熱流固耦合條件下煤巖體損傷模型及其應(yīng)用.pdf

1、地下巖體工程的開挖必然在開挖區(qū)周邊形成開挖損傷區(qū)。在深部采礦、核廢料處置、地?zé)衢_發(fā)等地下工程中，深部巖體處于高地應(yīng)力、高水壓力和高地溫環(huán)境的不利條件，其中開挖損傷區(qū)的形成及后續(xù)的時(shí)空演化過程必然是一個(gè)溫度場、滲流場和應(yīng)力場（簡稱為熱流固）交叉耦合作用的過程。認(rèn)清圍巖損傷區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)及其時(shí)空演化規(guī)律，是工程穩(wěn)定性和安全性評(píng)價(jià)及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵問題。此外，在深部采煤、煤層氣開采及煤層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存等工程中，也都涉及到損傷煤層中瓦斯運(yùn)移

2、的熱流固耦合效應(yīng)問題，認(rèn)清熱流固耦合條件下瓦斯運(yùn)移規(guī)律及煤層損傷演化過程是非常重要的。
　　首先，本文在考慮巖石材料力學(xué)參數(shù)非均勻分布的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)考慮巖石損傷過程的熱流固耦合模型，并基于有限元軟件結(jié)合編程，實(shí)現(xiàn)了所建模型的數(shù)值求解?；跓崞屏褜?shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬結(jié)果再現(xiàn)了主裂紋的萌生、擴(kuò)展直至貫通的全過程，驗(yàn)證了損傷過程熱流固耦合模型的正確性，為進(jìn)一步研究熱流固耦合條件下?lián)p傷區(qū)的演化規(guī)律提供一數(shù)值工具。
　　其次，基于該熱流

3、固損傷耦合模型，通過數(shù)值模擬研究不同地應(yīng)力條件（側(cè)壓力系數(shù)）、不同孔壁增溫條件（增溫不超過100K）以及地應(yīng)力和孔壁增溫共同作用下開挖圍巖損傷區(qū)的演化過程。
　　第三，針對(duì)核廢料處置庫圍巖穩(wěn)定性這一熱點(diǎn)問題，基于(A)sp(o)地下硬巖實(shí)驗(yàn)室關(guān)于間柱穩(wěn)定性的現(xiàn)場試驗(yàn)(APSE)，開展相關(guān)的數(shù)值模擬，研究間柱損傷演化機(jī)理。然后針對(duì)KBS-3的處置庫概念模型進(jìn)一步開展相關(guān)數(shù)值模擬，預(yù)測了處置庫圍巖（間柱）在開挖擾動(dòng)、地下水滲流、溫度變

4、化及膨潤土遇水膨脹等因素作用下的穩(wěn)定性。
　　第四，針對(duì)深部煤層瓦斯運(yùn)移問題，綜合考慮煤體的吸附解吸變形以及溫度變化對(duì)瓦斯含量的影響，推導(dǎo)瓦斯運(yùn)移過程中煤體滲透率的統(tǒng)一表達(dá)式，建立瓦斯運(yùn)移的熱流固耦合模型。針對(duì)深部水平煤層中的煤層氣抽采問題開展數(shù)值模擬，分析瓦斯運(yùn)移的影響因素，特別是溫度場對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響。
　　最后，基于瓦斯運(yùn)移熱流固耦合模型，根據(jù)實(shí)際的煤層地質(zhì)條件和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值求解及對(duì)比驗(yàn)證，并對(duì)深部瓦斯壓力和瓦斯含