多場耦合作用下煤巖損傷破壞特性研究進(jìn)展

韓毅　萬永斌　施勇　肖專

摘 要：多場耦合作用存在于煤巖體成巖和改造的整個(gè)過程，隨著煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力呈非線性增加趨勢。文章詳細(xì)介紹了礦業(yè)工程領(lǐng)域中多場耦合作用的科學(xué)與技術(shù)問題，進(jìn)而論述應(yīng)力場、熱力場的耦合作用下煤巖損傷破壞特征。通過分析總結(jié)應(yīng)力場引起的煤巖損傷破壞特性、熱力耦合作用的煤巖損傷破壞特性、熱力耦合作用下煤巖破裂特性及熱-流-力耦合作用下煤巖損傷破壞特性研究取得的成果及存在的問題。

關(guān)鍵詞：熱力耦合;損傷破壞;研究進(jìn)展

1 緒論

在煤炭地下氣化等工程中，煤巖體將受到溫度和壓力的耦合作用，即熱-力耦合效應(yīng)。煤是一種對溫度、壓力十分敏感的有機(jī)巖石，溫度場變化引起的熱應(yīng)力、熱應(yīng)變導(dǎo)致了固體煤巖的變形;同時(shí)，煤巖的變形又將引起溫度場的改變。熱-力耦合作用下煤巖物理力學(xué)特性與常規(guī)條件下有較大差異，而其相關(guān)力學(xué)參數(shù)又是井下工程開挖、支護(hù)設(shè)計(jì)、圍巖穩(wěn)定性分析不可或缺的基本依據(jù)，這就需要考慮巖石在高溫作用下及高溫后的物理力學(xué)性質(zhì)。隨著礦業(yè)開采深度的增加，研究熱力作用下深部煤巖體的變形破壞特性也成為了目前關(guān)注的一個(gè)課題。

2 熱力耦合作用下煤巖破裂特性研究

圍巖損傷破壞是自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力復(fù)合應(yīng)力場卸荷作用的結(jié)果。復(fù)雜環(huán)境下圍巖局部化變形演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)復(fù)雜巖體破裂與變形經(jīng)歷振蕩-沉寂后，極有可能會出現(xiàn)持久性破壞。研究結(jié)果表明裂隙張開度從巷道表面向深部呈現(xiàn)減小的趨勢。對于高應(yīng)力巷道圍巖的彈塑性變形，通過現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗(yàn)，開展了含瓦斯煤巖耦合彈塑性損傷本構(gòu)模型研究。許多學(xué)者通過物理試驗(yàn)或數(shù)值模擬對高應(yīng)力狀態(tài)下煤巖流變、蠕變特性進(jìn)行研究，對井巷的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及穩(wěn)定控制提供理論依據(jù)。

2.1 熱力耦合作用下煤巖熱破裂

近年，學(xué)者從不同角度和層次，通過理論和試驗(yàn)研究溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。然而，關(guān)于熱破裂的研究，主要集中在巖體。基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征的巖石破裂熱-力耦合模型及關(guān)于煤體熱-力耦合熱破裂的研究甚少。

2.2 溫度作用下煤巖的熱力學(xué)特性

目前，與煤礦相關(guān)的煤巖體在高溫、高圍壓下力學(xué)性質(zhì)的研究甚少，而對大理巖等質(zhì)地均勻、各向近似同性的巖漿巖力學(xué)特性的溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究較多。煤巖在不同溫度條件下的強(qiáng)度和變形演化規(guī)律的研究，可為煤礦開采節(jié)理發(fā)育相對較多、質(zhì)地不均衡、各向異性的煤巖體，溫度作用下設(shè)計(jì)和井壁穩(wěn)定性評價(jià)提供切合實(shí)際的參數(shù)和依據(jù)。

