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温度对深部泥岩物理力学特性影响试验研究

徐可可  
【摘要】:本文为研究温度对深部矿井煤系共生泥岩物理力学特性的影响,首先对取自深部工程矿井的煤系共生泥岩进行单轴压缩实验提取关键的物理力学实验参数,继而根据参数模拟制作能够在力学特性、组分结构上高度拟合目标泥岩的泥岩-水泥混合试件用以取代结构不均、构造多变的泥岩进行不同温度下力学实验,同时结合相应条件下的泥岩微细观演化试验,综合分析探索了深部巷道煤系泥岩物理力学性质、微细观特征以及破坏形态随温度的变化特征,得到了重要结论:(1)试验用RMT-150 B岩石力学试验系统和GD—65/150高低温环境箱对泥岩-水泥混合试件在25℃-60℃温度下进行单轴压缩实验,得到泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量等重要参数;各级温度梯度下的泥岩单轴压缩应力-应变全过程曲线变化形态一致,曲线在不同试验阶段分为压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。通过比较各组曲线,随着温度的升高,试件的峰值应力、峰值应变逐渐减小,在全过程应力-应变上则表现为曲线的峰值点逐渐往左下方移动。随着温度升高,混合试件峰值应力、峰值应变及弹性模量减小,变形模量增大。(2)试验采用高倍显微镜对泥岩试件进行不同温度下的不同断面拍摄微观结构照片,记录分析泥岩试件的颗粒面积比、颗粒分布分维、颗粒圆度以及孔隙定向度四组表征参数在不同温度下的变化规律。泥岩试件加热破坏微观实验结果与泥岩单轴压缩实验结果有着一致性,随着温度的增加,泥岩颗粒面积比、颗粒圆度减小,孔隙面积比、孔隙圆度相应增大,泥岩微观的变化显现为宏观上泥岩试件微裂纹不断增加,试件整体结构遭到破坏,弱化材料力学特性,单轴抗压强度呈下降趋势。(3)结合泥岩单轴压缩力学实验结果和关键参数,通过分析确定泥岩弹性模量和材料参数与温度的函数方程,推导泥岩本构方程合理的比例系数,以岩石常温下本构方程出发结合岩石损伤理论和强度理论,通过数理分析最终建立了泥岩在25℃到60℃下考虑温度效应的泥岩材料损伤统计本构模型,推进了对泥岩本质特性及变化的更深层探索和认识。


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