力学及岩石介质流变学理论，构建了深部岩石一般流 变模型，该模型以弹性元件 H 体 、塑性元件 L 体 、粘弹性元件 K 体 、 粘塑性元件 v p 体 组合而成，推导出在单独考虑压力作用下的蠕变方程， 并用试验数据证明了该模型的合理性；在该流变模型的基础上，兼顾了温 度的影响因素，理论推导出了压力和温度耦合作用下的深部岩石蠕变方程。 以矿山顶板采动岩梁假说及热弹性力学为基础，建立了顶板初次垮落 前开采沉陷动态力学模型及顶板岩体垮落后的开采沉陷模型，将顶板垮落 后的开采沉陷模型简化为简支梁、悬臂梁及裂隙体梁模型，并分别进行了 理论分析。 关键词深部开采，流变，蠕变，力学机理 黑龙江科技学院硕士学位论文 A b s t r a c t W i t ht h ec o n t i n U O I I Sd e v e l o p m e n to ft h ec o a lm i n i n gd e e p l y , t h er o c kt h e o l o g y i sa l s om o r ea n dm o r eo b v i o u s ．n cs u b s i d e n c ei st h ep r o b l e mt h a to n ea n dr o c k r h e n l o g yc o n t a c 哇c l o s e l y , s h o w st h ed e e pe x p l o r i n gp r o c e s so fc o a lm i n es p e c i a l l y ． n l i sa r t i c l es t u d yc r e a t i v e l ya s p e de s t a b l i s h i n gt h e o l o g i c a lm o d e la n dm e c h a n i c s m e c h a n i s mo fd e e ps u b s i d e n c e ．I ti sb a s i sa b o u tr e s e a r c hr e s u l ti ns u m m i n gu ph o m e a n da b r o a da n da b o u tt h er o c kr h e o l o g yc h a r a c t e r ． T h e r ei sr h e o l q g i c a lm o d e lO i lt h eb a s i so fp l a s t o e l a s t i c i t ya n dr h e o l o g y ．T h e m o d e lc o n s i s t so fe l a s t i ce l e m e n t , p l a s t i ce l e m e n t , s t i c k ye l a s t i c i t ye l e m e n ta n d s t i c k yp l a s t i c i t ye l e m e n t ．n ea r t i c l ed e d u c e so u tc r e e pe q u a t i o nc o n s i d e r i n gt h e p r e s s u r ee f f e c ta l o n en o to n l y , b u ta l s ot e s t i f yt h er a t i o n a l i t yO f t h em o d e lb yu s eo f d a t a ．