【摘要】：膠結(jié)充填體的力學(xué)特性對煤層充填開采區(qū)上覆巖層移動和地表沉陷產(chǎn)生直接影響,研究膠結(jié)充填體力學(xué)特性的影響機(jī)制、探索膠結(jié)充填體穩(wěn)定性的無損測試方法、認(rèn)識膠結(jié)充填體細(xì)觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、分析膠結(jié)充填體蠕變變形的損傷機(jī)理是采區(qū)上覆巖層和地表建筑結(jié)構(gòu)安全評估的基礎(chǔ)性研究課題,對煤礦安全綠色開采具有重要的科學(xué)意義和工程價值。本文綜合運(yùn)用試驗(yàn)測試、理論分析和數(shù)值模擬等方法對膠結(jié)充填體的宏細(xì)觀力學(xué)特性及蠕變模型開展系統(tǒng)研究。取得以下主要成果:(1)通過單軸壓縮、常規(guī)三軸壓縮和聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)研究了圍壓、膠結(jié)材料含量和骨料顆粒級配Talbot指數(shù)對膠結(jié)充填體擴(kuò)容特征參量、聲發(fā)射響應(yīng)特征和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。建立了含八個決策參量的膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度隨圍壓、膠結(jié)材料含量和骨料顆粒級配Talbot指數(shù)變化的關(guān)系式,并構(gòu)建了優(yōu)化決策參量的遺傳算法,繼而實(shí)現(xiàn)了圍壓、膠結(jié)材料含量和骨料顆粒級配Talbot指數(shù)對膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度耦合影響的空間(四維空間)可視化。(2)利用PFC3D建立了膠結(jié)充填體的三維顆粒流數(shù)值模型,模擬再現(xiàn)了單軸壓縮和常規(guī)三軸壓縮條件下膠結(jié)充填體的裂紋演化和顆粒破壞,并分析了圍壓、膠結(jié)材料含量和骨料顆粒級配Talbot指數(shù)對裂紋總數(shù)、裂紋分布和顆粒破壞模式的影響規(guī)律。(3)通過超聲波探測試驗(yàn)研究了膠結(jié)充填體的超聲波響應(yīng)特征,分析了膠結(jié)材料含量和骨料顆粒級配Talbot指數(shù)對膠結(jié)充填體超聲波脈沖速度的影響規(guī)律,建立了膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度與超聲波脈沖速度的關(guān)系,提出了膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的預(yù)測模型。(4)建立了一種由非線性粘壺、粘塑性體和Burgers體串聯(lián)的膠結(jié)充填體非線性粘彈塑性蠕變模型,構(gòu)建了優(yōu)化該蠕變模型中七個決策參量的遺傳算法,并推導(dǎo)了該蠕變模型的三維形式。分析了蠕變引起膠結(jié)充填體損傷的機(jī)理,提出了一種考慮損傷的非線性粘彈塑性蠕變模型。(5)采用FLAC3D模擬了煤層的充填開采過程,得到了滿足最優(yōu)充填效果的膠結(jié)充填材料的骨料顆粒級配Talbot指數(shù),并對該最優(yōu)膠結(jié)充填體蠕變條件下的數(shù)值模型進(jìn)行了模擬,研究了煤層上覆關(guān)鍵巖層和地表沉陷的時變演化規(guī)律。該論文有圖124幅,表37個,參考文獻(xiàn)360篇。
【圖文】：

1 緒論duction背景與意義 (Research Background and Significance)源開采引發(fā)了一系列采動損害和環(huán)境問題[1-3]，如圖 1-1 所示，包括和減少可種植土地[4-6]，，采動破壞含水層資源乃至誘發(fā)突水災(zāi)害[7]，表環(huán)境污染以及額外的安全和經(jīng)濟(jì)問題等[8-10]。且這些問題隨著煤部而日趨嚴(yán)重[11-12]。

（5）工程條件對膠結(jié)充填體力學(xué)特性的影響膠結(jié)充填體力學(xué)特性的影響因素不外乎兩個，即內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素主要包括上述四方面（膠結(jié)材料、骨料顆粒、輔助添加材料和孔隙結(jié)構(gòu)），外在因素則包含溫度、濕度、腐蝕環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)等。工程條件的差異造成膠結(jié)充填體所處外在環(huán)境的巨大差異，嚴(yán)重影響膠結(jié)充填體的力學(xué)特性。目前，關(guān)注最多的就是膠結(jié)充填體與周圍環(huán)境間的熱傳遞。由于這種熱傳遞較難實(shí)時測量，通常采用養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時間來間接表征，養(yǎng)護(hù)溫度越高、養(yǎng)護(hù)時間越長表征外界對膠結(jié)充填體傳遞能量越多。Barnett 等和 Fall 等通過試驗(yàn)分析了養(yǎng)護(hù)溫度對膠結(jié)充填體力學(xué)特性的影響機(jī)制，認(rèn)為更高的養(yǎng)護(hù)溫度不僅加快了膠結(jié)材料的水化進(jìn)程，其更完全的水化產(chǎn)物也具備更高的強(qiáng)度，同時減小了膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙[128]。Fall 等和 Ghirian 則探討了養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)充填體力學(xué)特性的影響規(guī)律，認(rèn)為更長的養(yǎng)護(hù)時間可以促進(jìn)未完全水化的膠結(jié)材料完全水化，形成強(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)更致密的膠結(jié)充填體[129-130]。在這兩方面的基礎(chǔ)上，Wu 等利用 COMSOL 多物理場耦合模擬了不同水化條件和不同養(yǎng)護(hù)條件下膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量場、溫度場以及膠結(jié)材料的水化過程，并分析了水化條件和養(yǎng)護(hù)條件對膠結(jié)充填體力學(xué)特性的耦合影響機(jī)制[131]。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD823.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2666452