巖石熱破裂影響因素分析及其工程應(yīng)用的數(shù)值模擬研究.pdf

1、溫度場(chǎng)作用下的巖石熱破裂問題作為巖石力學(xué)的一部分，隨著地下礦物深部開采、核廢料的存儲(chǔ)、石油開采、地?zé)豳Y源開發(fā)等方面發(fā)展日益顯示其重要的作用。巖石是由多種礦物顆粒、空隙等組成的一種非均勻性材料，在受熱作用的情況下，這些顆粒在熱學(xué)上表現(xiàn)出熱應(yīng)力的不匹配性，使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)這些變化超過巖石自身的強(qiáng)度極限時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而引起巖石的物性參數(shù)(如孔隙度、滲透率等)的變化，這一特性涉及到核廢料的泄漏、石油開采量的提升、地

2、熱開發(fā)的機(jī)理等方面，說明研究巖石的熱破裂具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 隨著地下礦物開采深度的加大，地下巷道中通風(fēng)的作用使圍巖處于一個(gè)變化的溫度場(chǎng)中，隨著風(fēng)流速度和季節(jié)性溫度的變化，導(dǎo)致巷道圍巖在某一深度內(nèi)產(chǎn)生周期性的熱應(yīng)力，這勢(shì)必對(duì)圍巖的穩(wěn)定性造成一定的影響。因此，開展巖石破裂的熱一力耦合問題研究對(duì)深部開采巷道圍巖穩(wěn)定性影響及巷道支護(hù)具有重要的意義。 目前，巖石熱破裂研究大部分以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、物理實(shí)驗(yàn)和利用經(jīng)典力學(xué)等理論建立簡(jiǎn)單熱力

3、耦合模型研究某一特性問題，很難找到解決普遍的巖石熱破裂問題的方法。由于巖石的非線性、非均勻性、非連續(xù)性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變性，導(dǎo)致利用當(dāng)前經(jīng)典理論方法建立的巖石破裂熱—力耦合模型的解析理論時(shí)顯得非常困難。這是解析理論和物理實(shí)驗(yàn)中普遍存在的問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展、計(jì)算力學(xué)有效算法的提出，數(shù)值計(jì)算方法逐漸顯示出求解和處理復(fù)雜力學(xué)以及力學(xué)耦合問題的強(qiáng)大能力。本文就是從巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次出發(fā)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)和熱彈性理論，開發(fā)的RFPA熱—

4、力(TM model)耦合模型對(duì)熱—力耦合作用下巖石熱破裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 1．應(yīng)用RFPA熱—力耦合模型對(duì)巖石熱破裂的部分影響因素進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別考慮巖石外在的一些因素(傳導(dǎo)方式，加熱速度)和巖石本身的結(jié)構(gòu)(顆粒粒徑大小，孔隙度)對(duì)巖石熱破裂的影響，分析分別在穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、加熱速度不同、顆粒粒經(jīng)大小不同以及孔隙度不同的條件下對(duì)巖石破壞的程度和閥值溫度的影響，得到一些大體趨勢(shì)性的規(guī)律，為巖石熱破裂的基礎(chǔ)性

5、實(shí)驗(yàn)研究提供參考。 2．運(yùn)用熱—力耦合數(shù)值模型對(duì)深部巷道在溫度作用下穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。首先，從理論上和數(shù)值方法對(duì)深部圓形巷道理想假設(shè)下，計(jì)算在圍壓和溫度共同作用下的應(yīng)力分布進(jìn)行了求解驗(yàn)證。然后將圓形巷道圍巖進(jìn)行非均勻性假設(shè)，考慮了帶初始圍壓和溫度共同作用下圓形巷道的破壞模式。進(jìn)而，對(duì)深部隧洞在溫度變化時(shí)圍巖應(yīng)力變化情況分析，得到隧洞應(yīng)力集中區(qū)在溫度長(zhǎng)期循環(huán)變化作用的情況下容易疲勞破壞。最后，研究在熱力耦合作用下深部?jī)上噜徹Q直井