B e c a n s et h ch i g ht e m p e r a t u r ei nt h ed e e pc r o c k ，t h et h e s i sd e d u c e st h ed c 印 r o c kc r e e pe q u a t i o nu n d e rp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ec o u p l i n ge f f e c tf u r t h e r ． O nt h eb a s i so f h y p o t h e s i st h a tt a k er o o fa sr o c kb e a ma n dt h e r m o e l e a s t i c i t y , t h e a r t i c l es t u d ym e c h a n i c sm e c h a n i s ma b o u ts u r f a c es u b s i d e n c ea sm i n i n gd e e p ，t h e n b u i l td y n a m i cm e c h a n i c a lm o d e l ．M o r e o v e ri th a ss i m p l i f i e ds u b s i d e n c em o d e la s f r e eb e a mm o d e l ，c a n t i l e v e rb e a m , c r e a kb e a ma n da n a l y s e st h e m ． K e yw o r d s d e e pm i n i n g , r h e o l o g y , c r e e p i n g , m e c h a n i c sm e c h a n i s m Ⅱ 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽人所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。． 研究生签名乏坌玉因途日期2 Z 五塑研究生签名 2 ．2 ／t 盆地呈平底状，如图2 - 1 1 b ，图中矽表示地表各点的铅 垂下沉值，U 表示与此同时发生的水平移动量，越靠近盆地中央，形值越 大￡，值越小；越靠近盆地边缘，矽值越小，U 值越大。 2 ．2 岩石的流变性质 岩石本身就是一种地质材料，从唯象学的角度看，它应是一种流变介 质，岩石的流变性是指岩石在外界荷载、温度、辐射等条件下呈现的与时间 有关的变形、流动和破坏等性质，即时间效应。研究表明，由于进入深部 开采之后地质力学环境的改变和力学性质的转化，进入深部后岩体表现为 持续的强流变特性，即不仅变形量大，而且具有明显的“时间效应”⋯， 黑龙江科技学院硕士学位论文 其主要表现在弹性后效、蠕变、松弛、应变率效应、时效强度和流变损伤 断裂等方面。岩石流变是岩土工程围岩变形失稳的重要原因之一。 图2 1 0 工作面推进过程中的下沉速度曲线和滞后影响 1 ，2 一非充分采动时的下沉速度曲线；3 ，4 一充分采动时的下沉速度曲线 地袁 H 砷∞ 图2 1 1 地表下沉状况及下沉盆地剖面示意图 0 一未充分采动，碗状盆地；卜0 蟹 充分采动，平底状盆地 在岩石的各种流变特性中，岩石的蠕变特性是在恒定应力条件下，其 变形随时间逐渐增加的现象；岩石的应力松弛特性则是在保持应变一定时， 应力随时间发展而逐渐衰减的现象；岩石的流动特性 粘滞特性 是时间 一定时，应变速率与应力大小的关系；岩石的弹性后效是弹性应变随时间 变化的现象，即加 卸 载后弹性变形要逐渐增加 减少 到某一极限值 岩石的长期强度是在长期受载作用下，岩石的强度随受载时间的增长而改 变的性能，或称在长期荷载持续作用下岩石的强度。 黑龙江科技学院硕士学位论文 岩石的蠕变特性，与施加的荷载大小有关，如图2 _ 1 2 所示。当施加岩 石上的应力盯t 盯。时，岩石变形不随时间t 变化，此时岩石表现出弹性特 性。c r 0 是使岩石表现蠕变性所需的最小应力。当0 “ 0t 盯．‘d ，时，岩石的蠕 变为衰减蠕变，应变达到某个值后，则不再随时间而变化。蠕变衄线有一 条渐进线。盯，为岩石的长期强度。当盯，盯，时，不出现衰减蠕变，应交迅 速增加，最终导致岩石的蠕变破坏。对于流变力学研究范围而言，可把岩 石在长时间恒荷载作用下的蠕变特性归纳为两种，如图2 - 1 2 a 和 b 。 