2.3 熱力作用下煤巖的滲透特性

滲透率的變化為眾人關(guān)注，其中地應(yīng)力是其變化的主要因素，但地溫隨著煤層采深的增加也越來越高，煤體滲透率與應(yīng)力和溫度的關(guān)系。有學(xué)者進(jìn)行了不同應(yīng)力條件，不同溫度條件下的煤體滲流實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同有效應(yīng)力條件下煤體滲透率與溫度的關(guān)系，并非單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，而呈正指數(shù)關(guān)系;但在研究低溫煤樣滲透特性影響的試驗(yàn)研究時(shí)得出了差異較大的結(jié)論。可見，對煤巖滲透率與溫度的關(guān)系仍然研究不足，不同圍壓條件下，煤體瓦斯?jié)B透率隨溫度的變化機(jī)理尚不清楚。在研究煤巖滲透性方面，也主要集中體現(xiàn)在應(yīng)力、孔隙壓力對煤體滲透性的影響、裂紋滲透性、煤裂隙與滲透性關(guān)系等。滲透性相關(guān)規(guī)律的研究目前主要局限于小試樣，而且多以測試高溫處理后的熱破裂和滲透率為主。

3 熱-流-力耦合作用煤巖損傷破壞特性研究

3.1 熱-流-力耦合作用下煤巖損傷破壞的數(shù)值研究

目前對熱-流-力耦合作用下煤巖變形破壞特性研究多集中于理論及數(shù)值模擬方面的研究，其中有學(xué)者將對象巖體處理成雙重孔隙-裂隙型介質(zhì)，借助于室內(nèi)外試驗(yàn)、理論分析、模型擬定和數(shù)值計(jì)算等各種方法，探討所涉及的溫度場、滲流場、應(yīng)力場等的耦合作用問題，但未考慮具有雙重孔隙-裂隙介質(zhì)特點(diǎn)的強(qiáng)度準(zhǔn)則及其應(yīng)用。煤巖體地下滲流場、應(yīng)力場與溫度場耦合作用是一個(gè)相對復(fù)雜的問題，主要表現(xiàn)在煤巖體賦存地質(zhì)環(huán)境的各個(gè)組成部分，即滲流場、應(yīng)力場與溫度場自身都隨時(shí)間、空間發(fā)生變化;與此同時(shí)，各個(gè)組成部分之間的耦合作用還處于一種復(fù)雜動態(tài)變化過程之中。

目前主要研究表現(xiàn)在建立熱-流-力耦合理論分析及數(shù)值模型方面，但多場耦合作用是一類極其復(fù)雜計(jì)算過程，很難采用普遍采用數(shù)值求解方解析方法求解。

3.2 熱-流-力耦合作用下煤巖損傷破壞的實(shí)驗(yàn)研究

關(guān)于熱-流-力耦合的試驗(yàn)研究方面取得豐富成果。有學(xué)者試驗(yàn)研究不同溫度下石英巖裂隙滲流特性的變化過程;在水熱條件下對花崗巖單裂隙進(jìn)行滲透試驗(yàn)研究，分析溫度升高裂隙開度減小的原因。研發(fā)熱流體壓裂開采天然氣水合物藏試驗(yàn)裝置;對不同條件下的多場耦合的煤巖力學(xué)特性及滲流特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

4 結(jié)語

開展多場耦合作用下煤巖損傷破壞特性的研究，不僅對揭示煤巖體的力學(xué)行為及其破壞失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理，完善和發(fā)展巖體損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)等均具有豐富的理論內(nèi)涵和學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對礦業(yè)工程發(fā)展具有極其豐富的科學(xué)、技術(shù)與工程意義。然而，由于開展煤巖多場耦合作用研究的復(fù)雜性和艱巨性，此方面的工作仍是初步的、不全面的，已有的研究成果離工程應(yīng)用也有較大的距離。

計(jì)算力學(xué)、信息科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展為多場耦合理論發(fā)展帶來新的機(jī)會，大規(guī)模并行計(jì)箅技術(shù)的發(fā)展也將會大力促進(jìn)耦合計(jì)算的發(fā)展。大規(guī)模、高性能數(shù)字算法，計(jì)算可視化及虛擬仿真技術(shù)將極大提高解決多場耦合復(fù)雜問題的能力。

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