而岩石的变形等于承受荷载后立即产生瞬时弹性变形与随时间发展的变形 之和，即 ￡， 0 ￡一E B4 - ￡ f 7 1 f 图2 一1 2 不同压力下的蠕变曲线 ’ 衰减蠕交过程中，变形￡ f 以减速发展，即它的变化率趋向于o ，而其 变形值￡ f 趋向于某一稳定值，且不导致岩石发生破坏。与长期强度盯，对 应的蠕变形￡，与荷载大小、岩石性质、围压等因素有关，对于孔隙、裂隙 较发育的煤及强度较低的软岩，仃，、F ，均较低。非衰减蠕变过程中，岩石 的应变随时间逐渐增大如图2 1 3 b 所示，并不趋于某一稳定值，变形达 到某一阶段时应变急剧增加，最后导致岩石破坏。其蠕变过程，又可分为 三个阶段如图2 _ 1 3 b ，A 8 为初始蠕变段，此时蠕变速率不断减小，如A B 曲线所示；B c 为稳定蠕变段，此时B C 为直线段，蠕变率为常数，因而B c 平行于t 轴；C D 为加速蠕变段，此时蠕变率不断增加，如c D 所示。 岩体的蠕变特性可以通过单轴或三轴压缩、单剪、扭转或弯曲等蠕变 试验研究获得。试验表明，在长时间恒定荷载的作用下，变形等于承受荷 载后立即产生的瞬时弹性应变y 与随时间发展的应变Y q 之和，即 ，- y r q 流变性质的研究分微观和宏观两个方面。微观方面的研究，着 重于从岩石的微观结构研究岩石具有流变的物理力学因素和影响岩石流变 性质的因素，如岩石物理流变学。从宏观方面研究，就是假定岩石是均一 黑龙江科技学院硕士学位论文 体，采用直观的力学流变模型来模拟岩石的结构；通过模型的数学力学分 析，建立有关的公式，定量分析岩土的流变性质及其对工程的影响。本文 就是从宏观角度出发，建立力学流变模型。 ，0 A 0 a 【b 图2 一1 3 典型蠕变曲线 积减蠕变；b 一非衰减蠕变 2 ．3 本章小结 本章分析了采场上覆岩层的运动规律、地表移动特征及其覆岩移动规 律与地表下沉的关系。 ‘ 分析了岩石的流变特性。岩石的流变性是指岩石在外界荷载、温度、 辐射等条件下呈现的与时间有关的变形、流动和破坏等性质，即时间效应。 岩石的流变特性一般分为三个阶段即衰减蠕变、等速蠕变及加速蠕变阶 段。衰减蠕变为蠕变曲线的斜率逐渐减小，其应变速率随时间迅速递减， 变形以减速发展；蠕变曲线近似一条倾斜直线，其斜率保持不变；加速蠕 变阶段其曲线的应变速率迅速增加，此阶段的岩体发生破坏。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第三章深部岩石流变力学模型与验证 矿山巷道开挖以后，巷道附近围岩中的应力将重新分布，同时引起围 岩的变形。大量的工程实践和研究表明，岩石是一种流变介质，即岩石在 外界荷载、温度、水等条件下呈现的与时间有关的变形、流动和破坏的性 质。其主要表现在弹性后效、蠕变、松弛、应变率效应、时效强度和流变 损伤断裂等方面。岩石流变是围岩变形失稳的主要原因之一，特别是随着 煤炭深部开采的不断发展，岩石的强度将变低，如膨胀性泥岩、软弱夹层、 泥化夹层、断层破碎带、充填黏土质的裂隙体岩层等，都会随着时间的增 长而产生严重的流变现象。软岩的流变特征和时间效应是岩体工程中的一 种不可忽视的重要特征。随着软岩工程的发展，流变己成为工程建设中经 常遇到的问题，也是造成灾害性事故的主要原因之一．其中软岩的流变力 学特征主要包括四个方面 1 蠕变在恒定应力的条件下，变形随时间逐渐增长的现象； 2 应力松弛当应变保持一定时，应力随时间逐渐减小的现象； 3 流动特性时间一定时，应变速率与应力大小的关系； ． 4 长期强度在长期荷载持续作用下软岩的强度。 研究软岩的流变性，深入了解软岩流变破坏过程的规律，对煤矿深部开 采具有十分重大的意义。其中，最重要的内容就是岩石流变的本构规律既 岩石在流变过程中其内部应力一应变一时间之间相互关系状态方程的研 究。 3 ．1 传统模型理论 3 ．1 ．1 基本模型 流变模型中最基本的模型即是单一的模型元件，其模型元件主要为牛顿 粘性体N 、虎克弹性体H 、圣维南体S “”。其应力一应变关系如下图3 - 1 所示。 ， 上述三种基本元件模型其应力一应变关系如下 H 体F - a ／E N 体g 一口／野 S 体 ￡- O ， 盯_； 盯t_、岁亏盯“ 黑龙江科技学院硕士学位论文 M a x w e l l 卜￡ f 一c r 0 圣 石t 体Ne o 一％／E ￡ ∞